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Die Erfindung betrifft ein Schaltventil für die Flüssigkeitschromatographie, insbesondere ein Hochdruck-Schaltventil für die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. In der HPLC muss eine zu untersuchende Probe in einen Hochdruck-Flüssigkeitsstrom eingespeist werden, welcher der Chromatographiesäule zugeführt wird. Die Chromatographiesäule wird üblicherweise in einem Säulenofen auf einer konstanten Temperatur gehalten, die bis zu 110°C, in naher Zukunft wohl auch bis in einen Bereich von 150°C, betragen kann. Durch die Temperierung der Säule wird bei gegebenem Druck ein höherer Wert für den Fluss durch die Säule erreicht. Hierdurch ergeben sich kürzere Durchlaufzeiten.
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Um kurze Kapillarwege zwischen einem Probengeber, dem Schaltventil für das Einbringen des Probenvolumens in den Fluidstrom und der Säule zu erreichen, ist es wünschenswert, das Schaltventil möglichst nahe an der Säule, vorzugsweise am oder im Säulenofen zu positionieren. Das Schaltventil muss demzufolge eine relativ hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen.
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Während die rein mechanischen Komponenten eines Schaltventils, insbesondere eines Hochdruck-Schaltventils für die HPLC, keine oder nur geringe Probleme in Bezug auf die Temperaturfestigkeit aufweisen, bereitet es Probleme, die gewünschte Temperaturbeständigkeit bei elektronischen Komponenten, insbesondere bei der Erfassung der rotatorischen Position eines mechanischen Teils des Schaltventils, zu erreichen.
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Schaltventile für das Einbringen einer Probe in den Fluidstrom weisen üblicherweise einen Stator auf, in welchem mehrere Anschlussports für das Zuführen beziehungsweise Abführen des Fluids zu beziehungsweise von dem Schaltventil vorgesehen sind. Die Ports sind über Kanäle mit Öffnungsquerschnitten verbunden, die an einer Schaltfläche des Stators, beispielsweise der Stirnseite eines im Wesentlichen zylindrischen Statorelements, ausgebildet sind. Der Rotor weist ebenfalls eine Schaltfläche auf, welche mit der Schaltfläche des Stators zusammenwirkt, wobei in der Schaltfläche des Rotors Nuten ausgebildet sind, die dazu dienen, abhängig von zwei oder mehreren Schaltpositionen bestimmte Öffnungsquerschnitte beziehungsweise Ports des Stators miteinander zu verbinden. Der Rotor und der Stator müssen dabei mit einer ausreichend hohen Anpresskraft aneinander gepresst werden, um eine Dichtigkeit in der Ebene der Schaltflächen auch bei den hohen Drücken zu erreichen, die in der Flüssigkeitschromatographie, insbesondere der HPLC, auftreten.
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Derartige Schaltventile sind beispielsweise in der
WO 2009/ 101 695 A1 oder der
US 2010 / 0 281 959 A1 beschrieben.
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Bei derart aufgebauten Ventilen ist es erforderlich, die Position des Rotors, welcher üblicherweise von einer geeigneten Antriebseinheit, beispielsweise einem Elektromotor mit Getriebe, rotatorisch angetrieben wird, ausreichend genau zu erfassen, um die Schaltpositionen, die durch den Rotor und den Stator gebildet sind, ausreichend genau anfahren zu können.
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Bekannte Schaltventile besitzen hierzu eine Elektronik zur Positionserkennung des Rotors. Diese Elektronik ist üblicherweise räumlich in der Nähe des Rotors angeordnet. Die Position des Rotors kann dabei insbesondere optisch detektiert werden. Dabei sind am Rotor selbst optische Marken vorgesehen, die mittels eines Photodetektors, beispielsweise einer Photodiode, erfasst werden.
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Die Verwendung derartiger photoelektrischer oder auch elektrischer (beispielsweise kapazitiver) Sensoren bereitet jedoch bei Temperaturen, die deutlich über 70°C liegen, Probleme. Aus diesem Grund können derartige Schaltventile nicht vollständig im Säulenofen positioniert werden, zumindest nicht mit dem Schaltventilkopf, in welchem der Rotor und der Stator vorgesehen sind. Dies ist jedoch wünschenswert, da Schaltventile häufig in einer Wandung des Säulenofens angeordnet werden, wobei der Säulenofen hierzu in der Wandung entsprechende Durchbrüche aufweist, in welche jeweils ein Schaltventil eingesetzt werden kann. Der Schaltventilkopf befindet sich dabei an der Innenwandung des Säulenofens beziehungsweise ragt in den Innenraum des Säulenofens hinein, um den Anschluss von Kapillaren an die betreffenden Ports des Schaltventils zu ermöglichen.
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Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt, die Bewegung des Rotors mittels Anschlägen zu begrenzen, so dass die durch die Anschläge begrenzten Schaltpositionen exakt angefahren werden können. Dies ist allerdings nur bei Schaltventilen möglich, die zwei Schaltpositionen aufweisen. Des Weiteren ist es möglich, die mechanischen Anschläge zur Kalibrierung der Positionserfassungseinrichtung zu verwenden, um hierdurch temperaturbedingte Abweichungen zu berücksichtigen. Bei derartigen Ventilen ist es somit nicht erforderlich, unmittelbar am Rotor eine Erfassung der Position mittels einer entsprechenden Sensoreinrichtung vorzusehen.
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Allerdings erfordern derartige Schaltventile das Durchführen von Kalibrierungsprozessen, die einen entsprechenden Aufwand, insbesondere zeitlichen Aufwand, verursachen.
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Des Weiteren sind verschiedene Schaltventile bekannt (z.B.
US 4 156 437 A ,
US 2012 / 0 061 604 A1 ,
US 4 501 297 A ) bei denen die rotatorische Position mittels eines Sensors erfasst wird, der im rückwärtigen Bereich des Schaltventils vorgesehen ist. Dabei wird jedoch letztlich die Position der Antriebswelle als Teil des Antriebsstrangs zwischen dem Antriebsmotor und dem Rotor erfasst. Torsionen, die durch im Antriebsstrang zu übertragende Drehmomente hervorgerufen werden, können zu nicht akzeptablen Ungenauigkeiten bei der Positionierung des Rotors führen. Hierzu ist es bekannt, den Einfluss von Drehmomenten mittels eines Drehmomentsensors zu berücksichtigen (sh. z.B.
US 2012 / 0 061 604 A1 ).
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schaltventil für die Flüssigkeitschromatographie, insbesondere ein Hochdruck-Schaltventil für die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie, zu schaffen, welches eine verbesserte Temperaturbeständigkeit und eine verbesserte Positioniergenauigkeit bei gleichzeitig kompakter Baugröße aufweist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Rotationsbewegung des Rotors beziehungsweise die absolute Position des Rotors mittels eines Übertragungsglieds in einen axial rückwärtigen Bereich des Schaltventils übertragen werden kann, in welchem dann die absolute oder relative Position beziehungsweise die Drehbewegung des Übertragungsglieds mittels einer Einrichtung zur Erfassung der rotatorischen Position des Rotors detektiert wird. Abhängig von der detektierten Position erzeugt die Einrichtung zur Erfassung der rotatorischen Position des Rotors ein Signal, welches insbesondere zur automatisierten Ansteuerung der Schaltpositionen des Schaltventils verwendet werden kann.
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Durch das Verlagern der Erfassungsposition für die rotatorische Position des Rotors in den rückwärtigen Bereich des Schaltventils kann die zur Erfassung erforderliche Elektronik in einem Bereich vorgesehen sein, der einen ausreichenden Abstand zum Kopfbereich des Schaltventils aufweist, der üblicherweise Temperaturen bis zu 150°C ausgesetzt ist.
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Dieser rückwärtige Bereich kann insbesondere einen derartigen axialen Abstand vom Kopfbereich des Schaltventils aufweisen, in welchem der Rotor angeordnet ist, dass dieser auch bei einer Montage des Schaltventils in einer Wandung des Säulenofens außerhalb des Innenraums des Säulenofens angeordnet ist. Selbst bei einer Temperatur von 150°C am Kopfbereich des Ventils kann die Temperatur im rückwärtigen Bereich, in welchem die Sensoreinrichtung vorgesehen ist, deutlich darunter liegen, insbesondere in einem Temperaturbereich unterhalb von 70°C, in welchem noch ohne weiteres eine Temperaturbeständigkeit einer elektronischen Schaltung erreicht werden kann.
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Das Übertragungsglied ist dabei im Wesentlichen lastlos beweglich, so dass keinerlei relevante Torsionskräfte auf das Übertragungsglied wirken, die zu einer Ungenauigkeit bei der Erfassung der rotatorischen Position führen würden.
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Das Übertragungsglied ist mit seinem vorderen Ende vorzugsweise koaxial mit dem Rotor oder einem damit im Wesentlichen drehfest gekoppelten Koppelelement drehfest verbunden. Hierdurch kann die Drehbewegung des Rotors einfach und auf engstem Raum in einen rückwärtigen Bereich übertragen werden.
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Die Einrichtung zur Erfassung der rotatorischen Position des Rotors (23) ist erfindungsgemäß so ausgebildet und angeordnet, dass sie die rotatorische Position des Übertragungsglieds (51) in einem vom Rotor (23) abgewandten Bereich, vorzugsweise in einem rückwärtigen Endbereich des Übertragungsglieds (51) erfasst.
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Das Übertragungsglied ist als stabförmiges Element ausgebildet. Dieses stabförmige Element kann insbesondere einen Durchmesser von nur wenigen Millimetern aufweisen und mit seinem rückwärtigen Ende bis in einen vom Rotor axial abgewandten hinteren Bereich des Schaltventils reichen.
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Dieser hintere Bereich des Schaltventils kann gegenüber dem axial vorderen Bereich des Schaltventils, in welchem sich der Rotor und der Stator befinden, eine vorgegebene thermische Entkopplung aufweisen. Insbesondere kann das Gehäuse des Schaltventils hierzu in einem Bereich, der vor dem hinteren Bereich des Schaltventils liegt, Lüftungsschlitze aufweisen, so dass durch eine entsprechende Luftströmung durch das Gehäuse und die darin befindlichen Komponenten eine Kühlwirkung gegeben ist.
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Selbstverständlich kann in einem derartigen mittleren Bereich auch eine thermische Isolierung mittels eines Isoliermaterials vorgesehen sein, das im Gehäuse angeordnet ist.
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Das Isoliermaterial kann sich über den gesamten Querschnitt des Gehäuses erstrecken und beispielsweise als Isolierplatte ausgebildet sein, die nur für den Durchtritt des Übertragungsglieds eine Öffnung aufweist.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Übertragungsglied aus einem thermisch isolierenden oder schlecht Wärme leitenden Material bestehen, beispielsweise aus Kunststoff oder aus Keramik.
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Ist das Übertragungsglied als stabförmiges Element ausgebildet und weist nur einen Durchmesser von wenigen Millimetern, beispielsweise einen Durchmesser < 3mm, vorzugsweise < 2mm auf, so kann auch beispielsweise Edelstahl als relativ schlecht Wärme leitendes Metall verwendet werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Antriebseinrichtung für das Schaltventil axial angrenzend an den Bereich vorgesehen sein, in welchem der Rotor oder das mit dem Rotor verbundene Koppelelement angeordnet ist. Das Übertragungselement ist erfindungsgemäß in diesem Fall so ausgebildet, dass es auch die Antriebseinrichtung axial durchgreift, insbesondere koaxial zur Achse des Rotors.
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Die Antriebsachse der Antriebseinrichtung kann in diesem Fall hohl ausgebildet sein, wobei das stabförmig ausgebildete Übertragungsglied die hohle Antriebsachse durchgreift.
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Die Antriebseinrichtung kann ein Planetengetriebe aufweisen, welches zwischen dem eigentlichen Antrieb und dem Ventilkopf, in welchem der Rotor angeordnet ist, vorgesehen ist. Der eigentliche Antrieb kann beispielsweise als Elektromotor, pneumatischer Aktor oder hydraulischer Aktor ausgebildet sein. Das Übertragungsglied ist in einem derartigen Fall vorzugsweise als stabförmiges Element ausgebildet und durchgreift ein oder mehrere Sonnenräder des Planetengetriebes, die zu diesem Zweck eine Hohlachse aufweisen.
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Hierdurch ergibt sich eine äußerst kompakte und einfache Bauform.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Einrichtung zur Erfassung der rotatorischen Position des Rotors radial im Bereich des rückwärtigen Endes des Übertragungsglieds angeordnet sein. Das Übertragungsglied oder ein damit verbundenes Markerelement kann hierzu an einer Umfangsfläche Markierungen aufweisen, die von einem ebenfalls radial angeordneten Sensorelement abgetastet werden.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Einrichtung zur Erfassung der rotatorischen Position des Rotors stirnseitig am rückwärtigen Ende des Übertragungsglieds vorgesehen sein.
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Die Einrichtung zur Erfassung der rotatorischen Position kann hierzu ein am rückwärtigen Ende des Übertragungsglieds drehfest angeordnetes Markerelement aufweisen, welches eine vorzugsweise über das stirnseitige Ende des Übertragungsglieds hinausragende axial ausgerichtete Fläche aufweist. Auf dieser Fläche können Markierungen vorgesehen sein, die mittels eines Sensorelements detektiert werden, so dass die Einrichtung zur Erfassung der rotatorischen Position des Rotors in der Lage ist, aus dem Signal des Sensorelements die relative oder absolute rotatorische Position des Markerelements zu bestimmen.
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Das Markerelement kann hierzu als radial magnetisiertes Markerelement ausgebildet sein. Das Sensorelement kann als Hall-Sensorelement ausgebildet sein, dessen Sensorfläche der Stirnfläche des Magnetelements gegenübersteht und dessen Position berührungslos erfasst.
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Das Verwenden eines magnetischen Markerelements, beispielsweise eines radial oder diametral magnetisierten Magnetelements und eines Hall-Sensorelements bietet den Vorteil, dass diese Komponenten ebenfalls mit einer extrem hohen Temperaturstabilität verfügbar sind. Das von diesen Komponenten gelieferte elektrische Signal kann somit leitungsgebunden an eine übergeordnete Auswerte- und Steuereinheit weitergeleitet werden, die einen noch größeren Abstand zum Kopf des Schaltventils aufweisen kann.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine perspektivische, aufgebrochene Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Schaltventils nach der Erfindung;
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2 eine perspektivische, aufgebrochene Darstellung des eigentlichen Schaltventils (ohne Antriebseinrichtung) einer zweiten Ausführungsform eines Schaltventils nach der Erfindung; und
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3 eine perspektivische, aufgebrochene Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Schaltventils nach der Erfindung.
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Das in 1 dargestellte Schaltventil 1 besteht aus einem Gehäuse 3, welches ein erstes Gehäuseteil 5 und ein zweites Gehäuseteil 7 aufweist. Im zweiten, topfförmig ausgebildeten Gehäuseteil 7 ist eine Antriebseinheit 45, beispielsweise in Form eines Elektromotors, aufgenommen. Im ersten Gehäuseteil 5 ist im oberen Bereich das eigentliche Schaltventil und im unteren Bereich eine Getriebeeinheit 37 aufgenommen, welche mit der Antriebseinheit 45 gekoppelt ist. Das erste Gehäuseteil 5 ist mittels eines ersten Deckelteils 17 und eines zweiten Deckelteils 33 verschlossen.
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Das eigentliche Schaltventil besteht aus einem Stator 29, einem Rotor 23 und einer Lager- und Anpresseinrichtung 8 für das drehbare Lagern des Rotors 23 im Gehäuse 3 und das Erzeugen einer Anpresskraft, mit welcher der Rotor in Richtung auf den Stator beaufschlagt wird. Der Stator weist in bekannter Weise in der Statorstirnfläche ausgebildete Port-Öffnungsquerschnitte von Anschlussports 31 für das Zuführen bzw. Abführen des zu schaltenden Mediums auf. Die Statorstirnfläche wirkt mit einer Rotorstirnfläche des Rotors 23 zusammen, in welcher Nuten ausgebildet sind. Abhängig von der Winkelstellung des Rotors 23 relativ zum Stator 29 verbinden die in der Statorstirnfläche vorgesehenen Nuten jeweils vorbestimmte Port-Öffnungsquerschnitte, so dass jeweils die betreffenden Anschlussports 31 fluidisch verbunden sind.
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Die Lager- und Anpresseinrichtung 8 besteht bei der in 1 dargestellten Ausführungsform aus einem Lager 11, einem Aufnahmeteil 13, einer Federeinheit 27 und einer Koppeleinheit 16.
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Das erste Gehäuseteil 5 weist in seinem Innenraum eine Schulter 9 auf, auf der sich das ringförmige Lager 11 axial abstützt. Das Lager 11 ist als in axialer Richtung ausreichend tragfähiges Radiallager ausgebildet, beispielsweise als Schrägkugellager. Auf dem Lager 11 stützt sich das im Wesentlichen hohlzylindrische bzw. topfförmige Aufnahmeteil 13 mit einem sich radial im Gehäuseinneren bis fast an die Innenwandung des Gehäuses 3 beziehungsweise des Gehäuseteils 5 erstreckenden Flansch ab, so dass das Aufnahmeteil 13 in axialer Richtung fixiert und drehbeweglich gelagert ist. Der Flansch bzw. das Lager 11 müssen dabei selbstverständlich so ausgebildet sein, dass sich die relativ zueinander beweglichen Teile nicht berühren, um eine ungehinderte Drehbewegung zu ermöglichen. Im dargestellten Beispiel ist deshalb ein kleiner axialer Ringspalt zwischen dem äußeren Ring des Lagers 11 und dem Flansch des Aufnahmeteils 13 vorgesehen.
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Die Koppeleinheit 16, die aus einem Koppelelement 15 und einem Ausgleichselement 21 besteht, ist im Wesentlichen hohlzylindrisch bzw. topfförmig ausgebildet und greift mit ihrem unteren Bereich in das Aufnahmeteil 13 ein. Das Koppelelement 15 weist eine Außenkontur auf, die im Wesentlichen der Kontur des Innenraums des Aufnahmeteils 13 entspricht. Das Koppelelement 15 wird somit durch das Aufnahmeteil 13 in axialer Richtung verschiebbar geführt.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform eines Schaltventils 1 ist der Innendurchmesser des Innenraums des Aufnahmeteils 13 so gewählt, dass er im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Koppelelements 15 entspricht, so dass sich eine ausreichend genaue Zentrierung des Koppelelements 15 in radialer Richtung relativ zum Aufnahmeteil 13 und damit relativ zur Ventilachse A ergibt. Denn sowohl der Stator 29 mit seiner Längsachse (die senkrecht zur Statorstirnfläche und koaxial zu den Port-Öffnungsquerschnitten verläuft) als auch der Rotor 23 mit seiner Rotationsachse müssen möglichst exakt zueinander justiert werden, so dass die Statorachse und die Rotorachse fluchten (und die Ventilachse bilden). Gleichzeitig wird durch die einander entsprechende Wahl des Außendurchmessers des Koppelelements 15 und des Innendurchmessers des Aufnahmeteils 13 eine exakte axiale Verschiebbarkeit des Koppelelements 15 in der Ventilachse erreicht. Allerdings bedingt dies entsprechend geringe Fertigungstoleranzen.
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Das Koppelelement 15 ist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform eines Schaltventils 1 nur durch Reibschluss mit dem Aufnahmeteil 13 drehfest verbunden und zusammen mit diesem mittels des Lagers 13 drehbeweglich gelagert. Die für den Reibschluss erforderliche Anpresskraft entspricht der in der Grenzfläche zwischen dem Rotor 23 und dem Stator 29 wirkenden Anpress- bzw. Dichtkraft, die durch die Federeinheit 27 erzeugt wird. Die Federeinheit ist in der dargestellten Ausführungsform durch ein einziges ringförmiges Federelement realisiert. Selbstverständlich kann anstelle eines einzigen ringförmigen Federelements auch ein Stapel von ringförmigen Federelementen verwendet werden.
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Zur Realisierung des Reibschlusses weist das Koppelelement 15 in seinem oberen Bereich einen sich über den Umfang radial nach außen erstreckenden Flansch auf, welcher mit seiner Unterseite auf der ringförmigen Federeinheit 27 in Form des ringförmigen Federelements 27 aufliegt. Das Federelement 27 ist im Ringbereich zwischen der Außenwandung des Koppelelements 15 und der Innenwandung des ersten Gehäuseteils 5 angeordnet und stützt sich gegen die ringförmige Stirnfläche des Aufnahmeteils 13 beziehungsweise die Stirnfläche eines radial nach außen verlaufenden Flansches des Aufnahmeteils 13 ab.
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Die drehfeste Verbindung zwischen dem Koppelelement 15 und dem Aufnahmeteil 13 kann auch dadurch erfolgen, dass ein Formschluss zwischen den beiden Teilen vorgesehen ist, insbesondere durch die Ausbildung von Vorsprüngen oder Nuten in der Innenwandung des Aufnahmeteils 13 und entsprechend komplementären, damit zusammenwirkenden Nuten oder Vorsprüngen am Außenumfang des Koppelelements 15. Der Formschluss muss allerdings so realisiert sein, dass eine axiale Bewegung des Koppelelements gegeben ist.
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Die drehfeste Verbindung zwischen dem Koppelelement 15 und dem Aufnahmeteil 13 kann auch indirekt durch einen Formschluss zwischen dem Aufnahmeteil 13 und der Federeinheit 27 sowie zwischen der Federeinheit 27 und dem Koppelelement 15 erfolgen.
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Das axiale Sichern der Lager- und Anpresseinrichtung 8 in dem im Wesentlichen hohlzylindrischen ersten Gehäuseteil 5 erfolgt mittels eines in die obere Öffnung des ersten Gehäuseteils 5 eingeschraubten ersten Deckelteils 17. Das erste Deckelteil 17 ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und übergreift mit einer Schulter 19 die obere Stirnseite des Koppelelements 15, welches ebenfalls im Wesentlichen hohlzylindrisch bzw. topfförmig ausgebildet ist, wobei der Innenraum des Koppelelements 15 in seinem unteren Bereich einen sich verjüngenden Durchmesser aufweist. Im Innenraum des Koppelelements 15 ist das Ausgleichselement 21 in Form eines Taumelstabs vorgesehen. Das Ausgleichselement 21 weist einen im Wesentlichen starren, biegesteifen Kopfbereich und einen im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls im Wesentlichen starr und biegesteif ausgebildeten Fußbereich auf, sowie einen zwischen dem Fußbereich und Kopfbereich vorgesehenen Biegebereich. Das Ausgleichselement 21 stützt sich mit seinem unteren Ende bzw. dem Fußbereich im Innenraum des Koppelelements 15 ab und ragt mit der oberen Stirnseite des Kopfbereichs geringfügig über die obere, ringförmige Stirnseite des Ausgleichselements 21 hinaus. Wie aus 1 ersichtlich, ist das Ausgleichselement 21 beziehungsweise der Taumelstab koaxial im Koppelelement 15 aufgenommen, welches seinerseits koaxial im Aufnahmeteil 13 aufgenommen ist. Das Ausgleichselement 21 kann auch mit seinem Fußbereich in das Koppelelement 15 eingepresst sein. Hierdurch ist ein exaktes Bearbeiten der dem Stator 23 zugewandten Stirnfläche des Ausgleichselements 21 im eingepressten Zustand möglich. Insbesondere kann auch der Überstand der Stirnfläche des Ausgleichselements 21 gegenüber der ringförmigen Stirnfläche des Koppelelements 15 durch ein nachträgliches Bearbeiten im eingepressten Zustand exakt eingestellt werden.
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In der mittleren Öffnung des ringförmigen ersten Deckelteils 17 ist der Rotor 23 aufgenommen, wobei der Außendurchmesser des zylindrischen Rotors 23 im Wesentlichen dem Innendurchmesser des ringförmigen Deckelteils 17 entspricht. Die Aufnahmeöffnung dient jedoch nicht für das Führen des Rotors 23, sondern zur Abdichtung des Inneren des Gehäuses 3 bzw. des Gehäuseteils 5 gegenüber Staub, Feuchtigkeit und sonstigen Umwelteinflüssen. Hierzu kann in einer in der Innenwandung der Ausnehmung ausgebildeten Nut ein Dichtring vorgesehen sein, der die Umfangswandung des Rotors 23 beaufschlagt und so die gewünschte Dichtwirkung erzielt. Der Rotor 23 kann anstelle der Bohrungen für die Stifte 25 auch entsprechende Sacklöcher aufweisen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Lager- und Anpresseinrichtung 8 gegenüber der Rotorstirnfläche abgedichtet ist und beispielsweise kein Schmiermittel aus dem Inneren der Lager- und Anpresseinrichtung 8 nach außen gelangen kann.
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Der Rotor weist drei axiale Bohrungen auf, welche zur Aufnahme jeweils eines Verbindungsbolzens 25 dienen. Die Verbindungsbolzen 25 greifen mit einem oberen Bereich in die betreffende Bohrung im Rotor 23 ein und mit einem unteren Endbereich in eine entsprechende Bohrung in der Stirnfläche des Koppelelements 15. Auf diese Weise wird der Rotor drehfest mit dem Koppelelement 15 gekoppelt. Gleichzeitig sind die Bohrungen im Rotor so ausgebildet, dass der Rotor 23 und damit die Rotorstirnfläche um einen kleinen, aber ausreichenden Winkelbereich taumelbar gehalten ist.
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Das Deckelteil 17 weist in seinem oberen Bereich einen Aufnahmebereich für den Stator 29 auf, welcher im Wesentlichen ebenfalls zylindrisch ausgebildet ist und mehrere radial schräg einwärts verlaufende Kanäle aufweist, in welche jeweils das vordere Ende eines in ein zweites Deckelteil 33 einschraubbaren Anschlussports 31 reicht. Von den Anschlussports 31 ist in 1 nur ein einziger Anschlussport 31 dargestellt, da sich die beiden anderen im jeweils weggebrochenen Teil der Darstellung befinden. In gleicher Weise ist in 1 nur ein einziger der Verbindungsbolzen 25 sichtbar. Das zweite Deckelteil 33 übergreift den Stator 29 und presst diesen mit seiner Statorstirnfläche gegen die Rotorstirnfläche, wenn das zweite Deckelteil 33 mit Schrauben 35 mit dem ersten Deckelteil verbunden wird. Die Lager- und Anpresseinrichtung 8 und das erste Gehäuseteil 5 sowie das erste und zweite Deckelteil 17, 33 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass eine ausreichende Anpresskraft erzeugt wird. Selbstverständlich können zur Montage des Schaltventils 1 auch erst das erste und zweite Deckelteil 17, 33 miteinander verbunden und dann das gesamte Deckelteil zusammen mit dem darin gehaltenen Stator in das Gehäuse 3 bzw. das erste Gehäuseteil 5 eingeschraubt werden.
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Zur Montage des Ventilkopfs wird zunächst das Lager 11 in den Innenraum des ersten Gehäuseteils 5 eingebracht. Anschließend werden das Aufnahmeteil 13, die Federeinheit 27 und das Koppelelement 15 mit dem darin eingepressten Ausgleichselement 21 in das erste Gehäuseteil eingesetzt. Anschließend wird das erste Deckelteil 17 aufgeschraubt, so dass die vorgenannten Komponenten im Innenraum des ersten Gehäuseteils 5 fixiert sind. Anschließend kann der Rotor 23 eingesetzt werden. Das Deckelteil 17 ist hinsichtlich der axialen Dicke seines inneren Bereichs so ausgebildet, dass der Rotor 23 nach dem Aufsetzen auf die Verbindungsbolzen 25 noch geringfügig mit seiner oberen Stirnfläche, in welcher die nicht näher dargestellten Nuten vorgesehen sind, über die stirnseitige Oberfläche des Deckelteils 17 hinausragt, welche den Stator 29 abstützt. Anschließend wird der Stator 29 auf den Rotor 23 aufgesetzt, so dass die untere Stirnseite des Stators, in welcher die Öffnungsquerschnitte der mit den Anschlussports 31 verbundenen Kanäle vorgesehen sind, auf der oberen Stirnfläche des Stators 23 aufliegt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der zentrale Bereich der Statorstirnfläche, in dem die Öffnungsquerschnitte der Ports liegen, und der gegenüber der (üblicherweise insgesamt ebenen) Rotorstirnfläche abgedichtet werden muss, üblicherweise gegenüber dem umgebenden Bereich der Statorstirnfläche leicht erhaben ausgebildet ist. Die Dichtfläche zwischen Rotor und Stator wird somit durch die Größe des erhabenen Bereichs der Statorstirnfläche festgelegt.
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Anschließend wird das zweite Deckelteil 33 aufgesetzt, welches so ausgebildet ist, dass es die Oberseite des Stators 29 beaufschlagt. Das zweite Deckelteil 33 wird mittels der Schrauben 35 mit dem ersten Deckelteil 17 verbunden, wodurch der Stator 29 derart mit einer Axialkraft beaufschlagt wird, dass sich eine ausreichend axial wirkende Dichtkraft ergibt, um die im Rotor 23 vorgesehenen Nuten gegenüber der Statorstirnfläche bzw. dem zentralen, erhabenen Bereich der Statorstirnfläche auch bei den in der HPLC herrschenden hohen Drücken abzudichten. Die Druckkraft wird dabei von der Federeinheit 27 in Form des ringförmigen Federelements bzw. durch das Aufschrauben des zweiten Deckelteils 33 erzeugt.
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Wie bereits oben beschrieben, weist das Ausgleichselement 21 in der dargestellten Ausführungsform einen ausreichend starren Kopfbereich sowie einen ausreichend starren Fußbereich auf, die unter der vom Koppelelement 15 auf den Rotor 23 zu übertragenden Anpresskraft nicht oder allenfalls kaum (elastisch) verformt werden. Der dazwischen liegende, zylindrische Biegebereich lässt dagegen eine elastische Biegeverformung derart zu, dass die obere Stirnfläche, mit welcher das Ausgleichselement 21 die ihr zugewandte Fläche des Rotors 23 beaufschlagt, mögliche Taumelbewegungen des Rotors mit ausführen kann und dabei der Anpressdruck in der Berührungsfläche zwischen der oberen Stirnfläche des Ausgleichselements 21 und dem Rotor 23 im Wesentlichen gleich verteilt ist. Des Weiteren beaufschlagt das Ausgleichselement 21 den Rotor 23 koaxial, so dass sich in der ebenfalls koaxialen Anpressfläche zwischen dem Rotor 23 und dem Stator 29 ebenfalls selbst dann eine im Wesentlichen gleichmäßige Druckverteilung ergibt, wenn der Rotor 23 während einer Rotation um seine Achse eine Taumelbewegung ausführt, weil die Statorstirnfläche und/oder die Rotorstirnfläche nicht exakt senkrecht zur Drehachse des Rotors 23 verlaufen.
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Dabei muss selbstverständlich auch der Biegebereich des Ausgleichselements 21 so druckfest sein, dass die gewünschte Anpresskraft auf den Rotor 23 übertragen werden kann. Dieser Bereich muss also in axialer Richtung mindestens so steif ausgebildet sein wie die Federeinheit 27. Es ist lediglich eine ausreichende Biegeelastizität gewünscht.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der Fußbereich des Ausgleichselements 21 nicht zwingend biegesteif ausgebildet sein muss. Er kann als Verlängerung des Biegebereichs ausgebildet sein, so dass Biegebereich und Fußbereich zu einem Bereich mit identischen oder sehr ähnlichen Eigenschaften zusammengefasst sind. Ein starrer Fußbereich erleichtert jedoch das koaxiale Abstützen gegenüber dem die Anpresskraft übertragenden Element, hier dem Koppelelement 15. Zudem kann ein starrer, biegefester Fußbereich das Einpressen des Ausgleichselements 21 in das Koppelelement 15 erleichtern.
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In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform kann auch auf einen speziell ausgebildeten Kopfbereich verzichtet werden, wobei Biegebereich und Kopfbereich denselben Querschnitt aufweisen können.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform eines Ventils 1‘ nach der Erfindung ist im Wesentlichen nur der obere Teil dargestellt, also das eigentliche Ventil, welches im ersten Gehäuseteil 5 aufgenommen ist.
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Diese Ausführungsform gleicht weitestgehend der Ausführungsform in 1 und unterscheidet sich im Wesentlichen nur in zwei entscheidenden Punkten.
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Zum einen ist das Ausgleichselement 21‘ unterschiedlich ausgebildet. Zum anderen erfolgt die Zentrierung der Koppeleinheit 16‘ nicht mehr durch eine axial verschiebliche und radial feste Lagerung des Koppelelements 15‘ im Aufnahmeteil 13.
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Das Ausgleichselement 21‘ weist anstelle eines zylindrischen Biegebereichs mit relativ geringem Durchmesser zwei um 90 Grad um die Längsachse gegeneinander versetzte Biegebereiche in Form von Dünnstellen 63 auf. Die Dünnstellen weisen bei der in 2 dargestellten Ausführungsform eine konstante Dicke auf und verlaufen parallel und symmetrisch zur Längsachse des Ausgleichselements 21‘. Die Dünnstellen 63 können jedoch auch in beliebiger geeigneter Weise ausgebildet sein, um eine jeweils ausreichende Biegeelastizität in der Richtung senkrecht zur Oberfläche der Dünnstelle bzw. deren Längserstreckungsebene (bei einer symmetrischen Ausführungsform der Symmetrieebene) zu gewährleisten. Es ist auch möglich, die axiale Länge der Dünnstellen 63 soweit zu verringern, dass diese praktisch als Festkörpergelenke mit entsprechenden senkrecht zueinander verlaufenden Schwenkachsen ausgebildet sind.
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Damit ermöglicht auch das so beschaffene Ausgleichselement 21‘ eine Taumelbewegung des Rotors 23 und überträgt gleichzeitig die erforderliche axiale Anpresskraft auf den Rotor 23.
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Zur Zentrierung der Koppeleinheit 16‘ ist der Außendurchmesser des Koppelelements 15‘ geringfügig kleiner gewählt als der Innendurchmesser des Innenraums des Aufnahmeteils 13, so dass sich zumindest eine Vorzentrierung des Koppelelements 15‘ und damit auch der Koppeleinheit 16‘ sowie des Rotors 23 in radialer Richtung relativ zum Aufnahmeteil 13 ergibt.
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Die wiederum als Tellerfeder ausgebildete ringförmige Federeinheit 27 stützt sich mit ihrem Außenumfang in radialer Richtung gegen einen umlaufenden axialen Rand 65 des sich radial erstreckenden Flansches des Aufnahmeteils 13‘ ab. Mit seiner Innenfläche des Ringraums beaufschlagt die Federeinheit 27 den Außenumfang des Koppelelements 15‘, wobei der Durchmesser des betreffenden Bereichs des Koppelelements 15‘ bereits im unbelasteten Zustand im Wesentlichen dem Innendurchmesser der Federeinheit 27 entspricht. Bei der Montage des Schaltventils 1‘ wird die Federeinheit 27 axial zusammengedrückt, so dass sich der Innendurchmesser verringert und die Federeinheit 27 das Koppelelement 15‘ mit einer radial einwärts gerichteten Kraft beaufschlagt und auf diese Weise die Zentrierung der Koppeleinheit 16‘ bewirkt.
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Im Übrigen entspricht die Funktionsweise des Schaltventils 1' der Funktionsweise des in 1 dargestellten Schaltventils 1, so dass diesbezüglich auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.
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Die nachfolgende Beschreibung ist für beide Varianten von Schaltventilen 1, 1‘ nach den 1 und 2 gültig, wobei die Beschreibung nur unter Verweis auf 1 erfolgt und sich analog auf die Ausführungsform nach 2 übertragen lässt.
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Im unteren Bereich des ersten Gehäuseteils 5 ist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ein Planetengetriebe vorgesehen, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Übersetzungsstufen aufweist. Die Getriebeeinheit in Form des Planetengetriebes weist daher zwei Sonnenräder 39, 41 auf, welche jeweils eine Hohlachse aufweisen. In die Hohlachse des Sonnenrads 39 ist eine hohlzylindrische Abtriebswelle 43 einer Antriebseinheit 45 eingesetzt. Das Sonnenrad 39 ist drehfest mit der Abtriebswelle 43 verbunden. Die Antriebseinheit 45 und die Getriebeeinheit 37 bilden zusammen die Antriebseinrichtung zur rotatorischen Bewegung des Rotors 23 des Schaltventils 1.
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Von drei Planetenrädern bzw. Umlaufrädern 47 der zweiten Stufe des Planetengetriebes ist in 1 nur ein Umlaufrad 47 sichtbar. Jedes Umlaufrad 47 weist einen koaxialen Stift 49 auf, der in eine entsprechende Aufnahmebohrung in der unteren Stirnseite der Wandung des Aufnahmeteils 13 eingreift. Auf diese Weise wird jedes der Umlaufräder 47 beziehungsweise dadurch der gesamte Abtrieb des Planetengetriebes mit dem Aufnahmeteil 13 verbunden, so dass das Aufnahmeteil 13 hierdurch rotatorisch antreibbar ist.
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Durch die hohlzylindrische Abtriebswelle 43 der Antriebseinheit 45 und das Sonnenrad 41 ist ein Übertragungsglied 51 in Form eines stabförmigen Elements 53 geführt. Das stabförmige Element greift mit seinem oberen Ende in die untere Aufnahmeöffnung des Koppelelements 15 ein und ist drehfest mit dem Koppelelement 15 verbunden, beispielsweise durch Verkleben, Verschweißen oder dergleichen.
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Wie aus 1 ersichtlich, durchgreift das stabförmige Element 53 die aus der Getriebeeinheit 37 und der Antriebseinheit 45 gebildete Antriebseinrichtung und stützt sich mit seinem unteren Ende in einer Aufnahme im Boden des zweiten Gehäuseteils 7 ab.
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Das stabförmige Element 53 führt dabei jede Drehbewegung des Rotors 23 mit aus, wobei die Drehbewegung allenfalls durch Reibungskräfte belastet ist und im Übrigen lastlos erfolgt. Hierdurch ergeben sich innerhalb des stabförmigen Elements praktisch keinerlei Torsionskräfte, so dass die rotatorische Position des unteren Endes des stabförmigen Elements 53 ein exaktes Abbild der rotatorischen Position des Rotors 23 darstellt.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass dieses exakte Abbild allenfalls einem Spiel ausgesetzt ist, welches durch die Verbindung des Rotors 23 über die Verbindungsbolzen 25 mit dem Koppelelement 15 entsteht. Denn die Aufnahmebohrungen im Rotor 23 müssen geringfügig größer sein als der Außendurchmesser der Verbindungsbolzen 25, um eine geringfügige Taumelbewegung des Rotors 23 zu ermöglichen. Diese ist erforderlich, um Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen auszugleichen, welche eine nicht exakt fluchtende Positionierung der Stirnfläche des Rotors 23 und der Stirnfläche des Stators 29 zur Folge haben. Diese Taumelbewegungen werden dadurch ermöglicht, dass der Rotor 23 mit seiner unteren Stirnfläche auf der Stirnfläche des Ausgleichselements beziehungsweise des Taumelstabs 21 aufliegt. Dieser ist so dimensioniert, dass er durch die hohen axialen Kräfte, die über das Ausgleichselement 21 vom Koppelelement 15 auf den Rotor 23 übertragen werden müssen, in den erforderlichen geringen Grenzen deformierbar ist.
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Demgegenüber erfolgt, wie bereits ausgeführt, die rotatorische Bewegung des stabförmigen Elements 53 jedoch weitestgehend lastlos.
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Im unteren Bereich, das heißt im rückwärtigen Bereich der Antriebseinheit 45, ist eine Einrichtung 55 zur Erfassung der rotatorischen Position des Rotors vorgesehen. Diese umfasst ein Markerelement 57, welches im unteren Bereich mit dem stabförmigen Element 53 verbunden ist. Das Markerelement 57 kann hierzu eine zentrale Bohrung aufweisen, durch welche sich das stabförmige Element 53 erstreckt. Die Fixierung kann beispielsweise durch Verkleben oder mittels einer Rändelschraube erfolgen. Des Weiteren umfasst die Einrichtung zur Erfassung der rotatorischen Position des Rotors ein Sensorelement 59, welches so angeordnet ist, dass es der Umfangsfläche des im Wesentlichen zylindrischen Markerelements 57 gegenübersteht. Das Markerelement kann beispielsweise magnetische oder optische Marken beziehungsweise Markierungen entlang seiner Umfangsfläche aufweisen, deren Bewegung beziehungsweise Position vom Sensorelement 59 erfasst wird. Das Signal des Sensorelements 59 kann einer nicht näher dargestellten Auswerte- und Steuereinheit zugeführt sein. Diese kann abhängig vom Signal der Einrichtung zur Erfassung der rotatorischen Position des Rotors 23 die Antriebseinheit 45 so ansteuern, dass der Rotor 23 in eine vorgegebene rotatorische Position gesteuert wird.
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Das Markerelement 57 und das Sensorelement 59 können beispielsweise so ausgebildet sein, dass eine magnetische oder optische Positionserfassung erfolgt. Als Sensorelement 59 eignet sich beispielsweise ein Hall-Sensor zur Detektion von magnetischen Marken eines entsprechenden magnetischen Markerelements 57. Als optischer Detektor beziehungsweise optisches Sensorelement 59 kann beispielsweise eine Photodiode verwendet werden, welche von den optischen Marken des betreffenden optischen Markerelements 57 reflektiertes Licht erfasst. Hierzu können die optischen Marken des Markerelements 57 beispielsweise auch von einer LED angestrahlt werden.
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Grundsätzlich eignet sich jedoch jede Einrichtung zur Erfassung der rotatorischen Position des Rotors, die in der Lage ist, die Umfangsposition beziehungsweise Umfangsbewegung des Übertragungsglieds 51 in Form des stabförmigen Elements 53 zu detektieren und ein entsprechendes Signal zu erzeugen.
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Durch das Vorsehen entsprechender Marken auf dem Markerelement 57 ist es dabei sowohl möglich, die absolute rotatorische Position als auch die relative rotatorische Position in Bezug auf einen vorgegebenen Anfangswert zu bestimmen.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die Einrichtung 55 zur Erfassung der rotatorischen Position des Rotors auch in der Weise ausgebildet sein, dass das Übertragungsglied 51 bzw. das stabförmige Element 53 ein Potentiometer betätigen, vorzugweise den Schleifkontakt eines Potentiometers. Zwar erfolgt bei dieser Ausführungsform die Positionserfassung nicht berührungsfrei, jedoch ist sie äußerst einfach und kostengünstig realisierbar.
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Die in 3 dargestellte Ausführungsform eines Schaltventils 1 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 1 im Wesentlichen nur dadurch, dass die Einrichtung zur Erfassung der rotatorischen Position des Rotors nicht radial am unteren Ende des stabförmigen Elements 53 angeordnet ist, sondern axial. Die Einrichtung 53 umfasst hierzu ein Markerelement 57‘, welches wiederum eine koaxiale Bohrung aufweist, in welche das untere Ende des stabförmigen Elements 53 eingreift. Die eigentliche Markerfläche beziehungsweise die Markierungen sind bei diesem Markerelement 57‘ jedoch nicht an der radial nach außen weisenden Umfangsfläche vorgesehen, wie im Fall der Ausführungsform nach 1, sondern an dessen nach unten gerichteter Stirnfläche 57’a.
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Wie in 2 dargestellt, kann das Markerelement 57‘ auch zweiteilig ausgebildet sein und ein Aufnahmeteil 57 1 aufweisen, welches stirnseitig eine topfförmige Ausnehmung aufweist, in welcher das eigentliche Markerelement, beispielsweise ein radial magnetisierter Dauermagnet 57‘ 2, angeordnet und gehalten ist.
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Die Halterung und Führung des stabförmigen Elements 53 erfolgt in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel allein durch die Befestigung am Koppelelement 15 und durch das Durchgreifen der Abtriebswelle 43 beziehungsweise der Sonnenräder 39 und 41. Selbstverständlich kann die Lagerung und Führung des stabförmigen Elements 52 jedoch auch zusätzlich oder ausschließlich im Gehäuseteil 7 erfolgen.
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Gegenüber der Stirnfläche 57’a des Markerelements 57‘ ist ein Sensorelement 59‘ in Form eines Hall-Sensor-Chips angeordnet, der in der Lage ist, die magnetischen Marker (radial verlaufend) des radial magnetisierten Dauermagneten 57 2 zu erfassen. Das Sensorelement 59‘ ist auf einer Leiterplatte 61 vorgesehen, auf welcher auch die Elektronik zur Auswertung und Erzeugung eines Signals vorgesehen ist, welches die absolute oder relative Position des Rotors 23 repräsentiert.
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Da sich die Einrichtung 55 beziehungsweise die Auswerteelektronik am axial rückwärtigen Endbereich des Schaltventils 1 befindet, kann in allen Ausführungsformen nach den 1 bis 3 das Schaltventil mit seinem vorderen Kopfbereich (beispielsweise einschließlich des gesamten ersten Gehäuseteils 5) in eine Wandung eines Säulenofens eingesetzt werden. Infolge der Position der Einrichtung 55 wird vermieden, dass die Sensoreinrichtung beziehungsweise eine entsprechende Auswerteelektronik unzulässig hohen Temperaturen ausgesetzt wird.
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Dabei sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch bei der Ausführungsform nach 1 im unteren Bodenbereich des zweiten Gehäuseteils 7 eine Auswerteelektronik beziehungsweise Erfassungselektronik zur Erzeugung eines geeigneten analogen oder digitalen Signals vorgesehen sein kann, welches die Position des Rotors in Form eines digitalen oder analogen Signals repräsentiert.
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Zudem weist diese Bauform den Vorteil auf, dass die Einrichtung zur Erfassung der rotatorischen Position des Rotors axial im rückwärtigen Bereich vorgesehen ist und insgesamt eine sehr kompakte Bauform erreichbar ist. Insbesondere wird die Bauform hinsichtlich der radialen Ausdehnung nicht durch das Vorsehen einer entsprechenden Einrichtung 55 vergrößert. Dies ermöglicht es, mehrere derartige Schaltventile 1 mit einem sehr geringen Abstand der Achsen zu positionieren, beispielsweise in die Wandung eines Säulenofens einzusetzen.
