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I. Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft die Verwendung von Pneumatikzylinder-Einheiten mit dem Ziel maximaler servicefreier Einsatzzeit unter radioaktiver Bestrahlung.
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II. Technischer Hintergrund
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Nicht nur in Kernkraftwerken, sondern auch bei anderen Bestrahlungsanlagen, beispielsweise einem Sterilisator, in dem Operationsbestecke mittels Gamma-strahlung von einer z.B. Kobalt-Quelle sterilisiert werden, werden Arbeitszylinder-Einheiten benötigt, insbesondere Pneumatikzylinder.
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Durch die radioaktive Strahlung werden organische Verbindungen, wie etwa Kunststoffe, sehr schnell durch Versprödung zerstört, weshalb an solchen Arbeitszylinder-Einheiten Dichtungen aus Kunststoff oder Gleitringe aus Kunststoff in sehr kurzen Intervallen ausgetauscht werden müssen. Der regelmäßige Kosten- und Personal-Aufwand für den Aus- und Einbau der in solchen Anlagen in bis zu 50-facher Verwendung eingebauten Arbeitszylinder, meist Pneumatikzylindern, die aus Sicherheitsgründen zur Vermeidung eines ungewollten Stillstandes alle - teils nur vorsorglich - gewechselt werden, ist nicht nur wegen der Ausfallzeit der Anlage sondern auch wegen der umfangreichen Dichtungs-Ersatzteilbeschaffung, des Vorhaltens von Austauschzylindern und dem regelmäßigen Montageaufwand zum Auswechseln der zerstörten Dichtungen sehr hoch.
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Aus dem gleichen Grund werden in aller Regel als Arbeitszylinder-Einheiten auch keine Hydraulikzylinder verwendet, da auch organisches Hydrauliköl sehr schnell in seiner Konsistenz mittels der radioaktiven Strahlung nachteilig verändert werden würde und die Arbeitszylinder-Einheiten / Hydraulikzylinder nicht mehr funktionsfähig wären.
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Selbst die Verwendung von in der Regel ölhaltiger Druckluft - die in der Regel deshalb eingesetzt wird, um pneumatische betriebene Elemente an Gleitreibungsstellen zu schmieren - ist nachteilig, da auch der Öl-Anteil der Druckluft durch die radioaktive Strahlung sich in der Konsistenz ändert und insbesondere verfestigt, und statt einer Verminderung eine Erhöhung der Gleitreibung an den betroffenen pneumatischen Elementen eintritt.
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Es ist daher in der Regel notwendig, dass in solchen mit ölhaltiger Druckluft unter radioaktiver Strahlung betriebenen Pneumatikzylinder-Einheiten anlässlich des Wechsels der zerstörten Kunststoffdichtungen - in der Regel bereits oft nach weniger als 2000 Betriebsstunden - auch die inneren Metallteile von gecrackten Ölascheresten gesäubert werden müssen
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin eine Pneumatikzylinder-Einheit zur Verfügung zu stellen, die möglichst keine organischen Verbindungen enthält, um drastisch verlängerte Service-Intervalle der Pneumatikzylinder-Einheit zu erreichen sowie den Aufwand für Montage und Ersatzteil-Vorhaltung zu reduzieren, sowie die störungsfreie Verfügbarkeit einer Bestrahlungsanlage, in der eine solche Pneumatikzylinder-Einheit verwendet wird deutlich zu verlängern auf vorzugsweise mindestens ein Jahr.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 11 und 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hinsichtlich der Pneumatikzylinder-Einheit mit den üblichen Hauptkomponenten
- - Zylinderrohr,
- - darin dicht verschiebbarer Kolben,
- - abdichtender Kolbenring im Kolben,
- - einer Stangendichtung in der Stangenöffnung des Zylinderkopfes
wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Dichtungen und/oder die Stangenführung aus einem anorganischen Material bestehen, da anorganische Materialien wesentlich beständiger gegenüber radioaktiver Strahlung, insbesondere Gamma-Strahlung sind und damit diese Bauteile weniger schnell versagen.
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Der Zylinder selbst besteht in aller Regel ohnehin aus Metall, meist Stahl.
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Vorzugsweise besteht auch der Kolben und/oder ein Kolbenring aus einem anorganischen Material, worunter auch reiner Kohlenstoff - also keiner Kohlenstoff-Verbindung -, beispielsweise in der kristallinen Form als Graphit, verstanden werden soll, insbesondere wenn ein Bauteil wie ein Kolben oder ein Kolbenring zum überwiegenden Anteil aus reinem Kohlenstoff besteht, nämlich mindestens 90 Gewichts-%, besser mindestens 95 Gewichts-%, besser mindestens 98 Gewichts-%.
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Dies hat wegen der selbst schmierenden Eigenschaften von Kohlenstoff oder Graphit den zusätzlichen Vorteil, dass der Kolben am Innenumfang des Zylinderrohrs im Betrieb auch anliegen kann, ohne dass am Kolben und/oder Zylinderrohr zu schnell Verschleiß eintritt. Insbesondere bei waagerecht eingesetzten Pneumatikzylinder-Einheiten, wie sie bei horizontalen Transportvorrichtungen oft vorliegen, ist dies von Vorteil.
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Der Ringspalt zwischen Kolben und Zylinderrohr kann nicht zu eng gewählt werden, da ein möglichst reibungsarmes Gleiten des Kolbens im Rohr während des Arbeitshubs sichergestellt werden muss. Daher wird die Dichtung zwischen den beiden Druckräumen statt der bisher verwendeten Kunststoffdichtung durch einen in einer Nut im Kolbenumfang angebrachten federnden Kolbenring erreicht. Vorzugsweise beträgt die Differenz zwischen dem Außenumfang des Kolbens und dem Innenumfang des Zylinderrohres zwischen 0,2 mm und 0,05. mm, besser zwischen 0,15 mm und 0,10 mm.
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Aus diesem Grund ist der Querschnitt des Kolbenringes zur ihn aufnehmenden Ringnut auch so bemessen, dass die radiale Tiefe der Ringnut größer ist als der Kolbenring, also gerade bei waagerechtem Betrieb der Pneumatikzylinder-Einheit der Kolbenring auf der Unterseite vollständig in der Ringnut verschwinden kann, also schwimmend in der Ringnut, insbesondere der Kolbennut geführt wird, und durch seine nach außen gerichtete Federwirkung die Dichtung durch Anliegen an der Zylinderrohr-Innenwand sicherstellt, während der Kolben mit seiner Außenseite auf dem Innenumfang des Zylinderrohrs ohne mechanische Pressung leicht gleiten kann.
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Falls gemäß einer 1. Variante der Kolbenring aus einem anorganischen, federnden Material, meist Metall, besteht, kann er wie bekannt ein an nur einer Umfangsstelle geschlitzter Ring sein, der - im entspannten Zustand - einen größeren Außendurchmesser besitzt als der Innendurchmesser des Zylinderrohrs und auch des Außendurchmessers des Kolbens, und dichtet aufgrund seiner Eigenspannung dort, wo er radial über den Kolben hinaus vorsteht, ausreichend gegenüber dem Zylinderrohr ab.
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Vorzugsweise besteht er dabei aus einem Metall, welches weicher ist als das Zylinderrohr an seiner Innenumfangsfläche, wobei der Kolben dann vorzugsweise aus Messing oder Bronze besteht, dem insbesondere Kohlenstoff beigemengt werden kann, um einen Selbstschmierungseffekt zu erreichen. Der Kohlenstoff-Anteil ist dann allerdings sehr gering, aber doch mindestens 1 Gewichts-%, besser 3 Gewichts-%, besser 5 Gewichts-%, aber in aller Regel nicht mehr als 10 Gewichts-%.
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Eine 2. Variante besteht darin, dass das Material des Kolbenringes zum überwiegenden Anteil aus Kohlenstoff besteht, nämlich 90 Gewichts-%, besser 95 Gewichts-%, besser 98 Gewichts-%, was dann das Auftreten von Verschleiß an der Innenumfangswand des Zylinderrohrs weitestgehend verhindert, aber mangels Elastizität und Eigenspannung eine andere Bauform erfordert.
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Ein solcher Kolbenring wird vorzugsweise als geschlossener Ring hergestellt, dessen Außendurchmesser gleich oder nur geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Zylinderrohres, und dann an zwei oder mehr Umfangsstellen gebrochen oder aufgeschnitten wird in mehrere Segmente. Das Untermaß beträgt dabei höchstens 0,5 mm, besser höchstens 0,3 mm, besser höchstens 0,2 mm, besser höchstens 0,1 mm.
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Wenn dieser geteilte Kolbenring, insbesondere Graphitring, aus zwei Teilen besteht und keine natürliche Federkraft wie bei einem geschlitzten Kolbenring mit radialem Übermaß aus einem elastischen Material wie Metall durch Zusammendrücken bewirken kann, werden an den beiden Ring-Segmenten im eingebauten Zustand Federn verwendet, die die, insbesondere zwei, Ring-Segmente nach außen gegen die Zylinderrohr-Innenfläche pressen.
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Als Stangen-Führung im Zylinderrohrkopf wird statt einer Gleitbuchse vorzugsweise eine Kugel-Umlauf-Längsführung eingesetzt, bei der das axiale Ein- und Ausfahren der Kolbenstange nur eine Roll-Reibung verursacht, sodass auch bei den Wälzkörpern und/oder einem Käfig und/oder den Laufbahnen für die Wälzkörper aus einem anorganischen Material, wie etwa Metall, insbesondere gehärtetem Stahl, kaum Verschleiß auftritt.
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Natürlich ist dabei eine zusätzliche Schmierung, wie sie beispielsweise durch den Öl-Anteil einer ölhaltigen Druckluft, mittels der der Pneumatikzylinder angetrieben wird, von Vorteil, aber die Nachteile dieses durch die radioaktive Strahlung quasi „verbrennenden“ Öls sind nachteilig auch für diese Art von Stangen-Führung. Daher können vorzugsweise statt organischer Öle synthetische, nicht organische Gleitsubstanzen mit einstellbaren Viskositäten wie z.B. Silicon-Öle Verwendung finden.
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Konventionell kann die Stangen-Führung wiederum aus einer Gleitbuchse bestehen, allerdings aus einem anorganischen Material, wie Metall, dann einem weicheren Metall als das der Außenumfangsfläche der Kolbenstange.
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Vorzugsweise besitzt das Material einer solchen Gleitbuchse dann auch einen Kohlestoff-Anteil von mindestens 1 Gewichts-%, besser mindesten 3 Gewichts-%, besser mindestens 5 Gewichts-%, aber vorzugsweise nicht mehr als 10 Gewichts-% um die Gleiteigenschaften einer solchen Gleitbuchse zu verbessern.
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Alternativ kann die Gleitbuchse auch zum überwiegenden Anteil aus reinem Kohlenstoff bestehen, nämlich aus mindestens 90 Gewichts-%, besser aus mindestens 95 Gewichts-%, besser aus mindestens 98 Gewichts-%,
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Um eine gute Abdichtung zwischen Kolbenstange und dieser Gleitbuchse sicherzustellen, sollte der Spalt dazwischen sehr eng toleriert sein, möglichst unter 0,1 mm, vorzugsweise unter 0,07 mm, vorzugsweise zwischen 0,05 mm und 0,06 mm.
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Um ein Verklemmen der Kolbenstange im Zylinderkopf zu verhindern, kann diese Gleitbuchse z.B. mit einem radial vorstehenden Kragen versehen sein, den eine Spiralfeder axial an den Zylinderkopf dichtend anpresst, wodurch die Gleitbuchse und damit die Kolbenstange in Radialrichtung schwimmend und dennoch dicht gegenüber dem Zylinderkopf geführt ist.
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An der Stangen-Führung kann auch zusätzlich ein Kolbenring vorhanden sein, der dann vorzugsweise in einer Ringnut aufgenommen ist, die sich im Innenumfang der Stangenöffnung befindet und der im entspannten Zustand natürlich einen kleineren Innendurchmesser besitzt als der Außendurchmesser der Kolbenstange. Auch hier sollte bevorzugt die Ringnut eine größere radiale Tiefe als die Breite des Kolbenringes in radialer Richtung besitzen, sodass die Kolbenstange auch direkt an der Gleitbuchse anliegen kann.
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Dieser Kolbenring an der Stangen-Führung kann insbesondere analog beschaffen und hergestellt sein, auch in seiner Relation zur aufnehmenden Ringnut, wie zuvor am Kolbenring des Kolbens beschrieben.
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Da die Pneumatikzylinder-Einheit vorzugsweise nur zwischen zwei Endlagen hin und her verfahren wird, und zu diesem Zweck beide Arbeitsräume, also je auf einer der beiden Seiten des Kolbens, mit einem Arbeitsraum-Anschluss ausgestattet sind - die wahlweise mit Druckluft beaufschlagt oder zur Umgebung hin entlüftet werden können - soll am Ende des Bewegungsweges der Kolben gedämpft werden, um mit nur geringer Kraft an der jeweiligen stirnseitigen Endplatte des Zylinders anzuschlagen.
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Zu diesem Zweck ist an einem oder vorzugsweise an beiden axialen Enden des Innenraumes des Zylinders ein axial wirkendes Dämpfungselement vorhanden, beispielsweise eine Dämpfungshülse, in die sich Teile des Kolbens oder der Kolbenstange hinein erstrecken können und in die passgenau mit Schiebepassung an beiden Kolbenenden vorstehende Kolben-Fortsätze bei Annäherung an die jeweilige Endlage einfahren.
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Im Augenblick des Eintauchens des jeweiligen Kolben-Fortsatzes in die jeweilige Dämpfungshülse wird der reguläre jeweilige Arbeitsraum-Anschluss versperrt, und das Restluftvolumen des jeweiligen Arbeitsraumes kann nur über einen seitlichen Bypass-Kanal zum Arbeitsraum-Anschluss hin abströmen, wobei der Bypass-Volumenstrom und damit die Geschwindigkeit des Kolbens in diesem Dämpfungsbereich durch eine Regulierschraube eingestellt werden kann Auf diese Art und Weise kann eine Dämpfung erzielt werden ohne organische Verschleißteile.
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Vorzugsweise ist das Dämpfungselement dabei in axialer Richtung schwimmend am Zylinderrohr befestigt.
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Hinsichtlich einer Bestrahlungsanlage, wie etwa eines Sterilisators, der außer einer Strahlenquelle auch eine Pneumatikzylinder-Einheit besitzt, beispielsweise als Teil einer Transportvorrichtung zum Transportieren der zu sterilisierenden Produkte in oder durch den Sterilisator, wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Pneumatikzylinder-Einheit wie vorbeschrieben ausgebildet ist, um eine lange wartungsfreie Betriebszeit der wenigstens einen Pneumatikzylinder-Einheit und damit der gesamten Bestrahlungsanlage zu ermöglichen.
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Die Pneumatikzylinder-Einheit wird oft liegend in der Bestrahlungsanlage verbaut sein müssen, also mit einer Haupterstreckungsrichtung, die einen geringeren Winkel zur Horizontalen als zur Vertikalen einnimmt, wodurch das Aufliegen des Kolbens mit seiner Unterseite am Zylinderrohr schwerkraft-bedingt kaum vermeidbar ist.
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Bei einer ausreichend großen Kontaktfläche zwischen dem Kolben und dem Zylinderrohr wird dies jedoch bei einem Kolben aus einem gut gleitfähigen Material, wie insbesondere reinem Kohlenstoff oder Graphit, nur eine geringe Flächenpressung und damit geringem Verschleiß nach sich ziehen. Bei einem vertikalen Einbau natürlich erst Recht.
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Hinsichtlich des Verfahrens zum Betreiben einer Pneumatikzylinder-Einheit sowie einer damit ausgestatteten Bestrahlungsanlage wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Druckluft, mit der der Pneumatikzylinder angetrieben wird, ölhaltig ist um vor allem die Kugelumlauf-Führungen zu schmieren, vorzugsweise das in der Druckluft enthaltene Öl jedoch ein anorganisches Öl, beispielsweise Silikon-Öl, ist.
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Dadurch kann die Reibung der Kugeln der Kugelumlauf-Führungen reduziert werden und dennoch hält ein solches anorganisches Öl der radioaktiven Strahlung relativ lange stand.
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Wenn keine zu schmierende Stangenführung vorhanden ist, kann Öl-freie Druckluft verwendet werden.
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Hinsichtlich des Verfahrens zum Herstellen einer Pneumatikzylinder-Einheit wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der, insbesondere jeder, Kolbenring
- - zunächst als umlaufend geschlossener Ring hergestellt wird,
- - anschließend der Kolbenring in mindestens zwei Segmente zerbrochen wird,
- - danach die Segmente unter Anordnung eines federnden Elementes, insbesondere Federn zwischen dem Boden der aufnehmenden Ringnut (7) und dem Kolbenring in die Nut eingelegt wird.
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Das primär aus Kohlenstoff bestehende Bauteilen wie etwa ein Kolben wird vorzugsweise dadurch hergestellt, dass Kohlenstoff mit Pech vermengt, dann das Bauteil daraus geformt und nach Aushärten das Pech in Kohlenstoff umgewandelt wird.
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Dieses Umwandeln von Pech in Kohlenstoff kann durch Sintern unter Druck erfolgen.
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c) Ausführungsbeispiele
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Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
- 1a, b: die Pneumatikzylinder-Einheit in Seiten- und Frontansicht,
- 2a: einen Längsschnitt durch die Pneumatikzylinder-Einheit der 1a, b
- 2b: eine Ausschnittvergrößerung und Verkürzung ausgehend von 2a,
- 2c: einen Querschnitt durch die Pneumatikzylinder-Einheit an der Stelle des Kolbenringes,
- 3: eine Prinzip-Darstellung eines Sterilisators.
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Wie die 1a, b im Zusammenhang mit 2a zeigen, besteht die Pneumatikzylinder-Einheit 1 aus einem Zylinder 2, der erstellt ist aus zwei quadratischen Endplatten 2.1, 2.2, zwischen denen in axialer Richtung ein Zylinderrohr 2.3 eingespannt ist, wobei die Verspannung mittels in den Ecken der quadratischen Endplatten 2.1, 2.2 hindurchragender Zuganker 21 erfolgt.
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Die eine Endplatte 2.2, der Zylinderkopf, besitzt dabei eine Stangen-Öffnung 2a, durch welche sich die Kolbenstange 4 nach außen hindurch erstrecken kann, an deren innerem Ende der Kolben 3 befestigt ist, der - siehe 2a - dicht im Inneren des Zylinders 2 in axialer Richtung 10, der Längsrichtung des Zylinders 2, verfahrbar ist durch Beaufschlagen der vor und hinter dem Kolben 3 im Innenraum des Zylinders vorhandenen Arbeitsräume 20a, b mit Druckluft, was über die Arbeitsraum-Anschlüsse 5a, b erfolgt, die in den Endplatten 2.1, 2.2 angeordnet sind und gesteuert wahlweise mit Druckluft p beaufschlagt oder zur Umgebung U hin entlüftet werden können.
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Im Gegensatz zu einem Hydraulikzylinder darf eine Pneumatikzylinder-Einheit 1 wie vorliegend durchaus eine geringe Undichtigkeit aufweisen, da austretende Druckluft in geringem Umfang in der Regel akzeptabel ist, und lediglich die Betriebskosten für den Antrieb der Pneumatikzylinder-Einheit 1 geringfügig erhöht.
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Deshalb ist der Kolben 3 mit nur einem einzigen Kolbenring 6, aufgenommen in einer Ringnut 7, gegenüber dem Innenumfang des Zylinderrohrs 2 abgedichtet, was jedoch nur einen geringen Übertritt von Druckluft aus dem momentan druckbeaufschlagten Arbeitsraum 20b in den anderen, momentan entlüfteten, Arbeitsraum 20a zur Folge hat, zumal der Kolben 3 in axialer Richtung eine relativ große Erstreckung von mindestens dem 0,5-fachen, besser dem 0,75-fachen, besser dem 1,0-fachen, des Kolben-Durchmessers besitzt, was ohnehin schon das Hindurchtreten von Druckluft erschwert.
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Ebenso kann im Innenumfang der Stangen-Öffnung 2a des Zylinders 2, genauer dem Zylinderkopf 2.2, ebenfalls eine Ringnut 7' ausgebildet sein, in der ein Kolbenring 6' angeordnet ist, der mit seinem Innenumfang am Außenumfang der Kolbenstange 4 anliegt, ebenso wie der Außenumfang des Kolbenrings 6 am Innenumfang des Zylinderrohrs 2 anliegt.
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Dennoch besitzen beide Kolbenringe 6, 6' einen Querschnitt, der in radialer Richtung geringer ist als die Tiefe der Ringnut 7, 7', in der er aufgenommen ist, sodass also - gerade bei liegender Anordnung der Pneumatikzylinder-Einheit 1 wie dargestellt - der Kolben 3 und die Kolbenstange 4 durchaus auf der Unterseite des Innenumfanges des Zylinderrohrs 2 und / oder der Stangen-Öffnung 2a aufliegen können.
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Aus diesem Grund besteht zumindest der Kolben 3 aus einem gegenüber dem des Zylinderrohrs 2 gut gleitfähigem Material, insbesondere aus Kohlenstoff, insbesondere Graphit, oder einem Material mit einem hohen Graphit-Anteil.
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Bei der Kolbenstange 4 ist die direkte Anlage an der Stangen-Öffnung 2a dadurch nach Möglichkeit vermieden, dass eine Stangen-Führung 9 zwischen der Kolbenstange 4 und der Stangen-Öffnung 2a verwendet wird, die die Kolbenstange 4 radial führt.
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Dies können zur Vermeidung von Gleitreibung Kugel-Längsführungen 12 sein, von denen eine in 2b in der Vergrößerung dargestellt ist und von denen mindestens drei um den Umfang der Stangen-Öffnung 2a herum verteilt angeordnet sein sollten.
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Dabei rollen in einer dargestellten, 1 Bauform die in einem Käfig gehaltenen Wälzkörper 12a, in der Regel Kugeln 12a, um einen in Längsrichtung 10 verlaufenden Stab, hier eine Stange 12b mit abgerundeten Enden, primär in Längsrichtung 10 um, die auf der Außenseite der Kugel-Längsführung 12 - direkt oder indirekt -am Innenumfang der Stangen-Öffnung 2a und auf der Innenseite am Außenumfang der Kolbenstange 4 abrollen.
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In einer nicht dargestellten, 2. Bauform findet kein Umlauf um den mittigen Stab 12b statt, sondern stattdessen werden die Kugeln einer jeden der beiden Längsreihen von Kugeln am Ende ihrer in Längsrichtung 10 liegenden axialen Rollstrecke durch einen Rücklaufkanal im anliegenden Bauteil, insbesondere dem Zylinderkopf 2.1, an den Ausgangspunkt des nächsten Rolleinsatzes zurückgeführt. Dadurch kommt es - in jeder Bewegungsrichtung der Kolbenstange - zu einem endlos revolvierenden Einsatz einer endlichen Anzahl von Kugeln.
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Solche Kugel-Längsführungen 12 sind vorzugsweise axial außerhalb der Ringnut 7' und des darin angeordneten Kolbenringes 6' angeordnet.
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Die Stangenführung 9 kann jedoch auch - stattdessen oder zusätzlich - eine in dem Innenumfang der Stangen-Öffnung 2a angeordnete Gleitbuchse 13 sein, die vorzugsweise aus einem gut gleitfähigen Material wie Bronze oder Messing besteht und in deren Innenumfang die Kolbenstange 4 sehr eng toleriert anliegt und geführt ist. Die Gleitbuchse 13 ist von einer Feder 15, hier einer Spiralfeder 15, axial von innen nach außen gegen eine Schulter im Zylinderkopf 2.2 gepresst und dadurch diesem gegenüber abgedichtet.
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Um der Kolbenstange 4 dennoch eine geringe Bewegungsfreiheit in axialer Richtung zu geben und ein Verklemmen zu verhindern, kann sich die Gleitbuchse 13 radial entlang dieser Schulter bewegen, ist demgegenüber also schwimmend gelagert.
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Damit beim Beaufschlagen eines der Arbeitsräume 20a, b mit Druckluft der Kolben 3 nicht zu stark auf dem gegenüberliegenden Ende des Zylinders 2, also der dortigen Endplatte 2.1 oder 2.2, aufschlägt, ist in den dem Innenraum des Zylinders 2 zugewandten Seiten der Endplatten 2.1, 2.2 jeweils ein Dämpfungs-Element 14 in Form einer Dämpfungshülse 14 angeordnet, die einen so großen Innenumfang aufweist, dass einer der beidseits vom Kolben 3 axial über diesen überstehenden Kolben-Fortsätze 17a, b in diesen Innenumfang der Dämpfungshülse 14 eintauchen kann, bevor der Kolben 3 auf die Stirnfläche der Dämpfungshülse 14 und damit der Endplatte 2.1 oder 2.2auftrifft.
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Das Bremsen des Kolbens 3 am Ende seines jeweiligen Bewegungsweges, also vor dem Auftreffen auf der jeweiligen Grundplatte, wird durch eine gesteuerte Entlüftung des bei der Bewegung gerade nicht mit Druckluft beaufschlagten Arbeitsraumes, hier 20a, über dessen Arbeitsraum-Anschluss 5a erreicht:
- Dieser Arbeitsraum-Anschluss 5a, b der dem Außenumfang der Grundplatte 2.1 bzw. 2.2 angeordnet ist, steht über einen radialen sowie einen damit in Verbindung stehenden axialen Kanal in dieser Endplatte mit einer Zentralmündung 22 in der dem Innenraum des Zylinders zugewandten Stirnfläche der jeweiligen Endplatte 2.1, 2.2 in Verbindung.
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Solange die Verbindung von dieser Zentralmündung 22 zum Arbeitsraum-Anschluss 5a, b offen ist, ist die Entlüftung nicht beeinträchtigt und der auf der anderen Seite mit Druckluft p beaufschlagte Kolben 3 nähert sich sehr rasch der momentan am Arbeitsraum-Anschluss 5a mit der Umgebung in Verbindung stehenden Endplatte 2.1 an.
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Allerdings befindet sich in der Zentralmündung 22 eine Dämpfungs-Hülse 14, und an jedem stirnseitigen Ende des Kolbens 3 ist ein Kolben-Fortsatz 17a, b angeordnet, der mit seinem Außenumfang dicht in den Innenumfang der Dämpfungs-Hülse 14 passt.
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Gegen Ende des axialen Bewegungsweges des Kolbens 3 taucht der Kolben-Fortsatz 17a dicht in die Dämpfungs-Hülse 14 ein, wodurch die Verbindung von dem Arbeitsraum-Anschluss 5a oder 5b zu der Mündung zum Arbeitsraum hin verschlossen wird.
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Luft aus dem zu entlüftenden Arbeitsraum z.B. 20a kann dann nur noch über einen Bypass zum Arbeitsraum-Anschluss 5a strömen, der aus einer axialen Bohrung 54a, die abseits der Dämpfungs-Hülse 14 in der inneren Stirnfläche der Endplatte im Arbeitsraum mündet, sowie einer damit sich kreuzenden, mit dieser in Verbindung stehenden radialen Bohrung 55a in der entsprechenden Endplatte 2.1 besteht.
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Diese Radialbohrung 55a steht einerseits unabhängig von der Kolbenstellung mit dem Arbeitsraum-Anschluss 5a in Verbindung indem sie in den daran anschließenden radialen Kanal mündet, und sie mündet mit dem anderen Ende in der Umfangsfläche der Endplatte z.B. 2.1.
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Von dort her ist eine Regulier-Schraube z.B. 19a eingeschraubt, die den Übergang von der axialen Bohrung 54a zur radialen Bohrung 55a in einem einstellbaren Maß reduziert je nach Einschraubtiefe der Regulierschraube 19a.
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Da der verbleibende Querschnitt sehr viel geringer ist als der Querschnitt der Zentralmündung 22, kann die Entlüftung ab dem Eintauchen des Kolben-Fortsatzes 17a in die Dämpfungs-Hülse 14 nur noch sehr viel langsamer erfolgen, wodurch der Kolben 3 abgebremst wird vor dem Aufschlagen auf der entsprechenden Endplatte z.B. 2.1
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Zusätzlich kann die Mündung 54.1 der axialen Bohrung 54a oder b in der Stirnfläche zum Zylinder-Innenraum hin so angeordnet sein, dass sie von dem Kolben 3, insbesondere einer Schulter des an der Endplatte anliegenden Kolbens 3, teilweise abgedeckt wird, was eine zusätzliche Reduzierung des Volumenstromes in diese Mündung hinein kurz vor dem Anliegen des Kolbens 3 an der entsprechenden Endplatte 2.1, 2.2 bewirkt.
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Die Dämpfungs-Hülse 14 ist vorzugsweise radial schwimmend gelagert und wird erst durch den darin eintauchenden Kolben-Fortsatz 17a bzw. 17b radial positioniert, weshalb entsprechende Einlaufschrägen, eventuell wechselseitig, sowohl an der Dämpfungs-Hülse 14 als auch an dem Kolben-Fortsatz 17a, b, vorteilhaft sind. In axialer Richtung wird die Dämpfungs-Hülse 14 zwischen einer entsprechenden Schulter in der Endplatte und einem ebenfalls in der Endplatte eingebrachten Sprengring 16 positioniert.
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Auf der Zylinderkopf-Seite ist zwischen der Kolbenstangen-Führung 9 und der Dämpfungs-Hülse 14 ferner eine dicht auf dem Außenumfang der Kolbenstange 4 verschiebbare Dichtungshülse angeordnet, die mittels einer Spiralfeder 15 von der Dämpfungs-Hülse 14 weg gegen eine entsprechende Schulter in der dortigen Endplatte 2.2 gedrückt wird, die sich zwischen der Stangen-Führung 9 und dem axialen Kanal zum dortigen Arbeitsraum-Anschluss 5b befindet und ein Austreten von Druckluft aus dem angrenzenden Arbeitsraum 20b durch die Stangen-Führung 9 minimieren soll.
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2c zeigt in einem Querschnitt den Kolbenring 6 im eingebauten Zustand:
- Wenn dieser beispielsweise aus Graphit besteht, kann aufgrund mangelnder Elastizität keine Vorspannung zur Anlage nach radial außen an dem umgebenden Zylinderrohr 2.3 durch Herstellung mit Übermaß und anschließendes Durchtrennen des Kolbenringes an nur einer Stelle, wie bei Kolbenringen aus Metall üblich, erreicht werden.
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Stattdessen wird in diesem Fall der Kolbenring 6 als umlaufend geschlossener Ring hergestellt und dann in zwei etwa halbkreisförmige Segmente 6a, b zerbrochen, die anschließend separat in die Umfangs-Nut 7, in Umfangsrichtung aneinander anschließend, im Kolben 3 eingelegt werden.
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Für die Vorspannung nach radial außen gegen das Zylinderrohr 2.3 müssen diese Segmente 6a, b vorgespannt werden.
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Dies kann beispielsweise mittels einer Wellenfeder 18a - also einem gewellten schmalen Streifen aus federndem, ausreichend elastischen Blech - zwischen dem Boden der Umfangsnut 7 und dem jeweiligen Segment 6a, b erfolgen, wie am rechten Segment 6b dargestellt.
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Der Vorteil ist, dass eine solche Wellenfeder 18a in Umfangsrichtung auch entlang des gesamten Umfanges der Umfangs-Nut 7 eingelegt werden kann und über den ganzen Umfang verteilt von innen gegen den Kolbenring 6 drückt. Dabei muss eine radiale Toleranz zwischen dem Außendurchmesser des Kolbenrings und dem Innendurchmesser des umgebenden Zylinder-Rohres vorgesehen werden, um ein Klemmen und Zerbrechen des wenig elastischen Kolbenringes aus Graphit zu vermeiden.
Alternativ kann - wie am linken Segment 6a dargestellt - eine in z.B. einer radialen Kolben-Bohrung geführte Druckfeder 18b, insbesondere eine Spiralfeder 18b, gegen z.B. den in Umfangsrichtung etwa mittleren Bereich des Segmentes 6a von innen andrücken, am besten mittels eines an die Innen-Umfangskontur des Segmentes 6a angepassten, ebenfalls in der Kolben-Bohrung geführten Druckstück zwischen Druckfeder 18b und Segment 6a.
Die 3 zeigt eine typische Anwendung einer solchen Pneumatikzylinder-Einheit 1, die ohne organisches Material auskommen kann:
- In einem von einer dicken Beton-Umhüllung 59 umgebenen Sterilisator 50, dem Stahlbeton-Strahlungsbunker mit dem bestrahlten Raum 56 darin, befindet sich eine Strahlungsquelle 51, beispielsweise eine Kobalt-Quelle, die radioaktive Strahlung in den bestrahlten Raum 56 hinein abgibt.
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Etwa an den beiden Enden des Raumes 56 befindet sich in einer Wand je eine permanent offene Beschickungs-Öffnung 56a einerseits und Ausgabe-Öffnung 56b andererseits, bei denen das Austreten von radioaktiver Strahlung durch einen an die Öffnung der Wandung des Bunkers angebauten Stahlbeton-Winkel - der beispielsweise bei der Aufsicht von oben erkennbar ist - sichergestellt ist, der in Austrittsrichtung mit einem Schenkel die entsprechende Öffnung abdeckt und eine permanente nicht überwindbare Schikane für die radioaktive Strahlung bewirkt. Dadurch wird das Öffnen und Schließen von beweglichen Toren und damit kurzzeitiger Strahlungsaustritt in eine ungeschützte Umgebung vermieden.
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In der Seitenansicht der 3 ist diese gewinkelte Form der Schikanen 56a, 56b, nicht erkennbar. Die für eine Sterilisierung mittels der Strahlung benötigte Verweilzeit im Bunker wird durch eine Transportvorrichtung 52, hier in Form einer horizontal verlaufenden, insbesondere nach dem Pilgerschritt-Verfahren funktionierenden, Schiebestrecke oder irgendeiner anderen geeigneten Transportvorrichtung 52 erreicht.
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Durch die Beschickungs-Schikane 56a kann ein Behälter 53, der mit zu sterilisierenden Produkten P gefüllt ist, auf den Anfangsbereich der Transportvorrichtung 52 aufgelegt werden und diese weiter bewegt werden, und dahinter der nächste Behälter 53 aufgelegt werden.
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Am Ende der Transportstrecke wird der Behälter 53, dessen Inhalt nach dieser Zeitdauer sterilisiert ist, durch die Ausgabe-Schikane 56b entnommen.
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Bei einer prinzipiell bekannten Pilgerschritt-Schiebestrecke liegt das Transportgut, hier die Behälter 53, beispielsweise auf zwei in Transportrichtung 52' sich über die gesamte Transportstrecke verlaufenden, quer zueinander beabstandeten Ablageleisten auf. Daneben oder dazwischen befinden sich - ebenfalls im Querbereich der Behälter 53 - etwa ebenso lange Hubleisten 58, deren Oberseite sich im Ausgangszustand unter der Oberseite der Ablageleisten befinden, sodass dann die Behälter 53 auf den Ablageleisten liegen.
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Mittels eines oder mehrerer der Pneumatikzylinder-Einheiten 1 werden über einen Pilgerschritt-Antrieb 57 die Hubleisten 58 synchron angehoben, sodass sie an der Unterseite der Behälter 53 anliegen, diese von den Ablageleisten abheben, sich um einen Schritt - der vorzugsweise etwa oder mindestens der Länge eines Behälters 53 entspricht - in Transportrichtung 52' mit den darauf ruhenden Behältern 53 weiterbewegen und durch Absinken dort weiter vorne auf den Ablageleisten ablegen. Anschließend bewegen sich die Hubleisten 58 ohne Kontakt zu den Behältern 53 in einer abgesenkten Lage wieder in ihre Ausgangsstellung zurück.
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Damit ist am Beginn der Behälterreihe im Bunker eine freie Stelle mit der Länge eines neu durch die Beschickungs-Schikane 56a einzubringenden Behälters freigeworden.
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Die Hubleisten vollziehen also in der Seitenansicht betrachtet mithilfe der wenigstens einen Arbeitszylinder-Einheit 1, die den Pilgerschritt-Antrieb 57 betätigt, beispielsweise einen umlaufenden, kreisförmigen, rechteckigen oder auch elliptischen, Weg.
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Auch ein Bewegen der Behälter 53 zu oder von einer - nicht dargestellten - weiteren Etage der Transportvorrichtung 52 ist mithilfe einer Arbeitszylinder-Einheit 1 möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pneumatikzylinder-Einheit
- 2
- Zylinder
- 2.1
- Endplatte
- 2.1
- Endplatte, Zylinderkopf
- 2.3
- Zylinderrohr
- 2a
- Stangen-Öffnung
- 3
- Kolben
- 4
- Kolbenstange
- 5a, b
- Arbeitsraum-Anschluss
- 6, 6'
- Kolbenring
- 7, 7`
- Ringnut
- 8
- Stangen-Dichtung
- 9
- Stangen-Führung
- 10
- axiale Richtung, Längsrichtung
- 11
- Querrichtung
- 12
- Kugel-Längsführung
- 13
- Gleitbuchse
- 14
- Dämpfungs-Element, Dämpfungs-Hülse
- 15
- Feder
- 16
- Sprengring
- 17a, b
- Kolben-Fortsatz
- 18a, b
- Feder, Wellenfeder, Spiralfeder
- 19a, b
- Regulierschraube
- 20a, b
- Arbeitsraum
- 21
- Zuganker
- 22
- Zentralmündung
- 50
- Bestrahlungsanlage
- 51
- Strahlungsquelle
- 52
- Transportvorrichtung
- 52'
- Transportrichtung
- 53
- Behälter
- 54
- axiale Bohrung
- 54a
- Mündung
- 55
- radiale Gewindebohrung
- 56
- Sterilisationskammer, bestrahlter Raum
- 56a
- Beschickungs-Öffnung, Beschickungs-Schikane
- 56b
- Ausgabe-Öffnung, Ausgabe-Schikane
- 57
- Pilgerschritt-Antrieb
- 58
- Hubleiste
- 59
- Beton-Umhüllung
- p
- Druckluft
- P
- Produkt
