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Die
Erfindung betrifft ein Einsatzteil für Ventile, die einen
in einem Gehäuse gelagerten Bewegungskörper, welcher
in ein fluides Medium mindestens teilweise hineinragt oder mit diesem
in Kontakt kommt, umfassen, zur, auch nachrüstbaren, Ertüchtigung
des Ventils als mechatronisches Strömungsmessgerät,
wobei der Bewegungskörper gegen die Schwerkraft oder eine
Rückstellkraft strömungsabhängig seine
Lage verändert und das Ventil neben seinen strömungseingangs-
und -ausgangsseitigen Anschlüssen einen Einschraubstutzen
aufweist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie
einen Sensor, insbesondere zur Komplettierung eines derartigen Einsatzteils.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen hülsenförmigen
Bewegungskörper mit Dichtfläche oder Dichtkonus
für ein erfindungsgemäßes Einsatzteil.
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Strömungssensoren
mit einem Gehäuse und mit einem im Gehäuse angeordneten
Sensorelement sind z. B. aus der
WO 2005/124291 A1 vorbekannt.
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Derartige
Strömungssensoren können bei einer Vielzahl von
Anwendungsfällen eingesetzt werden. So sind Anwendungen
im Bereich der Verfahrenstechnik oder bei Werkzeugmaschinen denkbar. In
den genannten Fällen dienen die Strömungssensoren
dazu, die Strömung bzw. die Strömungsgeschwindigkeit eines
fluiden Mediums, z. B. Luft, Wasser, Öl, Schmiermittel
oder dergleichen zu messen, so dass entsprechende Überwachungs-,
Steuerungs- und Kontrollaufgaben gelöst werden können.
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Um
die Kosten bei der Herstellung von Strömungssensoren zu
reduzieren, wurde gemäß
WO 2005/124291 A1 vorgeschlagen,
einen in das strömende Medium hineinragenden Hubkörper
vorzusehen, wobei der Hubkörper an einem Gehäuse
beweglich geführt und in Abhängigkeit von der
Strömung des zu überwachenden Mediums gegen die Rückstellkraft
eines zwischen dem Gehäuse und dem Hubkörper angeordneten
Rückstellelements bewegbar ist. Das dort eingesetzte Sensorelement
ist bevorzugt als berührungsloser Näherungssensor,
z. B. Näherungsschalter ausgebildet und erzeugt ein von
der Position des Hubkörpers abhängiges Signal. Das
Rückstellelement, das sich zwischen dem Gehäuse
und dem Hubkörper befindet, kann als mechanisches, magnetisches
oder elektromagnetisches Element ausgebildet sein, wobei im einfachsten
Fall eine Feder verwendet wird, gegen deren Federstell- oder Federvorspannkraft
der Hubkörper durch die Strömung des Mediums auslenkbar
ist. Gemäß einer Ausgestaltung des Standes der
Technik weist der Hubkörper einen umlaufenden Bund auf,
wobei dieser Bund so ausgebildet ist, dass der Strömungssensor
zusätzlich die Funktion eines Rückschlagventils aufweist.
Hierdurch kann der Strömungssensor anstelle eines in einer
Wasserversorgungsanlage vorhandenen Rückschlagventils in
den für das Rückschlagventil bereits vorgesehenen
Anschlussstutzen eines Rohres eingeschraubt werden. Um einen ausreichenden
Hub auch bei relativ kleinen Strömungen oder Strömungsänderungen
zu erreichen, wird gemäß dem Stand der Technik
zwischen dem im eingebauten Zustand in das Rohr ragenden Ende des
Hubkörpers und einem umlaufenden Bund ein zylindrischer
Abschnitt am Hubkörper ausgebildet.
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In
den Ausführungsbeispielen nach
WO 2005/124291 A1 wird
von einem bevorzugt zylindrischen Gehäuse ausgegangen,
wobei im Gehäuse der Hubkörper beweglich geführt
ist. Bei entsprechenden Strömungsverhältnissen
bewegt sich der Hubkörper in Richtung der Gehäuseaußenseite,
und zwar entgegen der Rückstellkraft einer dort befindlichen
Feder. Der Strömungssensor ist an dem dem Hubkörper
gegenüberliegenden Endabschnitt an oder in dem Gehäuse
befestigt. Hieraus ergibt sich ein relativer großer Abstand
zwischen dem eigentlichen Sensorelement und dem einen Permanentmagneten
aufweisenden Hubkörper. Bei geringen Durchflussmengen wird
der Hubkörper nur um einen geringen Betrag ausgelenkt mit
der Folge, dass kein ausreichendes Messsignal zur Verfügung
steht und die Messgenauigkeit unzureichend ist.
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Ein
weiterer Nachteil des geschilderten Standes der Technik besteht
darin, dass die entsprechenden Strömungssensoren für
den jeweiligen Einsatzfall von vornherein auszulegen, zu dimensionieren und
zu konstruieren sind, so dass eine Standardisierung erschwert wird
und insgesamt die Herstellungs- und Fertigungskosten steigen. Ein
Nachrüsten an sich bekannter Rückschlag- oder
Stellventile mit einer entsprechenden Sensorik, um ein Sensorgerät zu
schaffen, ist nicht oder nur erschwert möglich.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte
Lösung für mechatronische Strömungsmessgeräte
zu schaffen, die Komponenten vorsieht, mit deren Hilfe es möglich
ist, an sich bekannte Standard-Ventile oder Ventilgehäuse
auf- und nachzurüsten. Dies soll in besonders kostengünstiger
und effektiver Weise möglich werden. Durch ein spezielles
Einsatzteil für Ventile soll eine Lösung angegeben
werden, die es gestattet, ohne in den Fluidkreislauf einzugreifen,
dann, wenn notwendig, einen Sensor zur Komplettierung des Einsatzteils
anzuordnen. Dabei ist unter allen Umständen dafür
Sorge zu tragen, dass die notwendige Kalibrierung und Justage des
Sensorgeräts in einfacher und reproduzierbarer Weise vorgenommen
werden kann.
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Die
Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch ein Einsatzteil
für Ventile gemäß der Merkmalskombination
nach Patentanspruch 1, durch einen Sensor, insbesondere zur Komplettierung
eines derartigen Einsatzteils gemäß der Merkmalskombination
nach Anspruch 8, durch einen hülsenförmigen Bewegungskörper
mit Dichtfläche oder Dichtkonus für ein Einsatzteil
gemäß Anspruch 19, einer Einschraubsensoreinheit
gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 23,
einer Einschraubsensor-Bewegungskörpereinheit gemäß der
Merkmalskombination nach Anspruch 24, mit einer Vormontageeinheit
gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 25
sowie mit einem Verfahren zur Herstellung eines Sensors gemäß der
Lehre nach Anspruch 27, wobei die Unteransprüche mindestens
zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen
umfassen.
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Das
erfindungsgemäße Einsatzteil ist für Ventile
geeignet, die einen in einem Gehäuse gelagerten Bewegungskörper
umfassen, welcher in ein fluides Medium mindestens teilsweise hineinragt oder
mit diesem in Kontakt kommt. Ein solcher Bewegungskörper
kann ein Hubkörper, aber auch eine Klappe im Sinne eines
Klappenventils oder eines Rückschlagventils sein. Mit dem
Einsatzteil sollen bekannte Ventile ertüchtigt werden,
um einen Einsatz als mechatronisches Strömungsmessgerät
zu ermöglichen, wobei hier der Bewegungskörper
gegen die Schwerkraft oder eine Rückstellkraft strömungsabhängig
seine Lage verändert und diese Lageveränderung
erfasst wird. Das Ventil weist neben seinen strömungseingangs-
und -ausgangsseitigen Anschlüssen hierfür einen
Einschraubstutzen auf, der das Einsatzteil aufnimmt.
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Konkret
ist das Einsatzteil mit einer druckdicht im Einschraubstutzen anordenbaren
Außenkappe versehen. Diese Außenkappe weist einen
außen umlaufenden Bund sowie eine Einschraubfläche auf,
wobei in Längsachsenrichtung die Außenkappe eine Öffnung
zur Aufnahme und zum Fixieren eines Sensors besitzt.
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Der
Bund ist als Ventilgehäuse-Dichtbund ausgeführt.
Oberhalb des Bundes oder in diesen integriert kann eine Schlüsselfläche
zum Einschrauben vorgesehen sein.
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Die
Außenkappe geht in eine in Richtung des Bewegungskörpers
geschlossene Innenkappe über, wobei im komplettierten Zustand
als mechatronisches Strömungsmessgerät mindestens
der Sensorelementeteil des Sensors mindestens in Längsachsenrichtung
verstellbar in die Innenkappe eintaucht und das Innenkappenmaterial
auf das jeweilige Sensorgeräte-Funktionsprinzip optimiert
ausgelegt ist.
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Es
findet hier auch eine funktionale Trennung dergestalt statt, dass
das Fixieren des Sensorelements über die Öffnung
in der Außenkappe realisiert wird, hingegen die Abdichtung
zum Medium hin über die Innenkappe erfolgt. Die Innenkappe
muss also in diesem Fall keine mechanischen Funktionen ausüben
und kann auf die gewünschten magnetischen oder induktiven
Eigenschaften hinsichtlich des Sensorprinzips ausgelegt sein, so
dass sich vielfältige Freiheitsgrade ergeben.
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Zur
Befestigung der Innenkappe ist im innenseitigen Bereich der Einschraubfläche
der Außenkappe eine Passung zur Aufnahme der offenen Seite bzw.
des offenen Endes der Innenkappe ausgebildet. Es kann hier das Befestigen
der Innenkappe mittels Presspassung, aber auch durch sonstigen Form- oder
Kraftschluss erfolgen. Ergänzend kann zur Erhöhung
der Dichtheit ein Dichtkleber oder ein Dichtmittel in Form eines
Dichtrings Verwendung finden.
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Die
Innenkappe ist bevorzugt als einseitig geschlossene zylindrische
Hülse ausgebildet, welche an ihrer offenen Seite einen
Dichtbund oder eine Dichtringnut aufweist. Am Dichtbund bzw. in
der Dichtringnut kann die vorerwähnte Dichtung, z. B. ein sogenannter
O-Ring eingesetzt bzw. angeordnet werden.
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Die
Wandstärke des Bodens der Innenkappe kann von der Seitenwandstärke
der Innenkappe abweichen, um einen gewünschten optimalen
Schaltabstand des letztendlich vorliegenden Sensorgeräts zu
gewährleisten.
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Auch
kann das Verhältnis zwischen der Längsausdehnung
und dem Durchmesser der Innenkappe gemäß der Ausbildung
des Bewegungskörpers ausgelegt werden. Ist der Bewegungskörper eine
Hülse, die auf der Innenkappe geführt gleitet,
ist die Längsausdehnung größer, als wenn
der Fall vorliegt, dass ein Strömungsmessgerät
mit Klappenventil gebildet wird.
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Die Öffnung
in der Außenkappe kann Kreiskeilausnehmungen für
eine Kreiskeilverbindung mit einem entsprechend komplementär
gestalteten Abschnitt des Sensors aufweisen.
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Es
besteht also hier die Möglichkeit, einen Sensor einzusetzen,
der einen zylindrischen Körper oder einen zylindrischen
Körperabschnitt mit Mitteln zum Justieren oder verstellbaren
Befestigen aufweist. Dabei wird nicht von einer üblichen
Befestigung oder Justage durch Schraubgewinde ausgegangen, sondern
es sind auf der Zylindermantelfläche des Sensors Kreiskeile
in Umfangsrichtung angeordnet, wobei die Öffnung in der
Außenkappe als zylindrische Öffnung oder Bohrung
mit korrespondierenden Kreiskeilausnehmungen ausgestaltet wird.
In Umfangsrichtung können zwei bis vier Kreiskeile mit einer
Keilsteigung im Bereich von im Wesentlichen 1:30 bis 1:200 vorgesehen
sein.
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Durch
die Anwendung einer Kreiskeilverbindung mit entsprechender Kreiskeilprofilierung
besteht die Möglichkeit, durch Verdrehen des Sensors eine
radiale Verspannung zu bewirken, wodurch große Axial- und
Tangentialkräfte in beliebigen Richtungen übertragen
werden können. Die vorgeschlagenen Kreiskeilverbindungen
sind außerdem leicht lösbar. Es kann daher insbesondere
zu Abgleich-, Kalibrier- und/oder Einstellzwecken durch Drehen und Entspannen
der Sensor in der Öffnung verschoben und dadurch justiert
werden. Mit Erreichen der gewünschten Position in Längsrichtung
erfolgt dann wiederum ein Verdrehen unter Beibehalten der Längsposition,
wodurch die gewünschte Flächenpressung mit Selbsthemmung
eintritt. Jeder der Kreiskeile wird durch die mathematische Funktion
einer logarithmischen Spirale mitbestimmt. Die Verbindung auf der
Basis der korrespondierenden Keile in der Fügefläche
erzeugt eine homogene Flächenpressung mit ausreichender
Selbsthemmung und damit großer Funktionssicherheit.
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Bei
einer weiteren Variante ist die Öffnung in der Außenkappe
mit einem Innengewinde versehen, und zwar zur verstellbaren Aufnahme
eines stabförmigen Sensors mit einem komplementären
Außengewinde. Hierbei sind ergänzend Mittel zum
Sichern der ausgewählten Verstellposition in Längsachsenrichtung
vorgesehen. Dieses Mittel kann z. B. eine Überwurfmutter
sein, die auf den stabförmigen Sensor und das dort vorhandene
Außengewinde aufgeschraubt und gegen die Außenkappe
verspannt wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Sensor zur Komplettierung
des vorgestellten Einsatzteils ist dieser bevorzugt als berührungsloser
Annäherungssensor bezüglich elektrisch leitender
und/oder magnetischer Bewegungskörper ausgebildet. Der
Sensor weist ein Kopfteil und ein Schaftteil auf. Das Schaftteil
besitzt mindestens über einen Teillängsabschnitt eine
Zylindermantelfläche mit den vorerwähnten Kreiskeilen
in Umfangsrichtung.
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Am
Kopfteil ist umfangsseitig eine Betätigungs- oder Handhabefläche
vorgesehen. Dies kann z. B. eine Rändelung oder aber auch
eine Schlüsselfläche sein. Parallel zur Längsachse
ist eine Durchgangsbohrung ausgebildet, um ein stiftförmiges
Abstandselement aufzunehmen. Dieses Abstandselement sichert die
gewünschte Position bei der Längsachsenverstellung
nach Lösen und Wiederfeststellen der Kreiskeilverbindung.
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Das
eigentliche Sensorelement ist im Schaftteil angeordnet, z. B. durch
Umspritzen in das Schaftteil eingebettet.
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Am
Kopfteil sind erfindungsgemäß Mittel zum Signalisieren
von Funktions- oder Einstellzuständen des Sensors befindlich.
Diese Mittel können z. B. lichtemittierende Dioden (LEDs)
oder ähnliche Anzeigeelemente sein.
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Das
Kopfteil kann bei einer Ausgestaltung eine weitere Durchgangsbohrung
aufweisen, um Mittel zum Festlegen der jeweiligen Position innerhalb der
jeweiligen Außenkappe aufzunehmen. Diese Mittel zum Festlegen
können z. B. als Schrauben ausgebildet sein, die in ein
Gewindesackloch der Außenkappe hineinreichen und so den
Sensor bezogen auf die Außenkappe und damit das Ventil
mechanisch sichern.
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Das
Kopf- und Schaftteil des Sensors kann einstückig ausgeführt
werden und in Längsrichtung einen entsprechend ausgedehnten
Hohlraum aufweisen, wobei im Hohlraum ein z. B. flexibler, zusammengerollter
Verdrahtungsträger mit Sensorelement und elektronischen
Signalverarbeitungskomponenten angeordnet ist.
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Der
Sensor kann sowohl ein Abstandselement als auch ein Einstellelement
aufweisen. Das Einstellelement kann bei einer Ausführungsform
stiftförmig ausgebildet sein und in einer parallel zur Längsachse
vorhandenen Durchgangsbohrung im Kopfteil fixiert werden.
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Mit
Hilfe des Abstands- und/oder Einstellelements gelingt es in reproduzierbarer
Weise, den zur Komplettierung des Einsatzteils eingesetzten Sensor nach
entsprechender Einstellung des Schaltpunkts immer wieder reproduzierbar
in dieser Schaltungslage auch nach Lösen oder Wiederbefestigen
der Kreiskeilverbindung anzuordnen. Werden als Abstandselemente
z. B. Scheiben auf das Schaftteil aufgeschoben, ergibt sich eine
definierte Veränderung des Abstands hin zum Einsatzteil,
aber auch bezogen auf einen Hub- oder Bewegungskörper,
der das Sensorgerät komplettiert. Dabei kann z. B. die
Dicke einer entsprechenden Abstandsscheibe als Abstandselement einer
bestimmten Durchflussrate und damit einer bestimmten Öffnungsstellung
des Ventil entsprechen.
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Die
Abwicklung des flexiblen Verdrahtungsträgers weist eine
im Wesentlichen Rechteckform mit einem jeweils abgewinkelten Kopf-
und Fußbereich auf, wobei im Kopfbereich optoelektronische
Anzeigebauelemente und im Fußbereich das Sensorelement
anordenbar sind. Im Kopfbereich ist außerdem eine Anschlussfläche
für ein elektrisches Kabel vorhanden.
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Verfahrensseitig
kann der Sensor dadurch hergestellt werden, dass zunächst
die notwendigen elektronischen Signalverarbeitungskomponenten, das
Sensorelement, aber auch die optoelektronischen Anzeigebauelemente
auf einem flexiblen Verdrahtungsträger angeordnet werden.
Hier kann die Technologie oberflächenmontierbarer Bauelemente genutzt
werden. Der derart bestückte Verdrahtungsträger
wird dann um einen Sensorkern gelegt oder gewickelt. Anschließend
kann ein Knicken oder Falten oberer und unterer Vorsprünge
des Verdrahtungsträgers quer zur Längsachse des
Kerns erfolgen, so dass hierdurch das Sensorelement, auch aber gegenüberliegende
optische Anzeigebauelemente in ihre gewünschte Position
gelangen. Die so vorbereitete Anordnung wird dann einem Umspritzungsschritt
unterzogen.
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Aus
den vorstehend geschilderten Komponenten lässt sich also
ein mechatronisches Strömungsmessgerät auf Ventilbasis
realisieren. Das Ventil kann hier vorzugsweise eine Rückschlagfunktion
mittels Dreh- oder Translationskörper besitzen, wobei dieser
Bewegungskörper zugleich Beeinflussungskörper
für den Sensor ist oder diesen enthält. Auch ist
es möglich, die Rückschlagfunktion nicht zu realisieren
und anstelle dessen eine federnde Lochblende als Bewegungs- bzw.
Beeinflussungskörper zu verwenden.
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Der
Bewegungskörper kann also Hauptbestandteil des Ventils
und zugleich Sensorbeeinflussungskörper sein und vorzugsweise
aus Messing bestehen, um z. B. einen induktiven Klappensensor zu bilden.
Der Bewegungssensor kann auch mit einem separaten Sensorbeeinflussungskörper,
z. B. einem Magneten für eine GMR-Sensorlösung
kombiniert werden.
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Das
Ventilgehäuse als quasi Grundkörper besteht üblicherweise
aus einem Messingmaterial und wird im Metallgussverfahren hergestellt.
Dabei wird von einem dreistutzigen Ventilgehäuse ausgegangen.
Es ist aber auch hier die Verwendung eines Ventil-Kunststoffgrundkörpers
möglich.
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Das
Einsatzteil bildet quasi einen Blindstopfen für den entsprechenden
Stutzen im Ventilgrundkörper. Erst bei Bedarf kann hier
der erfindungsgemäße Sensor eingesetzt werden,
um ein vollständiges Strömungsmessgerät
zu schaffen. Die eigentlichen Funktionen des Ventils, z. B. als
Rückschlagklappe, bleiben dabei insoweit vollständig
erhalten.
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Die
vorgestellte Außenkappe entspricht üblicherweise
dem Material des Ventilgehäuses, insbesondere Messing.
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Die
Innenkappe wird bevorzugt aus Kunststoff im Spritzgussverfahren
aus POM oder PPT gefertigt oder besteht aus einem nichtmagnetischen Material.
Der Verbindungsbereich zwischen Innen- und Außenkappe ist
bei einer nicht einstückigen Variante auf die sichere,
druckdichte mechanische Verbindung der beiden Bestandteile ausgelegt.
Beispielsweise ist hier eine entsprechende Presspassung denkbar.
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Das
stiftförmige Abstandselement kann über ein z.
B. metrisches Gewinde die Einstellung der Positionswahl des Sensors
vereinfachen helfen, wobei zusätzlich farbige Kennzeichnungen,
Kerben oder dergleichen zum Nachvollziehen oder Wählen
vorgegebener Abstandsmaße anbringbar sind.
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Um
eine optimale Beständigkeit des Hubkörpers gegen
das jeweilige fluide Medium zu erreichen, wird eine diesbezügliche
Materialoptimierung vorgenommen.
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Wenn
der Hubkörper als zylindrischer Hubkörper ausgebildet
ist und die Vorspann- oder Rückstellkraft über
eine Feder bewirkt wird, welche den Hubkörper umgibt und
damit im Wesentlichen seiner Bewegung folgt, kann die in diesem
Fall metallische Feder als sensierender Bewegungskörper
ausgebildet werden. Um die metallische Feder vor schädigenden
Einflüssen durch das fluide Medium zu schützen, kann
eine Kunststof-Ummantelung bzw. -Beschichtung erfolgen. Zur Erhöhung
der Empfindlichkeit der Gesamtanordnung kann in einem Kunststoff-Hubkörper
ein metallischer Ring oder ein metallisches Teil als entsprechende
Induktivität eingebracht, insbesondere eingebettet werden.
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Galvanische
Elemente werden hierbei vermieden.
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Das
vorgestellte Einsatzteil für Ventile kann mit dem Sensor
als Handelseinheit, aber auch separat zur Verfügung gestellt
werden.
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Der
hülsenförmige Bewegungskörper mit Dichtfläche
oder Dichtkonus als Einsatzteil kann am der Dichtfläche
oder dem Dichtkonus gegenüberliegenden Ende in der Hülse
einen Einsatz wie bereits erwähnt besitzen. Dieser primär
elektrisch leitfähige oder magnetische Einsatz wirkt als
Sensorbeeinflussungselement bzw. als ringförmiges Sensorbedämpfungselement
bei einem Induktivsensor.
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Bevorzugt
besteht der hülsenförmige Bewegungskörper
aus einem Kunststoffmaterial, z. B. POM, und weist einen umlaufenden
schmalen integral ausgebildeten Kragen auf, dessen Durchmesser so
groß gewählt ist, dass dieser Kragen die Führung des
Bewegungskörpers an der Innenseite des Ventilgehäuses
ermöglicht. Die Führung wird unterstützt durch
die bereits erwähnte Feder. Hierdurch kann der bisher notwendigerweise
führungsseitig sehr schmale Spalt hin zur Innenkappe vergrößert
werden. Die Spaltbreite ist damit unkritisch. Ein bisher notwendiges
Dämpfungsloch bzw. eine Dämpfungsöffnung oder
ein Dämpfungsschlitz kann entfallen.
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Bei
der Verwendung eines induktiven Sensors wird der Einsatz als relativ
schmaler geschlossener Metallring, z. B. aus Edelstahl, V4A, V2A,
mit einem Breiten-Höhen-Verhältnis von 1 bis 12
realisiert. Dieser geschlossene Metallring schließt bündig
zur Innenoberfläche des Bewegungskörpers ab. Durch die
Bündigkeit mit dem Innendurchmesser wird eine maximale
Empfindlichkeit und eine minimale Hysterese des Induktivsensors
erreicht. Alternativ können aber auch zwei oder mehrere
Ringe mit einem definierten Abstand nacheinander angeordnet werden, so
dass verschiedene Schalt- bzw. Messbereiche realisierbar sind. Das
Material der Innenkappe kann ebenfalls Kunststoff, vorzugsweise
PPS (Polyphenylensulfid) sein. Bezogen auf die Dimensionierung der Kreiskeile
ergibt sich die Regel, dass bei einem Durchmesser des hierfür
relevanten Schaftteils des Sensors von <10 mm etwa zwei Kreiskeile auszubilden
sind. Bei einem Durchmesser von >10
mm können drei Kreiskeile und mehr ausgebildet werden.
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Hinsichtlich
des stiftförmigen Abstandselements besteht ergänzend
die Möglichkeit, dass selbiges in Form einer Madenschraube
zur Nullpunkt- oder Hubeinstellung ausgeführt wird. Das
Gewinde im Kopfteil für diese Maden schraube kann im unteren
Bereich, d. h. im Bereich zum Schaftteil hin einen geringeren Durchmesser
aufweisen. Damit ist das Einschrauben zunächst relativ
leicht möglich. Im tiefer liegenden, unteren Bereich muss
jedoch beim Einschrauben mehr Kunststoffmaterial verdrängt werden.
Dies führt zu einer Selbstsicherung der Schraube mit dem
Erreichen der dann relevanten Position.
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Wenn
das Kopfteil des Sensors aus einem transparenten Kunststoffmaterial
ausgebildet ist, können die optoelektronischen Anzeigemittel
im Kopfteil selbst eingebettet werden. Es erfolgt hier ein Durchscheinen,
d. h. ein Durchdringen der Strahlungsenergie seitens der eingesetzten
Mittel, z. B. lichtemittierender Dioden. Eine Beschädigung
der Anzeigemittel beim Betätigen des Sensors ist daher ausgeschlossen.
Alternativ können auch optoelektronische Anzeigemittel
innerhalb einer Kabeltülle, die mit dem Kopfteil verbunden
ist, angeordnet werden.
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Bei
der Außenkappe des Einsatzteils kann ein entsprechend weitergebildeter
Standard-Ventildeckel mit entsprechender Verschraubung im Ventilgehäuse
Anwendung finden, der um eine Bohrung mit Kreiskeilausnehmung ergänzt
wird bzw. alternativ eine Gewindebohrung aufweist.
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Die
Innenkappe bietet nicht nur einen Schutz des darin eingesetzten
oder einsetzbaren Sensors mit Kopf- und Schaftteil, sondern kann
auch als Führungsdorn für einen zylindrischen
Hubkörper bzw. eine Rückstellfeder genutzt werden.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1a,
b einen Einbausatz mit Sensor und Einsatzteil;
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2 ein
als Strömungsmessgerät komplettiertes Y-Ventil
unter Verwendung des Einbausatzes gemäß 1;
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3 eine
Darstellung des Aufbaus des Sensors mit Kreiskeilverbindungstechnik;
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4 Sensor
mit Einsatzteil als Einbausatz für ein Klappenventil;
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5 ein
mit einem Einsatzteil nach 4 komplettiertes
Klappenventil und induktiver Sensorik;
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6 eine
Darstellung analog derjenigen nach 4, jedoch
mit magnetischer Sensorik;
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7 einen
Einbausatz, umfassend Sensor und Einsatzteil für einen
induktiven Näherungssensor;
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8 ein
mit einem Einbausatz gemäß 4 komplettiertes
Ventil;
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9 eine
Darstellung ähnlich derjenigen nach 8, jedoch
mit einem Ventil, das einen größeren Hubkörper
aufweist;
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10 einen
Einbausatz für ein Klappenventil und zusätzlicher
Spannschraube für das Fixieren des Sensors;
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11 bis 13 verschiedene
Ansichten des Verdrahtungsträgers als Abwinklung und in
entsprechender Einbausituation;
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14a einen Querschnitt des Kreiskeilverbindungsprinzips
in Lösestellung sowie
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14b einen Querschnitt des Kreiskeilprinzips in
Klemmstellung.
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Die
Darstellung gemäß 1 zeigt
einen Einbausatz, umfassend einen Sensor 200, insbesondere
ausgebildet als Näherungssensor, sowie ein Einsatzteil
mit (hier noch getrennter Darstellung) von Außenkappe 140 und
Innenkappe 150.
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Das
Einsatzteil gemäß der Darstellung nach 1 umfasst
also eine Außenkappe 140, die druckdicht in einen
Einschraubstutzen (siehe 2) eines Ventils anordenbar
ist. Die Außenkappe 140 weist einen außen
umlaufenden Ventilgehäuse-Dichtbund auf. In Längsachsenrichtung
ist die Außenkappe 140 mit einer Öffnung
zur Aufnahme und zum Fixieren des Sensors 200 versehen.
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Die
Außenkappe nimmt in Richtung des Bewegungskörpers
(siehe 2) eine geschlossene Innenkappe 150 auf,
wobei im montierten Zustand das Fußteil des Sensors 200 mit
dem entsprechenden Sensorelement S in die Innenkappe 150 eintaucht.
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Die
Innenkappe ist über eine Presspassung an der Innenwandung
einer Einschraubfläche der Außenkappe 140 fixiert,
wobei dort zusätzliche Dichtmittel, z. B. in Form eines
O-Rings vorgesehen sein können. Es ist demnach die Innenkappe 150 als
einseitig geschlossene zylindrische Hülse ausgebildet, welche
an ihrer offenen Seite einen Dichtbund (obere Darstellung nach 1)
oder eine Dichtringnut (untere Darstellung nach 1)
aufweist.
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Die
Innenkappe kann einen konstanten Außendurchmesser 150a besitzen
oder aber auch einen nicht konstanten Durchmesser aufweisen.
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Die
Wandstärke des Bodens der Innenkappe 150 kann
von der Seitenwandstärke abweichen und entgegen der Darstellung
nach 1 auch im Bodenbereich dünner als im
Seitenwandungsbereich ausgebildet werden.
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Das
Verhältnis zwischen der Längsausdehnung und dem
Durchmesser der Innenkappe 150 ist gemäß der
Ausbildung des entsprechenden Bewegungskörpers (z. B. Klappenventil
nach 6) oder Hubkörper (z. B. 2, 8 und 9)
ausgelegt.
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Der
Sensor zur Komplettierung des Einsatzteils ist als bevorzugt berührungsloser
Annäherungssensor bezüglich elektrisch leitender
und/oder magnetischer Bewegungskörper ausgebildet und weist ein
Kopfteil und ein Schaftteil auf. Das Schaftteil befindet sich hierbei
mindestens über einen Teillängsabschnitt, wie
in der 1 dargestellt, in einer Ausgestaltung, die eine
Kreiskeilverbindung 281 zur Öffnung in der Außenkappe 140 ermöglicht.
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Umfangsseitig
ist am Kopfteil eine Betätigungs- oder Handhabefläche
vorgesehen, z. B. in Form einer Rändelung oder einer Schlüsselfläche. Darüber
hinaus weist das Kopfteil eine Durchgangsgewindebohrung auf, um
ein stiftförmiges Abstandselement 240 zu fixieren.
Weiterhin sind im Kopfteil Mittel zum Signalisieren von Funktions-
oder Einstellzuständen 260, z. B. in Form von
lichtemittierenden Dioden, vorhanden.
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Das
Sensorelement S ist im Schaftteil angeordnet und z. B. dort durch
Einbetten oder Umspritzen befindlich.
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Die 2 zeigt
ein Y-Ventil im Querschnitt mit strömungseingangs- und
strömungsausgangsseitigen Anschlüssen in Form
entsprechender Gewindeabschnitte im Ventilgehäuse. In den
Standard-Einschraubstutzen des Ventils ist die Außenkappe 140 unter
Nutzung gegebenenfalls notwendiger Dichtmittel fixiert. Die Außenkappe
nimmt die Innenkappe 150 auf. Der Sensor 200 ist über
eine Kreiskeilverbindung 281 sicher in der entsprechenden
komplementären Innenbohrung der Außenkappe 140 gehalten.
Die Sensoreinstellung wird mit Hilfe der Kreiskeilverbindung und
der als Madenschraube ausgeführten Verstellmittel 240 realisiert.
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Der
Hub- oder Bewegungskörper 30 besitzt bei der Darstellung
nach 2 einen flachen Dichtkonus und ein umlaufendes
Bundteil zur Hubkörperführung F entlang der entsprechenden
Innenwandung des Einschraubstutzens des Ventils. Weiterhin ist auf
dem Hubkörper eine Rückstellfeder angeordnet,
die sich zur Innenkappe hin abstützt. Mit da0 ist ein gewünschter
Arbeitsabstand gekennzeichnet. Der Sensor ist im gezeigten Beispiel
einstufig mit einem Stabkernsensorelement S versehen. Zur Erhöhung
der Empfindlichkeit besteht die Möglichkeit, in den Hubkörper 30 eine
metallische Hülse einzubetten.
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Der
Sensor 200 zur Komplettierung des Einsatzteils gemäß 3 umfasst
die bereits erwähnte Ausbildung von Kreiskeilen 281 auf
seiner Umfangsfläche des Schaftteils, lichtemittierende
Dioden 260 als Anzeigemittel sowie eine in einem Innengewinde des
Kopfteils geführte Madenschraube 240 als Abstands-
und Verstellelement. Das Sensorelement S ist hier ergänzend
mit dem Bezugszeichen 210 versehen.
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Ein
Einbausatz umfassend Sensor 200 sowie Einsatzteil für
ein Klappenventil zeigt die 4.
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Bei
dieser Ausführungsform ist die Außenkappe 140 aus
Messingmaterial bestehend und die Innenkappe 150 ebenfalls
aus Messingmaterial gefertigt. Die in Längsachsenrichtung
vorliegende Ausdehnung der Innenkappe 150 ist hier geringer
und an die Einbausituation im Klappenventil entsprechend angepasst.
Die Innenkappe wird wiederum über einen Presssitz innerhalb
des Hohlraums der Außenkappe 140 fixiert. Auch
ist für die notwendige Kreiskeilverbindung 281 Sorge
getragen. Die derart komplettierte Einschraubsensoreinheit 300 findet,
wie bereits dargelegt, Verwendung zur Komplettierung eines Klappenventils
zur Ausbildung eines Strömungsmessgeräts gemäß der
Darstellung nach 6. Wenn ein induktives Sensorelement 210 gemäß 5 zur
Anwendung kommt, besteht die Innenkappe 150 aus einem Kunststoffmaterial,
insbesondere POM.
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Bei
dem Strömungsmessgerät im Klappenventil gemäß 6 ist
ein Magnetsensorelement 219 zum Einsatz kommend, welches
mit einem Magneten auf der Ventilklappe in Wechselwirkung tritt.
In diesem Fall ist die Innenkappe 150 aus Messingmaterial bestehend.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform eines Einbausatzes als
Induktiv-Annäherungssensor 200 gemäß 7 weist
die Außenkappe 140 eine Innengewinde-Durchgangsbohrung
auf. Dieses Innengewinde ist komplementär zum Außengewinde
des dort gezeigten Sensors 200. Dieser Sensor 200 weist darüber
hinaus eine Sicherungsmutter auf, um die gewünschte Position
des Sensors 200 innerhalb des Einsatzteils, umfassend Außenkappe 140 und
Innenkappe 150, zu gewährleisten. Bei dem Einsatz
eines Induktiv-Annäherungssensors 200 gemäß 7 besteht
die Außenkappe 140 aus einem Messingmaterial,
hingegen die Innenkappe 150 aus einem Kunststoffmaterial,
insbesondere POM.
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Der
Einbausatz gemäß 7 dient
dem Komplettieren eines Y-Ventils in der Darstellung gemäß 8.
Erfasst wird hier die Bewegung des Hubkörpers 30 und
der mit diesem Hubkörper 30 verbundenen metallischen
Hülse bei entsprechenden Druckveränderungen im
Strömungsdurchgang des Ventils.
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Die 9 zeigt
eine Darstellung ähnlich derjenigen nach 8,
jedoch mit einem Hubkörper 30, der einen größeren,
tiefer in den Strömungsdurchfluss des Ventilgehäuses
hineinreichenden Konus aufweist. Ergänzend ist im hülsenförmigen
Hubkörper 30 ein Magnet 25 als Beeinflussungskörper
befindlich, der bei einer entsprechenden Relativbewegung hin zu
einem Magnetsensorelement 219 mit letzterem in Wechselwirkung
tritt.
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Bei
dem Einbausatz für ein Klappenventil gemäß 10 ist
zusätzlich im Kopfteil des Sensors 200 neben der
Madenschraube als Abstandselement 240 eine Durchgangsbohrung,
welche gewindefrei ist, vorgesehen ist. Diese Durchgangsbohrung
nimmt eine Spannschraube auf, deren unteres Ende in eine Gewindebohrung
eintaucht, die axial in die Außenkappe 140 eingebracht
wurde. Als Sensorelement findet ein Element mit Pilzkern 210 Verwendung.
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Mit
Hilfe der Spannschraube lässt sich das über die
Madenschraube 140 gewählte Abstandsmaß fixieren.
Alternativ bestände hier auch die Möglichkeit,
radial über die gezeigte Schlüsselfläche
der Außenkappe 140 eine weitere Madenschraube
zur Sicherung der gewählten Position einzubringen.
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Die 11 zeigt
eine Abwicklung eines Verdrahtungsträgers für
den erfindungsgemäßen Sensor.
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Als
Verdrahtungsträger findet hier eine Folienleiterplatte 230 mit
elektronischen Bauelementen 235 Verwendung. Ein Einschnitt 231 im
Kopfbereich des Verdrahtungsträgers 230 ermöglicht
ein gezieltes Abwinkeln eines entsprechenden Abschnitts, der lichtemittierende
Dioden 260 als optische Anzeigebauelemente aufweist. Auf
diesem Teil des Verdrahtungsträgers befinden sich auch
Anschlüsse für elektrisch freigelegte Leiter 255 eines
Anschlusskabels 250. Das Sensorelement 210 ist
in einem unteren Abwicklungsabschnitt des Verdrahtungsträgers 230 angebracht. Über
die mittlere größere Fläche wird der Verdrahtungsträger 230 zusammengerollt
in einen Hohlraum des Sensors 200 eingebracht. Das untere und
das obere Ende des Verdrahtungsträgers unterliegen dann
einer Abwinklung, wie in der 12 erkennbar.
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Mit 205 ist
das Gehäuse des Sensors 200 bezeichnet. Dieses
Gehäuse kann auch durch Umspritzen der vorerwähnten
Anordnung des Verdrahtungsträgers 230 mit Kabel 250 gebildet
werden.
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Der
gewickelte Verdrahtungsträger kann um einen Kern 237 angeordnet
werden, wie sich aus der Zusammenschau der Darstellungen nach 12 und 13 ergibt.
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Das
Schaftteil des Sensors kann über eine Kreiskeilverbindung
mit der entsprechenden Ausnehmung in der Außenkappe 140 sowohl
leicht fixiert als auch in eine Verstellposition überführt
werden.
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Die 14a zeigt hier eine Querschnittsdarstellung der
Kreiskeil-Löseposition. 14a zeigt eine
Darstellung der Kreiskeil-Klemmposition, ebenfalls im Querschnitt.
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Durch
die Anwendung der Kreiskeilverbindungstechnik mit entsprechender
Kreiskeilprofilierung besteht die Möglichkeit, durch Verdrehen
des Sensors eine radiale Verspannung zu bewirken, wodurch große
Axial- und Tangentialkräfte in beliebigen Richtungen übertragen
werden können. Die entsprechenden Kreiskeilverbindungen
sind außerdem leicht lösbar. Es kann daher zu
Abgleich- oder Einstellstellzwecken durch Drehen und Entspannen
des Sensorelements mit Sensor eine Verschiebung innerhalb der Außenkappe
vorgenommen werden. Mit Erreichen der gewünschten Position
in Längsachsenrichtung erfolgt dann wiederum ein Verdrehen
unter Beibehalten der Längsposition, gesichert durch die
Wirkung des Abstandselements 240, wodurch die gewünschte
Flächenpressung mit Selbsthemmung eintritt. Jeder der in
der 14a und 14b gezeigten Kreiskeile
wird durch die mathematische Funktion einer logarithmischen Spirale
mitbestimmt. Die Verbindung auf der Basis der korrespondierenden
Keile in der Fügefläche erzeugt die gewünschte
homogene Flächenpressung mit ausreichender Selbsthemmung und
damit großer Funktionssicherheit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/124291
A1 [0002, 0004, 0005]