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Die Erfindung betrifft ein Schaltventil, insbesondere ein Hochdruck-Schaltventil für die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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In der HPLC werden Hochdruck-Schaltventile für eine ganze Reihe unterschiedlicher Aufgaben verwendet, beispielsweise um eine zu untersuchende Probe aus einem Probenbehälter zu entnehmen, in eine Probenschleife einzuspeisen und von da in einen Hochdruck-Flüssigkeitsstrom in Richtung auf eine Chromatographiesäule einzubringen, oder um verschiedene Komponenten zu spülen oder um zwischen mehreren Säulen umzuschalten.
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Derartige Schaltventile werden in der Regel in automatischen Probengebern für die HPLC, in Säulenöfen oder in Fraktionssammlern verbaut.
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Beim Einsatz von Schaltventilen ist es fast immer von Vorteil, wenn das zu schaltende Medium nur kurze Kapillarwege zwischen den betreffenden Komponenten durchfließt. Beispielsweise ist es beim Führen von Proben in einem Eluentenstrom von Vorteil, wenn nur kurze Kapillarwege überwunden werden müssen, da dann die Dispersion der Probe, also das Vermischen der Probe mit dem im Flussweg vor und hinter der Probe befindlichen Eluenten, gering ist. Zudem wird durch kurze Kapillarwege der Druckverlust im betreffenden System minimiert.
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Um kurze Kapillarwege zu ermöglichen, ist es vorteilhaft bzw. in vielen Fällen unabdingbar, wenn das Schaltventil möglichst kompakt aufgebaut ist. Hierdurch kann das Schaltventil Platz sparend und variabel eingesetzt werden.
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Trotz eines kompakten Aufbaus muss ein derartiges Schaltventil selbstverständlich auch eine präzise und reproduzierbare Positionierung der bewegten, das zu schaltende Medium führenden Teile gewährleisten.
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Schaltventile, wie sie für das Einbringen einer Probe in den Fluidstrom verwendet werden, 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 2009/101695 A1 oder der
US 2010/0281959 A1 beschrieben.
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In jüngerer Zeit werden in der HPLC infolge der hier verwendeten hohen Drücke für das zu schaltende Medium der Stator und der Rotor so ausgebildet, dass die beiden zusammenwirkenden Flächen jeweils aus einem harten Material bestehen oder mit einem harten Material beschichtet sind. Es ist in diesem Fall erforderlich, dass der Rotor gegenüber dem Stator um ausreichende Winkelbeträge taumelbar gelagert ist, um Fertigungs- und Montagetoleranzen auszugleichen und in jeder Winkelstellung eine möglichst gleichmäßige Druckverteilung in der Berührungsfläche zu erzeugen. Hierzu ist es bekannt, den Rotor mittels eines flexiblen Kissens taumelbar zu lagern (z. B.
DE 10 2011 000 104 A1 , nicht vorveröffentlicht; ähnlich
WO 2011/008657 A2 ). Diese Funktionalität soll auch bei dem Ventil nach der vorliegenden Erfindung realisierbar sein.
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Der Erfindung liegt daher ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Schaltventil, insbesondere ein Hochdruck-Schaltventil für die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie, zu schaffen, welches in jeder rotatorischen Position des Rotors möglichst unabhängig von Fertigungs- und Montagetoleranzen eine möglichst homogene Druckverteilung in der Berührungsfläche zwischen Rotor und Stator aufweist, bei dem gleichzeitig eine exakte Führung und Positionierung des Rotors gewährleistet ist und welches eine einfache kompakte Bauweise aufweist. Ein Schaltventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in der
US 3,542,071 A beschrieben.
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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 es möglich ist, die ohnehin zur Erzeugung der Anpresskraft zwischen Rotor und Stator erforderliche Federeinrichtung so auszubilden, dass gleichzeitig eine infolge von Montagetoleranzen oder Herstellungstoleranzen erforderliche Ausgleichs- oder Taumelbewegung des Rotors ermöglicht wird und dennoch eine im Wesentlichen gleichmäßige Druckverteilung in der Berührungsfläche zwischen Rotor und Stator gewährleistet wird. Hierdurch ergibt sich ein extrem kompakter und zudem einfacher Aufbau.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann sich die Federeinheit auf einem drehbar gelagerten Aufnahmeelement der Lager- und Anpresseinrichtung abstützen, an welchem ein Antriebsbereich zu Kopplung mit einem rotatorischen Antrieb, vorzugsweise in Form eines elektromotorischen Antriebs, vorgesehen ist. Hierdurch wird auf einfache Weise eine drehbare Lagerung der Federeinheit erreicht. Durch die Verbindung eines Antriebs mit dem Aufnahmeelement anstatt mit der Federeinheit wird eine axiale Entkopplung erreicht, da ein am Aufnahmeelement vorgesehener Antriebsbereich in axialer Richtung des Ventils bzw. des Rotors (genauer: in der Richtung der Rotationsachse des Rotors) ortsfest ist.
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Die Federeinheit kann dabei fest mit dem drehbar gelagerten Aufnahmeelement verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich eine Verringerung der Anzahl der zu montierenden Ventilteile.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Federeinheit ein oder mehrere Tellerfederelemente auf. Derartige Federeinheiten sind in axialer Richtung bauklein und können zudem auf einfache Weise so dimensioniert werden, dass unsymmetrische Einfederungen, insbesondere Einfederungen in der Ebene der Federeinheit, in welcher die Federeinheit unmittelbar den Rotor oder ein damit verbundenes Element beaufschlagt, im Wesentlichen zu keiner Änderung oder nur zu einer sehr geringen Änderung der Druckverteilung in der Berührungsfläche zwischen Rotor und Stator führen. Mit anderen Worten: Das Rückstellmoment der Federeinheit in die Ausgangsposition, in welcher die Beaufschlagungsebene zwischen Federeinheit und dem Rotor bzw. dem damit verbundenen Element senkrecht zur Achse der Federeinheit steht, kann sehr gering bzw. sogar zu Null gewählt werden. Dieses Rückstellmoment wird im Folgenden auch als Direktionsmoment bezeichnet.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das eine oder sind die mehreren Tellerfederelemente ringförmig, vorzugsweise kreisringförmig, ausgebildet. Zur Auslegung der gewünschten Charakteristik können die Tellerfederelemente auch mit nach außen und/oder nach innen offenen radialen Schlitzen versehen sein.
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Das Tellerfederelement oder eines der mehreren Tellerfederelemente können den Rotor oder das damit unmittelbar oder mittelbar verbundene Element zur radialen Positionierung des Rotors in Bezug auf den Stator über einen radiale Kräfte aufnehmenden Formschluss beaufschlagen. Beispielsweise kann der Rotor an seiner der Federeinheit zugewandten Seite einen ringförmigen oder zylindrischen Fortsatz aufweisen, welcher passgenau in den zentralen Durchbruch des zugewandten Tellerfederelements eingreift.
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Des Weiteren können das Tellerfederelement oder eines der mehreren Tellerfederelemente das Aufnahmeelement zur radialen Positionierung des Rotors in Bezug auf den Stator (genauer: zur Positionierung des einen oder der mehreren Tellerfederelemente in Bezug auf das Aufnahmeelement) über einen radiale Kräfte aufnehmenden Formschluss beaufschlagen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann ein einziges kreisringförmiges Tellerfederelement oder ein Stapel von kreisringförmigen Tellerfederelementen vorgesehen sein, wobei das oder die Tellerfederelemente so ausgebildet sind, dass die Schnittflächen des Kreisrings eine im axialen Längsschnitt vorzugsweise im Wesentlichen rechteckförmige Form aufweisen, wobei die äußere und innere Stirnseite durch Kreislinienabschnitte eines Umkreises gebildet sind, dessen Mittelpunkt im Schwerpunkt der Querschnittsfläche liegt. Am Rotor ist dabei wenigstens ein Vorsprung vorgesehen, welcher eine sich parallel zur Rotationsachse und im Wesentlichen parallel zur Achse des Tellerfederelements erstreckende Wandung aufweist, die von der inneren oder äußeren Stirnseite der Tellerfeder beaufschlagt wird. Zusätzlich ist am Aufnahmeelement wenigstens ein Vorsprung vorgesehen ist, welcher eine sich im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse und im wesentlich parallel zur Achse des Tellerfederelements erstreckende Wandung aufweist, die von der jeweils anderen Stirnseite der Tellerfeder beaufschlagt wird. Durch diese Ausgestaltung der Geometrie der Tellerfeder und der Formschlüsse wird die Stülpbewegung der Tellerfeder (im Querschnitt betrachtet, die Kippbewegung der beispielsweise annähernd rechteckigen Querschnittsflächen um den Flächenschwerpunkt) praktisch nur durch den Reibwiderstand an den Berührungsflächen behindert. Die Federcharakteristik wird durch den Formschluss nicht oder allenfalls unwesentlich verändert bzw. beeinträchtigt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das wenigstens eine Tellerfederelement einen ringförmigen, insbesondere kreisringförmigen, Tellerfederbereich auf, welcher an seinem äußeren Rand über wenigstens eine Wandung mit einem im Wesentlichen starren ringförmigen Auflageteil und an seinem inneren Rand über wenigstens eine Wandung mit einem Bodenteil verbunden ist, wobei das Bodenteil im montierten Zustand des Schaltventils die Anpresskraft auf den Rotor oder das damit unmittelbar oder mittelbar verbundene Element überträgt. Das ganze Tellerfederelement ist dabei vorzugsweise einstückig ausgebildet und weist vorzugsweise eine doppelt topfförmige Struktur auf. Die wenigstens einen Wandungen erstrecken sich vorzugsweise jeweils in einer vom Auflageteil bzw. vom Tellerfederbereich und vom Stator weg weisenden Richtung. Die Wandungen müssen dabei (im unbelasteten Zustand des Tellerfederelements) nicht zwingend achsparallel verlaufen. Dies ist jedoch von Vorteil, da die Wandungen in diesem Fall im Wesentlichen nur durch Zugspannungen (in der im Wesentlichen achsparallelen Richtung) beansprucht werden. Allerdings kommt es infolge der Stülpbewegung des Tellerfederbereichs auch zu einer Bewegung des äußeren Randes des Tellerfederbereichs radial nach außen und zu einer Bewegung des inneren Randes des Tellerfederbereichs radial nach innen und damit zu einer entsprechenden (zusätzlichen) Biegebeanspruchung der wenigstens einen Wandungen. Die Wandungen sind dabei so ausgebildet und dimensioniert, dass Verformungen der Wandungen infolge der Stülpbewegung des Tellerfederbereichs im elastischen Bereich der Wandungen erfolgen.
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Die wenigstens einen Wandungen können dabei so ausgebildet und dimensioniert werden, dass die Wandungen in Längserstreckungsrichtung eine solche Dehnsteifigkeit aufweisen, dass der Federweg des Tellerfederelements im Wesentlichen ausschließlich durch den Federweg des Tellerfederbereichs bestimmt ist und dass die Wandungen eine solche Biegesteifigkeit aufweisen, dass durch Stülpbewegungen des Tellerfederbereichs erzeugte radiale Bewegungen des äußeren und inneren Randes des Tellerfederbereichs sowie Kippbewegungen der Schnittflächen des Tellerfederbereichs im axialen Längsschnitt durch Biegeverformung der Wandungen ermöglicht werden.
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Die wenigstens einen Wandungen können in vorteilhafter Weise so ausgebildet und dimensioniert werden, dass Rückstellkräfte und/oder Rückstellmomente, die von den Wandungen bei diesen Biegeverformungen erzeugt werden, so gering sind, dass die Federcharakteristik des Tellerfederbereichs, wie sie bei einer ungehinderten Stülpbewegung gegeben ist, im Wesentlichen unverändert bleibt.
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Die Wandungen können jeweils umlaufend ausgebildet und so dimensioniert und gestaltet sein, dass der Tellerfederbereich und das Bodenteil gegen translatorische Bewegungen in der Ebene senkrecht zur Achse des Tellerfederbereichs derart steif gehalten sind, dass eine sichere radiale Positionierung des Rotors relativ zum Stator gewährleistet ist.
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Nach einer anderen Ausgestaltung kann über den Umfang verteilt jeweils eine solche Anzahl von Wandungen vorgesehen sein, und die einzelnen Wandungen können so dimensioniert und gestaltet sein, dass der Tellerfederbereich und das Bodenteil gegen translatorische Bewegungen in der Ebene senkrecht zur Achse des Tellerfederbereichs derart steif gehalten sind, dass eine sichere radiale Positionierung des Rotors relativ zum Stator gewährleistet ist.
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Bei diesen Ausführungsformen kann das Bodenteil ein oder mehrere Koppelelemente zur radialen Positionierung des Rotors und zur drehfesten Verbindung mit dem Rotor aufweisen. Hierbei kann es sich um achsparallel verlaufende Stifte handeln, die im Bodenteil verankert sind und in entsprechende Ausnehmungen im Stator eingreifen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 einen axialen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte erste Ausführungsform eines Schaltventils nach der Erfindung;
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2 einen axialen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte zweite Ausführungsform eines Schaltventils nach der Erfindung;
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3a eine Variante einer Federeinheit für eine Ausführungsform eines Schaltventils nach 1 in Form einer Tellerfeder mit in einem radial inneren Bereich verlaufenden radialen Schlitzen zur Einstellung einer gewünschten Federcharakteristik;
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3b eine Variante einer Federeinheit für eine Ausführungsform eines Schaltventils nach 1 in Form einer Tellerfeder mit in einem radial inneren Bereich und zusätzlich in einem radial äußeren Bereich verlaufenden radialen Schlitzen zur Einstellung einer gewünschten Federcharakteristik;
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4 eine Variante einer Federeinheit für eine Ausführungsform eines Schaltventils nach 2 mit einem Tellerfederbereich, welcher jeweils über eine im Wesentlichen achsparallel verlaufende, umlaufende Wandung mit einem äußeren Auflageteil und mit einem inneren Bodenteil verbunden ist;
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5 Diagramm zur Erläuterung der Charakteristik einer für die Zwecke der Erfindung besonders geeigneten Federeinheit, insbesondere einer Tellerfeder oder eines Tellerfederbereichs nach 6; und
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6 eine schematische Darstellung einer Tellerfeder im axialen Längsschnitt.
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Die in 1 dargestellte, erste Ausführungsform eines Schaltventils 200, welches auch für die HPLC geeignet ist, besteht aus einem Gehäuse 260, in welchem ein Stator 202 ortsfest gehalten ist. Der Stator 202 weist Ausnehmungen 201 auf, die radial einwärts gerichtet verlaufen und die sich in Portkanälen fortsetzen, die in axialer Richtung bis in einen vorspringenden, im Wesentlichen kreisförmigen Fortsatz 203 verlaufen. In der kreisförmigen Stator-Stirnfläche 224 des Fortsatzes 203 münden die Port-Kanäle in entsprechenden Querschnittsöffnungen. Die Stator-Stirnfläche 224 wirkt mit einer Rotor-Stirnfläche 204 eines Rotors 210 zusammen, der im Gehäuse 260 des Schaltventils 200 mittels einer Lager- und Anpresseinrichtung 230 drehbar gelagert und mit einer vorgegebenen Anpresskraft in Richtung auf den Stator 202 beaufschlagt ist. Die Lager- und Anpresseinrichtung 230 übernimmt auch die Zentrierung des Rotors 210 relativ zum Stator 202, so dass möglichst die Rotationsachse des Rotors 210 mit der Achse A des Stators 202 fluchtet. Auf diese Weise wird erreicht, dass überwiegend koaxial und in Umfangsrichtung eines koaxialen Kreises verlaufende Nuten 211 in der Rotor-Stirnfläche 204 exakt in Bezug auf die in der Stator-Stirnfläche 224 vorgesehenen Querschnittsöffnungen der Port-Kanäle positioniert sind. In bestimmten rotatorischen Positionen des Rotors 210 können auf diese Weise jeweils vorbestimmte Querschnittsöffnungen der Port-Kanäle miteinander fluidisch verbunden oder voneinander getrennt werden.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass in die Ausnehmungen 201 Portanschlüsse eingesetzt, vorzugsweise eingeschraubt, werden können, mit denen Leitungen in Form von Kapillaren für das Zuführen bzw. Abführen eines flüssigen Mediums mit dem Stator 202 bzw. dem Schaltventil 200 verbunden werden können.
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Bei den in der HPLC herrschenden extrem hohen Drücken muss der Rotor 210 mit einer ausreichend großen Anpresskraft mit der Rotor-Stirnfläche 204 gegen die Stator-Stirnfläche 224 gepresst werden, um eine Dichtigkeit in der Berührungsfläche zwischen Rotor 210 und Stator 202 zu gewährleisten. Um Beschädigungen der meist aus harten Materialien bestehenden Stirnflächen (beispielsweise Keramik) 204 und 224 zu vermeiden, ist es erforderlich, eine möglichst gleichmäßige Druckverteilung in der Dichtfläche zu erreichen. Eine gleichmäßige Druckverteilung gewährleistet darüber hinaus einen möglichst geringen Verschleiß der relativ gegeneinander bewegten Stirnflächen 204 und 224. Dabei kann die Berührungsfläche (Dichtfläche) zwischen Rotor 210 und Stator 202, wie in den 1 und 2 gezeigt, eben ausgebildet sein. Die Dichtfläche kann jedoch auch einen beliebig anderen Verlauf aufweisen, beispielsweise kegelförmig oder kugelförmig.
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Um in jeder rotatorischen Position des Rotors 210 eine möglichst gleichmäßige Druckverteilung in der Dichtfläche zu erreichen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn auf eine starre Rotorachse verzichtet wird, da in diesem Fall bereits geringste Montagetoleranzen oder Herstellungstoleranzen zu einer ungleichmäßigen Druckverteilung in der Dichtebene (gebildet durch die Stator-Stirnfläche 224 und Rotor-Stirnfläche 204) führen würden und es im Extremfall zu Undichtigkeiten in der Dichtebene oder zu einer Beschädigung der Rotor- bzw. Stator-Stirnfläche käme.
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Die Lager- und Anpresseinrichtung 230 weist zu diesem Zweck ein mit dem Rotor 210 verbundenes Koppelelement 220 auf, welches mittels einer als Tellerfeder 250 ausgebildeten Federeinheit 255 mit einer vorbestimmten Anpresskraft in Richtung auf den Stator 202 beaufschlagt wird. Die Anpresskraft ist selbstverständlich so groß zu wählen, dass die in der Dichtfläche erzeugte Flächenpressung ausreicht, um die Dichtigkeit des Schaltventils 200 zu gewährleisten.
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Die Verbindung zwischen dem Koppelelement 220 und dem Rotor 210 erfolgt über mehrere, beispielsweise drei, achsparallel zur Rotorachse verlaufende Stifte 221, welche in entsprechende Ausnehmungen im Rotor 210 eingreifen. Auf diese Weise ist eine drehfeste aber lösbare Verbindung zwischen dem Rotor 210 und dem Koppelelement 220 gewährleistet. Die Stifte 221 können entlang eines koaxialen Kreises im Koppelelement 220 verteilt über dessen Umfang vorgesehen sein.
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Die Tellerfeder 250 stützt sich gegen ein Aufnahmeelement 271 der Lager- und Anpresseinrichtung 230 ab, welches mittels eines Lagers 240 drehbar und in axialer Richtung fest im Gehäuse 260 gelagert ist. Das Aufnahmeelement 271 kann zur Fixierung in radialer Richtung eine nicht dargestellte Schulter aufweisen, welche in den Innenring des Lagers 240 eingreift. Des Weiteren kann auch das drehbare Lagerteil einstückig mit dem Aufnahmeelement 271 ausgebildet sein. Das Aufnahmeelement 271 weist einen im dargestellten Ausführungsbeispiel axial vorgesehenen Antriebsbereich 270 in Form einer koaxial vorgesehenen Welle auf. Dieser Antriebsbereich 270 kann mit einem nicht dargestellten Antrieb, beispielweise einem elektromotorischen Antrieb, gekoppelt werden. Infolge der axial festen Lagerung des Aufnahmeelements 271 und damit auch des Antriebsbereichs 270 wird eine einfache Kopplung zwischen dem Antriebsbereich 270 und dem Antrieb ermöglicht.
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Das Aufnahmeelement 271 weist in Richtung auf den Stator vorspringende Vorsprünge 272 auf, die so positioniert sind, dass sich der Außenumfang der als Tellerfeder 250 ausgebildeten Federeinheit 255 gegen die Vorsprünge 272 abstützen kann. Hierdurch wird eine Zentrierung der Federeinheit 255 relativ zur Rotationsachse A der Lager- und Anpresseinrichtung 230 bzw. des Aufnahmeelements 271 erreicht.
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Anstelle mehrerer Vorsprünge entlang des Außenumfangs der Federeinheit 255 kann selbstverständlich auch ein umlaufender Vorsprung 272 vorgesehen sein.
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Die Federeinheit 255 bzw. die Tellerfeder 250 beaufschlagt mit ihrem anderen Ende die Unterseite des Koppelelements 220. Die Geometrie des Schaltventils und die Struktur bzw. die Geometrie der Federeinheit 255 sind dabei so gewählt, dass im montierten Zustand des Schaltventils 200 ein solcher Federweg erreicht ist, der ausreicht, um die notwendige Anpresskraft zwischen Rotor 210 und Stator 202 zu erzeugen.
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Zur Zentrierung des Koppelelements 220 und damit auch des Rotors 210 in Bezug auf den Stator 202 weist das Koppelement 220 an seiner der Federeinheit 255 zugewandten Unterseite einen Vorsprung 222 auf, dessen Querschnitt bzw. Außenumfang so gewählt ist, dass er passgenau in eine Ausnehmung in der dem Koppelelement 220 zugewandten Seite der Federeinheit 255 eingreift. Die Ausnehmung ist im dargestellten Ausführungsbeispiel nach 1 durch die kreisförmige Ausnehmung der Tellerfeder 250 gebildet. Damit ist eine Zentrierung der Federeinheit 255 gegenüber dem Aufnahmeelement 271 erreicht, und gleichzeitig erzeugt die Federeinheit 255 eine Zentrierung des Koppelelements 220 und damit des Rotors 210 in Bezug auf den Stator 202. Neben der Erzeugung der Anpresskraft übernimmt die Lager- und Anpresseinrichtung, insbesondere die Federeinheit 255, somit auch die Zentrierfunktion.
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Gleichzeitig kann die Charakteristik der Federeinheit 255 so ausgestaltet werden, dass eine Taumelbewegung des Koppelelements 220 und damit auch des Rotors 210 ermöglicht wird. Derartige Taumelbewegungen müssen gewährleistet sein, wenn die Stirnfläche 224 des Stators 202 und/oder die Stirnfläche 204 des Rotors 210 nicht exakt senkrecht zur Rotationsachse des Aufnahmeelements 271 steht. Die Federeinheit 255 bzw. die Tellerfeder 250 können so dimensioniert sein, dass im Arbeitspunkt der Federeinheit 255, der durch den während der Montage des Schaltventils 200 zu bewirkenden Federweg zur Erzeugung der notwendigen Anpresskraft definiert ist, kleine unsymmetrische Auslenkungen der Federeinheit 255 (d. h. Verkippungen des Stators gegenüber der Rotationsachse des Aufnahmeelements 271) nur zu einem geringen oder einem vernachlässigbar kleinen Rückstellmoment (im Folgenden als Direktionsmoment bezeichnet) führen. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass auch bei einer Verkippung des Rotors die Druckverteilung in der Dichtfläche im Wesentlichen unverändert bleibt. Eine Störung der Ventilfunktion durch Undichtigkeit, ein erhöhter Verschleiß oder gar eine Beschädigung der Oberflächen der einander gegenüberstehenden Rotor-Stirnfläche 204 und Stator-Stirnfläche 224 wird auf diese Weise vermieden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich ebenfalls möglich ist, anstelle einer mittelbaren Beaufschlagung des Rotors 210 mittels der von der Federeinheit 255 erzeugten Anpresskraft über das Koppelelement 220 den Stator 202 unmittelbar zu beaufschlagen und hierfür an der Unterseite des Rotors 210 einen dem Vorsprung 222 entsprechenden Vorsprung zur Zentrierung des Rotors 210 vorzusehen.
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Anstelle eines einzigen Lagers 240, welches vorzugsweise als Schrägkugellager ausgebildet sein kann, um eine axial feste Lagerung der Komponenten zu gewährleisten, können auch ein Radiallager und ein zusätzliches Axiallager vorgesehen sein.
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Die Federeinheit 255 kann auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein, solange die vorbeschriebene Federcharakteristik mit einem ausreichend geringen Direktionsmoment gewährleistet ist.
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Anstelle einer einzigen Tellerfeder 250 kann selbstverständlich auch ein Stapel von mehreren Tellerfedern verwendet werden.
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Die Tellerfeder 250 oder der Stapel von Tellerfedern kann aus Varianten von Tellerfedern gebildet sein, wie sie in den 3a und 3b dargestellt sind. Hierbei handelt es sich um in üblicher Weise gewölbte Tellerfedern mit einer vorbestimmten Dicke, wobei zur Erzeugung der gewünschten Federcharakteristik der radial innere Bereich der Tellerfeder 250 und/oder der radial äußere Bereich der Tellerfeder 250 mit mehreren radial verlaufenden Schlitzen versehen sein kann, welche sich jeweils ausgehend vom Innenrand der Tellerfeder 250 bis in den radial inneren Bereich bzw. ausgehend vom äußeren Rand der Tellerfeder 250 in den radial äußeren Bereich hinein erstrecken.
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Problematisch bei der Ausführungsform nach 1 ist, dass die Tellerfeder 250 bei einer Verringerung der Wölbung der Tellerfeder in ihrer Federcharakteristik durch die Vorsprünge 272 und den zu zentrierenden Vorsprung 222 beeinträchtigt ist. Dies sei im Folgenden anhand der 6 näher erläutert. Bei einer Stülpbewegung der Tellerfeder 250 ändert sich grundsätzlich der Innendurchmesser der Tellerfeder und auch der Außendurchmesser. Denn bei einer Stülpbewegung erfolgt eine Verkippung der im Längsquerschnitt der Tellerfeder 250 annähernd rechteckigen Querschnittsflächen (siehe 6) um den jeweiligen Flächenschwerpunkt S.
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Wird die Tellerfeder 250 bei einer Einfederung, d. h. bei einer Stülpbewegung, in dieser Bewegung behindert bzw. ist diese radiale Bewegung sogar blockiert, so führt dies zu einer drastischen Veränderung der Federcharakteristik.
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Eine Variante, um diese Problematik zu vermeiden bzw. abzumildern, ist die Ausgestaltung der Tellerfeder nach 6 derart, dass die Schnittflächen im axialen Längsschnitt an den Innen- bzw. Außenrändern durch Kreislinien begrenzt sind, die auf einem Kreis liegen, dessen Mittelpunkt mit dem Flächenschwerpunkt der Querschnittsflächen zusammenfällt.
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Auch in diesem Fall erfolgt, wie aus 6 ersichtlich, eine Änderung des Außen- bzw. Innendurchmessers der Tellerfeder 250, wenn die Geometrie der Ausgangsposition für eine Stülpbewegung (beispielsweise der linken Position in 6) so gestaltet ist, dass die den Außen- bzw. Innenrand begrenzende Kreislinie der betreffenden Schnittfläche die horizontale Linie durch den Flächenschwerpunkt S, um welchen die Kippbewegung bzw. Stülpbewegung erfolgt, nicht schneidet. Bringt man die Feder ausgehend von der in 6 links dargestellten Stellung in die in 6 rechts dargestellte Position, d. h. drückt man die Feder 250 um den Federweg s ein, so wird die Oberkante des äußeren Endes, d. h. die linke obere Ecke der linken Schnittfläche über den radial äußersten Punkt des Kreises (Schnittpunkt des Kreises mit der Horizontalen durch den Massenschwerpunkt S) bewegt. Es ändert sich also der Außendurchmesser der Tellerfeder 250. Gleiches gilt für die rechte untere Ecke der linken Schnittfläche, so dass sich auch der Innendurchmesser der Tellerfeder 250 ändert.
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Würde man ausgehend von der in 6 rechts dargestellten Position der Tellerfeder 250 eine weitere, geringfügige Einfederung, d. h. eine Vergrößerung des Federwegs s vornehmen, so würde sich weder der Innendurchmesser noch der Außendurchmesser der Tellerfeder ändern, da lediglich eine Verschwenkung der Querschnittsflächen derart erfolgt, dass die horizontale Linie durch den Massenschwerpunkt S die äußere bzw. innere, die Schnittfläche begrenzende Kreislinie nach wie vor schneidet. Mit anderen Worten, der Innendurchmesser bzw. Außendurchmesser der Tellerfeder bleibt bei einer derartigen Einfederbewegung oder Stülpbewegung der Tellerfeder 250 konstant.
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Werden die Anlageflächen an den Innenrand bzw. Außenrand komplementär gestaltet, beispielweise bei der Ausführungsform nach 1 die Anlageflächen am Vorsprung 222 des Koppelelements 220 und die Anlageflächen am Vorsprung 272 des Aufnahmeelements 271, so ergibt sich ein Gleitlager mit einer entsprechend großen Berührungsfläche. Selbstverständlich genügen jedoch auch die in 1 dargestellten achsparallelen Umfangsflächen des Vorsprungs 222 bzw. des Vorsprungs 272, um die Zentrierwirkung zu gewährleisten.
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In diesem Fall kann die Tellerfeder 250 so dimensioniert werden, dass bei der Montage die Tellerfeder 250 im Ausgangszustand noch einen deutlich größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser der Vorsprungs 222 bzw. einen kleineren Außendurchmesser als der Innendurchmesser des Vorsprungs 272 aufweist. Wird die Tellerfeder 250 bei der Montage bis zum Arbeitspunkt zusammengepresst bzw. eingefedert, um die erforderliche Anpresskraft zwischen Rotor 210 und Stator 202 zu erzeugen, so sollte in diesem Arbeitspunkt der Tellerfeder 250 deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Vorsprungs 222 und deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Vorsprungs 272 entsprechen, um die gewünschte Zentrierwirkung zu gewährleisten. In diesem Arbeitspunkt sollte dann auch ein Zustand erreicht sein, in dem, wie in 6 rechts dargestellt, die horizontale Linie durch den Massenschwerpunkt S der Schnittflächen der Tellerfeder 250 die Kreislinien des Innenrands bzw. des Außenrands der Schnittsflächen schneidet. Weitere geringfügige Einfederbewegungen oder Kippbewegungen der Koppeleinheit 220 bzw. des Rotors 210 führen dann bei einer geeigneten Dimensionierung nicht mehr zu einer Änderung des Außen- bzw. Innendurchmessers der Tellerfeder 250, sodass deren Federcharakteristik hierdurch nicht beeinträchtigt wird.
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Abschließend zu dieser Problematik sei darauf hingewiesen, dass das Konstanthalten des Innendurchmessers bzw. Außendurchmessers einer Tellerfeder auch dann möglich ist, wenn die Querschnittsflächen der Tellerfeder im axialen Längsschnitt nicht parallel zueinander verlaufen, sondern beispielsweise eine leichte (tellerförmige) Wölbung aufweisen. Die vorstehend erläuterte Lösung ist immer dann möglich, wenn die Stirnseiten der Querschnittsflächen durch Kreislinien eines Kreises begrenzt sind, dessen Mittelpunkt mit dem Massenschwerpunkt der Querschnittsfläche zusammenfällt. Zudem muss die Geometrie so ausgelegt sein, dass im Arbeitspunkt der Tellerfeder die horizontale Linie durch den Kreismittelpunkt die die Stirnseiten der Querschnittsflächen begrenzenden Kreislinien in allen möglichen Stellungen der Tellerfeder schneidet (im gesamten interessierenden Federweg ausgehend vom Arbeitspunkt).
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Die Tellerfeder 250 in 1 kann auch umgekehrt so vorgesehen sein, dass die Federöffnung dem Aufnahmeelement 271 zugewandt ist. Selbstverständlich müssen in diesem Fall auch die Vorsprünge 222 und 272 vertauscht werden, d. h., an der Rotorunterseite bzw. der Unterseite des Koppelelements 220 muss ein dem Vorsprung 272 vergleichbarer Vorsprung ausgebildet sein und am Aufnahmeelement 271 ein dem Vorsprung 222 vergleichbarer Vorsprung.
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Die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform eines Schaltventils 500 nach der Erfindung weist im Wesentlichen dieselben Komponenten auf, wie die Ausführungsform nach 1. Identische oder funktionsgleiche Elemente bzw. Einrichtungen sind daher mit identischen Bezugszeichen versehen. Hinsichtlich deren Ausbildung und Funktionsweise kann daher auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen werden.
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Die Ausführungsform nach 2 unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der Ausführungsform nach 1, dass das Aufnahmeelement 571 eine im Wesentlichen topfförmige Struktur aufweist. Ein oberer Flanschbereich 572 des Aufnahmeelements 571 stützt sich auf dem Lager 240 ab. Das Lager 240 dient wieder zur drehbaren Lagerung des Aufnahmeelements 571 um die Rotationsachse A, wobei die Lagerung derart erfolgt, dass das Aufnahmeelement 571 in axialer Richtung die gesamte Anpresskraft zwischen Rotor 210 und Stator 202 aufnehmen kann.
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An der Unterseite des Bodens 573 des topfförmigen Aufnahmeelements 571 ist wiederum ein Antriebsbereich 270 in Form einer koaxial ausgebildeten Welle vorgesehen. Der Antriebsbereich ist vorzugsweise einstückig mit dem Boden 573 ausgebildet.
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Die umlaufende Wandung 574 des Aufnahmeelements 571 weist einen Außendurchmesser auf, der dem Innendurchmesser des Lagers 240 entspricht, sodass hierdurch eine radiale Zentrierung des Aufnahmeelements 571 erfolgt.
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Auf dem Flanschbereich 572 des Aufnahmeelements 571 stützt sich ein Tellerfederelement 555 ab, welches eine im axialen Längsschnitt im Wesentlichen doppelt topfförmige Struktur aufweist. Das Tellerfederelement 555 weist ein im Wesentlichen starres, ringförmiges Auflageteil 552 auf, welches sich auf dem Flanschbereich 572 des Aufnahmeelements 571 abstützt. Der Flanschbereich 572 kann hierzu an seiner dem Stator zugewandten Oberseite eine Schulter aufweisen, auf der sich das Auflageteil 552 abstützt, wobei die Geometrie des Auflageteils 552 so gewählt ist, dass sie mit einer geeignet gewählten, vorzugsweise komplementären Geometrie der Schulter des Flanschbereichs 572 so zusammenwirkt, dass das Auflageteil 552 in radialer Richtung zentriert und fixiert gehalten ist.
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Das Auflageteil 552 ist über eine umlaufende Wandung 551, die sich in im Wesentlichen axialer Richtung erstreckt, mit einem Tellerfederbereich 550 des Tellerfederelements 555 verbunden. Der Tellerfederbereich kann, abgesehen von seiner Verbindung mit der umlaufenden Wandung 551 an seinem äußeren Rand und der Verbindung mit einer weiteren, sich im Wesentlichen axial erstreckenden umlaufenden Wandung 553 an seinem inneren Rand, wie eine zuvor erläuterte separate Tellerfeder 250 ausgebildet sein.
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Die weitere umlaufende Wandung 553 ist an ihrem unteren, von dem Stator abgewandten Ende mit einem Bodenteil 554 verbunden, welches im Wesentlichen eben ausgebildet sein kann.
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Da sich die umlaufenden Wandungen 551 bzw. 553 jeweils in axialer Richtung vom Stator weg erstrecken, werden diese von der vom Tellerfederbereich 550 auf den Stator 202 zu übertragenden Anpresskraft im Wesentlichen auf Zug beansprucht.
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Selbstverständlich kann anstelle jeweils einer umlaufenden Wandung 551, 553 auch eine Anzahl von über den Umfang verteilten Wandungen vorgesehen sein. Jede der einzelnen Wandungen kann sich dabei über einen vorgesehenen Umfangsbereich erstrecken. Die umlaufende Wandung 551, 553 bzw. die mehreren einzelnen Wandungen sind jeweils so ausgebildet und vorgesehen, dass sich eine ausreichende Zentrierwirkung für den Tellerfederbereich 550 bzw. das Bodenteil 554 in radialer Richtung (bzw. in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse A) ergibt. Mit anderen Worten, die Wandungen sind so ausgebildet bzw. vorgesehen, dass eine translatorische Bewegung des Bodenteils 554 und/oder des Tellerfederbereichs 550 (d. h. eine Verschiebebewegung in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse A) blockiert ist bzw. das Tellerfederelement 555 in dieser Ebene eine ausreichend große Steifigkeit aufweist, um die Zentrierwirkung zu gewährleisten.
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Dagegen sind die Wandungen 551 und 553 vorzugsweise so ausgebildet und dimensioniert, dass radiale Bewegungen des äußeren bzw. inneren Randes des Tellerfederbereichs 550 durch eine entsprechende Biegung der Wandungen 551, 553 ermöglicht werden, ohne dass die dabei durch die Wandungen erzeugten radialen Rückstellkräfte eine wesentliche Änderung der Federcharakteristik des Tellerfederbereichs 550 bewirken. Auch können keinerlei Reibkräfte zwischen dem Tellerfederbereich 550 und daran angrenzenden Elementen entstehen, die zu einem Hystereseverhalten des Federelements führen würden.
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Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass bei der Gestaltung des Tellerfederbereichs 550 nicht mehr darauf geachtet werden muss, dass der Innendurchmesser bzw. der Außendurchmesser bei Stülpbewegungen des Tellerfederbereichs 550 konstant bleibt.
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Auf dem Bodenteil 554 des Tellerfederelements 555 ist wiederum ein Koppelelement 220 (vorzugsweise zentrisch bzw. koaxial) angeordnet, welches, wie auch bei der Ausführungsform nach 1, den Rotor 210 in der zur Rotationsachse A senkrechten Ebene relativ zum Stator 202 zentriert trägt. Der Rotor 210 ist wiederum über Stifte 221 drehfest, jedoch lösbar mit dem Koppelelement 220 verbunden.
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Die Verbindung des Koppelelements 220 mit dem Bodenteil 554 kann lösbar oder fest erfolgen. Auch kann das Koppelelement 220 einstückig mit dem Bodenteil 554 ausgebildet sein. Das Koppelelement 220 muss in jedem Fall so dimensioniert sein, dass eine Biegebewegung der Wandung 553 nicht blockiert wird.
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Auf das in 2 dargestellte Koppelelement 220 kann auch gänzlich verzichtet werden, wenn im Bodenteil 554 Vorkehrungen zur drehfesten Aufnahme des Rotors 210 vorgesehen sind.
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Durch die Ausbildung des Tellerfederelements 555, welches in 4 nochmals in perspektivischer Ansicht dargestellt ist, wird eine äußerst kompakte Bauform des Schaltventils 500 in axialer Richtung ermöglicht. Die Wandungen 551, 553 fungieren als Festkörpergelenke und ermöglichen das Einfedern der Tellerfeder, auch wenn die betreffende Stülpbewegung der Tellerfeder zu einer Änderung des Außendurchmessers bzw. Innendurchmessers (in einer Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse A) führen kann (siehe Erläuterung zu 6). Dies gilt auch für eine unsymmetrische Belastung des Tellerfederbereichs 550, wenn Taumelbewegungen des Rotors 210 erfolgen. Sowohl die Ausführungsform nach 1 als auch die Ausführungsform nach 2 zeigen ein Schaltventil 200, 500, welches aus einer sehr geringen Anzahl von einzelnen Komponenten besteht und daher einfach und schnell montierbar ist.
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Da die Komponenten, einschließlich der Federeinheit 255, insbesondere einer Tellerfeder 250 oder eines Tellerfederelements 555 aus temperaturbeständigen Werkstoffen, wie beispielsweise Stahl (insbesondere Edelstahl) gefertigt werden können, ergibt sich auch eine hervorragende Temperaturbeständigkeit des Schaltventils. Gleichzeitig wird eine hohe Lebensdauer erreicht.
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Abschließend sei kurz eine vorteilhafte Dimensionierung einer Federeinheit nach der Erfindung, insbesondere einer Tellerfeder 250 oder eines Tellerfederelements 555, anhand des in 5 dargestellten Diagramms erläutert.
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Die horizontale Achse des Diagramms in 5 zeigt den auf den maximalen Federweg ho einer Tellerfeder bzw. eines Tellerfederbereichs normierten Federweg s bei einem (symmetrischen) Zusammendrücken der Tellerfeder (Stülpbewegung) in axialer Richtung. Die vertikale Achse zeigt die Federkraft F, normiert auf die bei dem maximalen Federweg ho erreichte Federkraft Fc, wobei die Federkraft F der Anpresskraft zwischen Rotor und Stator entspricht.
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Der Parameter der einzelnen Kurven ist der maximale Federweg ho bezogen auf die Materialstärke oder Dicke t der Tellerfeder bzw. des Tellerfederbereichs.
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Wie aus 5 ersichtlich, weisen Tellerfedern mit einer großen Wandstärke t einen annähernd linearen Verlauf der Federcharakteristik auf. Mit abnehmender Materialstärke wird der Verlauf immer nichtlinearer, wobei oberhalb eines Wertes von ca. ho/t = √2 sogar ein Extremum durchlaufen wird, in welchem die differentielle Federkonstante (Tangente an den Kurvenverlauf) gleich Null ist.
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Da es für das Schaltventil von Vorteil ist, wenn bei der Montage im Arbeitspunkt möglichst genau eine definierte, vorbestimmte Anpresskraft erzeugt wird, bietet es sich an, die Federcharakteristik so zu bestimmen, dass im Arbeitspunkt (und dessen unmittelbarer Umgebung) ein möglichst horizontaler Verlauf gegeben ist. Es bietet sich an, Tellerfedern einzusetzen, die so dimensioniert sind, dass sie im Arbeitspunkt, der im montierten Zustand des Schaltventils erreicht ist, in welchem die wenigstens eine Tellerfeder vorgespannt ist, einen möglichst flachen Verlauf zeigen. Hierdurch wird erreicht, dass Montagetoleranzen nur zu geringen Änderungen der Anpresskraft zwischen Rotor 210 und Stator 202 führen.
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Gleiches gilt auch für das Direktionsmoment der Tellerfeder im Arbeitspunkt. Es hat sich gezeigt, dass bei der vorstehend erläuterten Dimensionierung der Tellerfeder auch das Direktionsmoment so klein ist oder durch eine geeignete Auslegung der Tellerfeder so klein gemacht werden kann, dass unsymmetrische Federbewegungen (d. h. eine der durch ein Verkippen der Unterseite des Stators erzeugte Federbewegung) zu einem relativ geringen Direktionsmoment führen.
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Es ist insbesondere vorteilhaft, die Tellerfeder bzw. die Federeinheit so zu dimensionieren, dass bei Erreichen des maximalen Federwegs ho die Federcharakteristik im Wesentlichen horizontal verläuft. Wird der Arbeitspunkt so gewählt, dass er kurz vor (oder ggf. nach) Erreichen des maximalen Federwegs liegt (und einen ausreichenden Abstand aufweist, um symmetrische oder asymmetrische Federbewegungen für die Taumelbewegung des Rotors zu ermöglichen), so ergibt sich hierbei eine große Toleranz gegenüber Montage- oder Herstellungstoleranzen und gleichzeitig das gewünschte kleine Direktionsmoment.
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Abschließend sei darauf hingewiesen, dass diese grundsätzliche Dimensionierungsvorschrift nicht nur für die vorbeschriebenen konkreten Ausführungsbeispiele unter Verwendung von Tellerfedern oder Tellerfederbereichen gilt, sondern grundsätzlich für jede Art von Federeinheit, die eine Gestaltung der Federcharakteristik in der vorbeschriebenen Art und Weise zulässt.
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Bezugszeichenliste
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- 200
- Schaltventil
- 201
- Ausnehmung
- 202
- Stator
- 203
- Fortsatz
- 204
- Rotor-Stirnfläche
- 210
- Rotor
- 211
- Nut
- 220
- Koppelelement
- 221
- Stift
- 222
- Vorsprung
- 224
- Stator-Stirnfläche
- 230
- Lager- und Anpresseinrichtung
- 240
- Lager
- 250
- Tellerfeder
- 255
- Federeinheit
- 260
- Gehäuse
- 270
- Antriebsbereich
- 271
- Aufnahmeelement
- 272
- Vorsprung
- 500
- Schaltventil
- 550
- Tellerfederbereich
- 551
- Wandung
- 552
- Auflageteil
- 553
- Wandung
- 554
- Bodenteil
- 555
- Tellerfederelement
- 571
- Aufnahmeelement
- 572
- Flanschbereich
- 573
- Boden
- 574
- Wandung
- A
- Rotationsachse
