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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil mit einer Schaltanordnung, umfassend einen Ventilsitz und einen Ventilkörper, welcher relativ zum Ventilsitz um oder/und längs einer eine axiale Richtung, eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung definierenden Schaltachse beweglich ist, wobei eine zum Ventilsitz hinweisende Körperwand des Ventilkörpers unabhängig von der Betriebsstellung von Ventilsitz und Ventilkörper relativ zueinander mit einer zum Ventilkörper hinweisenden Sitzwand des Ventilsitzes in Anlageeingriff steht, wobei die Schaltanordnung strömungsmechanisch zwischen wenigstens einer ersten Fluidleitung und wenigstens einer zweiten Fluidleitung angeordnet ist, wobei ein Bauteil aus Ventilsitz und Ventilkörper wenigstens eine erste Durchströmungsöffnung aufweist, welche mit der wenigstens einen ersten Fluidleitung zur gemeinsamen Durchströmung gekoppelt ist, und eine zweite Durchströmungsöffnung aufweist, welche mit der wenigstens einen zweiten Fluidleitung zur gemeinsamen Durchströmung gekoppelt ist, und wobei das jeweils andere Bauteil aus Ventilkörper und Ventilsitz einen Verbindungskanal aufweist, mittels welchem abhängig von einer durch Relativbewegung zwischen Ventilkörper und Ventilsitz herstellbaren Betriebsstellung eine Strömungsverbindung zwischen der wenigstens einen ersten und der wenigstens einen zweiten Durchströmungsöffnung veränderbar ist. Derartige Ventile sind im Stand der Technik insbesondere für die Anwendung in einem Spritzenantrieb oder allgemein in einer Pipettiervorrichtung vorgesehen, um Fluidströme zu leiten und zu verteilen.
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Im Stand der Technik bekannt sind die als sogenannte "Rotationsscheibenventile" bezeichneten Ventile der Anmelderin, wie sie etwa von der Konzerngruppe der Anmelderin unter der Produktbezeichnung "HV", gegebenenfalls unter Hinzunahme von weiterführenden Bezeichnungen wie "P", "X", "M", "XM", "I", "XI" und "C", am Markt angeboten und vertrieben werden.
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Diese bekannten Ventile weisen in der Regel einen Ventilsitz auf, welcher gleichzeitig als Ventilgehäuse dient und in welchen ein Ventilkörper – in der Regel ausgestaltet als Rotationsscheibe – um eine Schaltachse drehbar aufgenommen ist.
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Die Ausnehmung, in welcher der Ventilkörper des bekannten Ventils drehbar aufgenommen ist, ist in der Regel entweder zylindrisch oder zur Erleichterung der Montage konisch mit jedoch einem sehr kleinen Neigungswinkel der Konusfläche. Die Zylinder- bzw. Konusachse der Ausnehmung ist gleichzeitig die oben genannte Schaltachse.
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Weiter wird in der Regel eine Seitenwandung des Ventilsitzes von mehreren Durchströmungsöffnungen durchsetzt, von welchen zwei oder mehr durch Auswahl einer Relativstellung von Ventilsitz und Ventilkörper durch Drehung des Ventilkörpers um die Schaltachse miteinander in Strömungsverbindung gesetzt werden.
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Bei den genannten bekannten Ventilen weist in der Regel der relativ zum Ventilsitz bewegliche Ventilkörper den Verbindungskanal auf, welcher je nach Betriebsstellung des Ventilkörpers relativ zum Ventilsitz eine Strömungsverbindung zwischen zwei oder mehr der Durchströmungsöffnungen herstellt.
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Die aufeinander zuweisenden und sich betriebsmäßig in Anlage aneinander befindlichen Wände der genannten Ventilbauteile, das sind also die nach radial innen weisende Sitzwand des Ventilsitzes und die nach radial außen weisende Körperwand des Ventilkörpers, dichten durch ihre flächige Anlage aneinander die in den einzelnen Relativbetriebsstellungen wie oben beschrieben hergestellten Strömungsverbindungen gegen eine unerwünschte Leckage von Fluid zur Außenumgebung des Ventils hin ab.
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Um diese Abdichtung sicher zu erreichen, müssen die Bauteile: Ventilsitz und Ventilkörper mit relativ großer Flächenpressung aneinander angedrückt werden, was im Stand der Technik durch Übermaße der beteiligten Bauteile relativ zueinander oder/und durch entsprechend hohe Montagekräfte realisiert wird. Die Folge davon sind hohe Stellkräfte, die zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Ventilkörper und Ventilsitz notwendig sind. Dementsprechend hohe Motormomente werden benötigt, was zu unerwünscht hohem Bauraumbedarf der Ventilantriebsmotoren führt, da insbesondere bei Elektromotoren das Motorbauraumvolumen proportional zum gelieferten Motormoment ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ventil der eingangs genannten Art, insbesondere ein zur Anwendung in einem Spritzenantrieb oder allgemein in einer Pipettiervorrichtung ausgebildetes Ventil, derart weiterzubilden, dass es mit – verglichen mit dem Stand der Technik – niedrigeren Antriebskräften und damit weniger Bauraum beanspruchenden Motoren betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein gattungsgemäßes Ventil, wie es eingangs beschrieben ist, bei welchem das Ventil eine Spanneinrichtung umfasst, welche die Körperwand mit einer in radialer Richtung auf die Sitzwand zu wirkenden Spannkraft beaufschlagt.
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Erfindungsgemäß ist also eine gesondert vom Ventilsitz ausgebildete Spanneinrichtung vorgesehen, mit welcher die Körperwand gegen die Sitzwand angedrückt werden kann. Dadurch lassen sich die Anpresskraft, mit welcher die Körperwand und Sitzwand gegeneinander gedrückt werden, exakt einstellen und unnötige Reibung vermeiden. Somit kann ein Ventilantrieb benutzt werden, welcher nur die tatsächlich benötigte Stellkraft aufbringen muss, die notwendig ist, um die Reibung zu überwinden, die aus der Herstellung der Dichtigkeit zwischen den aneinander anliegenden Flächen tatsächlich benötigt wird.
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Vorzugsweise ist die Spanneinrichtung auch gesondert von dem Ventilkörper ausgebildet und bildet somit bevorzugt eine dritte Bauanordnung in dem Ventil, neben Ventilsitz und Ventilkörper. Selbstverständlich kann das Ventil noch weitere Bauanordnungen aufweisen, wie etwa die Fluidleitungen und ihre Anschlüsse, ein Ventilgehäuse, eine oder mehrere Halterungen, einen Antrieb und dergleichen mehr.
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Es sei an dieser Stelle klargestellt, dass mit der eingangs bezeichneten Schaltachse lediglich eine virtuelle theoretische Achse bezeichnet ist, die als Bezugssystem eines Koordinatensystems zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Ventils dient. Ventilsitz und Ventilkörper sind um oder/und längs der Schaltachse relativ zueinander beweglich, wobei die virtuelle Schaltachse eine axiale Richtung und orthogonal hierzu eine von der Schaltachse weg weisende radiale Richtung definiert. Eine Umfangsrichtung ist eine Richtung um die Schaltachse herum.
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Zur möglichst homogenen Krafteinleitung ausgehend von der Spanneinrichtung in die weiter beteiligten Bauteile: Ventilsitz und Ventilkörper, ist es bevorzugt, dass die Spanneinrichtung die Schaltachse umgebend ausgebildet ist. Sofern dies baulich möglich ist, ist es bevorzugt, wenn die Spanneinrichtung die Schaltachse in Umfangsrichtung vollständig umgibt, um in Umfangsrichtung um die Schaltachse herum möglichst keine Kraftwirkungsschwankungen der die Körperwand und die Sitzwand in radialer Richtung aufeinander zuspannenden Spannkraft hervorzurufen. Hierdurch wird eine möglichst gleichmäßige Abdichtung des Spaltraums zwischen Ventilkörper und Ventilsitz erreicht.
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Die Spanneinrichtung kann zur Erzeugung der Spannkraft in Umfangsrichtung eine Mehrzahl von Federformationen aufweisen, wobei mit Erhöhung der Anzahl an Federformationen in Umfangsrichtung nachvollziehbarerweise eine Homogenisierung der Spannkraftwirkung in Umfangsrichtung einhergeht. Zur Erzeugung möglichst gleicher lokaler Spannkraftkomponenten sind die einzelnen Federformationen vorzugsweise gleich ausgebildet. Die Spanneinrichtung kann beispielsweise in Umfangsrichtung in eine Mehrzahl gleicher Sektoren unterteilt gedacht werden, wobei jeder Sektor eine Federformation aufweisen kann. Beispielsweise kann die Spanneinrichtung in Umfangsrichtung sechs, sieben, bevorzugt acht, oder auch mehr als acht Sektoren aufweisen. Bevorzugt sind die Sektoren derart einander gleichend ausgebildet, dass ein Sektor durch Rotation um die Schaltachse in Umfangsrichtung in einen anderen Sektor überführbar ist. Bei n Sektoren in Umfangsrichtung wiederholt sich somit vorzugsweise ein Federformationsmuster der Spanneinrichtung in Umfangsrichtung n mal.
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Um unabhängig von der Betriebsstellung von Ventilkörper und Ventilsitz relativ zueinander eine möglichst einheitliche, über die Zeit gleichförmige Spannkraft bereitstellen zu können, kann überdies vorgesehen sein, dass die Spanneinrichtung zur gemeinsamen Relativbewegung mit dem Ventilkörper relativ zum Ventilsitz ausgebildet ist.
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Grundsätzlich kann daran gedacht sein, die Spanneinrichtung einstückig auszubilden. Es kann jedoch zur Erleichterung der Montage und auch zur Bereitstellung möglichst gleichförmiger Spannwirkung auch in axialer Richtung daran gedacht sein, die Spanneinrichtung in axialer Richtung aus einer Mehrzahl von Teil-Spanneinrichtungen zu bilden. Daher kann die Spanneinrichtung eine Mehrzahl von in axialer Richtung aufeinanderfolgenden Teil-Spanneinrichtungen umfassen. Wiederum sind die Teil-Spanneinrichtungen bevorzugt gleich ausgebildet, d.h. die Spanneinrichtung umfasst bevorzugt eine Mehrzahl von in axialer Richtung aufeinanderfolgenden gleichen Teil-Spanneinrichtungen.
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Grundsätzlich kann daran gedacht sein, dass die Spanneinrichtung oder wenigstens eine ihrer Teil-Spanneinrichtungen selbst wiederum aus mehreren Bauteilen zusammengefügt ist, beispielsweise aus einem Spannmittelträger und einem Spannmittel. Aus Gründen einfacher Montage ist jedoch bevorzugt, wenn die Spanneinrichtung oder wenn die Teil-Spanneinrichtungen derselben einstückig ausgebildet ist bzw. sind.
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Da der Verbindungskanal in der Regel durch Relativbewegung von Ventilsitz und Ventilkörper mit unterschiedlichen Durchströmungsöffnungen zur Herstellung einer Strömungsverbindung ausgerichtet wird, ist es zur Erzielung einer möglichst guten Abdichtung des Übergangs von Durchströmungsöffnung und Verbindungskanal vorteilhaft, wenn sich Spanneinrichtung in axialer Richtung über einen Bereich erstreckt, in welchem der Verbindungskanal gelegen ist, vorzugsweise vollständig gelegen ist, wobei bevorzugt in dem axialen Erstreckungsbereich der Spanneinrichtung auch wenigstens eine Durchströmungsöffnung gelegen ist, besonders bevorzugt alle Durchströmungsöffnungen gelegen sind.
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Die Körperwand und die Sitzwand können eine sich längs der Schaltachse erstreckende prismatische Gestalt aufweisen. Dann wird allerdings eine Relativbewegung zwischen Ventilkörper und Ventilsitz nur längs der Schaltachse möglich sein, die dann gleichzeitig Prismenachse von Ventilkörper oder/und Ventilsitz ist.
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Bevorzugt weisen die Körperwand und die Sitzwand jeweils eine zylindrische Gestalt auf, wobei die eine eine nach radial innen, also zur Schaltachse hin, weisende zylindrische Außenfläche aufweist und die jeweils andere eine nach radial außen weisende zylindrische Außenfläche aufweist. In diesem Fall kann tatsächlich eine Relativbewegung zwischen Ventilkörper und Ventilsitz um die Schaltachse erfolgen, die dann gleichzeitig Zylinderachse der Körperwand und der Sitzwand ist, und kann alternativ oder zusätzlich eine Relativbewegung auch längs der Schaltachse erfolgen.
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Ein radial sehr kompakt ausgebildetes Ventil kann dadurch erhalten werden, dass der Ventilsitz radial innerhalb der Sitzwand einen Hohlraum aufweist, in dem ein die Körperwand aufweisender Abschnitt des Ventilkörpers und die Spanneinrichtung aufgenommen sind. In diesem Fall können also sowohl der die Körperwand aufweisende Abschnitt des Ventilkörpers mit dem darin ausgebildeten Verbindungskanal, wie auch die Spanneinrichtung radial innerhalb des Ventilsitzes angeordnet sein, sodass der vom Ventilsitz eingenommene Bauraum für den Bauraumbedarf des gesamten Ventils bestimmend sein kann.
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Ebenso kann alternativ ein kompakt aufgebautes Ventil erhalten werden, wenn in einem radial innerhalb der Sitzwand ausgebildeten Hohlraum des Ventilsitzes ein Abschnitt sowohl der wenigstens einen ersten wie auch der wenigstens einen zweiten Fluidleitung aufgenommen ist. In diesem Falle können die Fluidleitungen vorteilhafterweise kompakt radial innerhalb der Sitzwand verlaufen. Vorzugsweise sind dann alle Fluidleitungen mit ihrem Anschlussende, mit welchem sie an das Ventil angeschlossen sind, radial innerhalb des Ventilsitzes angeordnet.
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Im Falle der radial innerhalb des Ventilsitzes verlaufenden Fluidleitungen ist es vorteilhaft, wenn der die Körperwand aufweisende Abschnitt des Ventilkörpers radial außerhalb des Ventilsitzes angeordnet ist, und wenn die Spanneinrichtung weiter radial außerhalb des die Körperwand aufweisenden Ventilkörperabschnitts ausgebildet ist, wobei bevorzugt die Spanneinrichtung diesen Ventilkörperabschnitt umgibt. Die Spanneinrichtung, der Ventilkörper und der Ventilsitz können dann radial außen von einem Ventilgehäuse umgeben sein, an dem sich die Spanneinrichtung als Kraftwiderlager abstützen kann.
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Ebenso ist es dann, wenn der die Körperwand aufweisende Abschnitt des Ventilkörpers und die Spanneinrichtung radial innerhalb des Ventilsitzes angeordnet sind, vorteilhaft, wenn die wenigstens eine erste und die wenigstens eine zweite Fluidleitung radial außerhalb des Ventilsitzes ausgebildet sind.
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In diesem Falle bedeutet radial außerhalb des Ventilsitzes radial außerhalb eines die Sitzwand aufweisenden Ventilsitzabschnitts.
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Unabhängig von der Anordnung des die Körperwand aufweisenden Abschnitts des Ventilkörpers radial innerhalb oder radial außerhalb des die Sitzwand aufweisenden Abschnitts des Ventilsitzes ist es bevorzugt, wenn die wenigstens zwei Durchströmungsöffnungen im Ventilsitz und der wenigstens eine Verbindungskanal im Ventilkörper ausgebildet ist, da der Ventilsitz in der Regel radial dünn ausgebildet ist, und somit wenig Material zur Ausbildung eines Verbindungskanals zur Verfügung stellt. Ist ein Ventilgehäuse vorhanden, ist der Ventilsitz bevorzugt gehäusefest.
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Eine besonders große Anzahl an Fluidleitungen können von dem hier diskutierten erfindungsgemäßen Ventil dann zur Herstellung oder zur Abschaltung einer Strömungsverbindung geschaltet werden, wenn der Ventilkörper im Ventil relativ zum Ventilsitz zu einer Schraubbewegung mit der Schaltachse als Schraubachse geführt ist.
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Deshalb ist es grundsätzlich vorteilhaft, wenn das Ventil einen Antrieb mit einer drehbaren Antriebswelle aufweist, welche mit dem Ventilkörper über ein Antriebsgewinde mit vorgegebener Antriebsgewindesteigung gekoppelt ist. Ein derartiger Drehantrieb ist beispielsweise als elektrischer Antrieb mit geringen Bauraumabmessungen und vergleichsweise hoher Leistungsdichte kostengünstig am Markt erhältlich. Mit der drehbaren Antriebswelle kann entweder eine Relativbewegung von Ventilkörper und Ventilsitz nur um die Schaltachse bereitgestellt werden, oder durch entsprechende Übersetzung, etwa über einen Spindeltrieb, eine Relativbewegung nur längs der Schaltachse realisiert werden oder kann die oben genannte Schraubbewegung als kombinierte axiale und in Umfangsrichtung verlaufende Relativbewegung zwischen Ventilkörper und Ventilsitz erreicht werden. Ist ein Ventilgehäuse vorhanden, ist der Antrieb mit Ausnahme der Antriebswelle gehäusefest.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung, für welche die Anmelderin im Zusammenhang mit den Merkmalen des gattungsgemäßen Ventils sowie den zuvor genannten Merkmalen der Relativ-Schraubbewegung und dem Antrieb mit drehbarer Antriebswelle gesonderten Schutz anstrebt, wird die eingangs genannte Aufgabe auch dadurch gelöst, dass der Ventilkörper mit dem Ventilsitz oder einem relativ zum Ventilsitz festgelegten Bauteil zur Relativbewegung über ein Stellgewinde gekoppelt ist, dessen Stellgewindesteigung größer ist als die Antriebsgewindesteigung.
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Mit dem Antriebsgewinde und dem Stellgewinde unter Berücksichtigung der genannten Steigungsbedingung, gemäß welcher die Stellgewindesteigung größer als die Antriebsgewindesteigung ist, kann nämlich ein Gewindegetriebe mit hoher Drehmomentenübersetzung geschaffen werden, sodass das Antriebsmoment eines verhältnismäßig kleinen Antriebsmotors stark übersetzt werden kann und somit auch ein kleiner Motor zur Überwindung großer Reibungskräfte im Ventil ausreichend ist.
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Bevorzugt ist das Antriebsgewinde ein Feingewinde oder/und ist das Stellgewinde Teil eines Kugelgewindetriebs.
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Um die zum Aufbau des hier diskutierten Ventils benötigte Anzahl an Bauteilen gering zu halten, sind vorzugsweise das Stellgewinde und ein mit dem Antriebsgewinde der Antriebswelle wechselwirkendes Antriebsgegengewinde an ein und demselben Bauteil realisiert, also etwa an einer Gewindemutter, welche von der Antriebswelle des Antriebs durchsetzt sein kann und somit radial innen das Antriebsgegengewinde und radial außen das Stellgewinde aufweisen kann.
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Daher sind Antriebsgewinde, insbesondere das Antriebsgegengewinde des mit der Antriebswelle zusammenwirkenden Bauteils, und das Stellgewinde kollinear, bevorzugt koaxial vorgesehen, um das Ventil radial und axial mit möglichst geringen Bauraumabmessungen realisieren zu können.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann das Ventil ein Gehäuse aufweisen, an dem die Kugeln für den Kugelgewindetrieb des Stellgewindes gehaltert sein können, und an dem sich die Spanneinrichtung als Kraftwiderlager abstützen kann.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Gewindespindelmuttern ist die Spindelmutter im Gewindegetriebe des bevorzugten Ventilantriebs nicht ausschließlich zur Axialbewegung am Ventilgehäuse geführt, sondern durch das Stellgetriebe zu einer wendelförmigen Bewegung. Wenn also die Antriebswelle in Drehung versetzt wird, zwingt die Relativbewegung zwischen Antriebsgewinde und Antriebsgegengewinde durch die Zwangsführung des Stellgetriebes die Spindelmutter zu einer wendelförmigen Bewegung, deren Bewegungscharakteristik durch die Gewindesteigung des Stellgetriebes maßgeblich bestimmt ist. Der mit der Spindelmutter zur gemeinsamen Bewegung gekoppelte Ventilkörper kann somit ebenfalls auf eine wendelförmige Bahn relativ zum Gehäuse angetrieben werden. Dann, wenn – wie vorliegend bevorzugt – der Ventilsitz ventilgehäusefest ausgebildet ist, kommt es zu einer wendelförmigen Relativbewegung zwischen Ventilkörper und Ventilsitz bei gleichzeitiger Drehmomentüber- und Bewegungsweguntersetzung.
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Fest mit dem relativ zum Ventilgehäuse beweglichen Ventilteil, also in der Regel mit dem Ventilkörper, kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung eine Positionserfassungsvorrichtung im Ventil vorgesehen sein, beispielsweise bauraumsparend in optischer Form, umfassend eine Lichtquelle, eine Loch- oder Schlitzblende und einen lichtempfindlichen Sensor. Bevorzugt ist die Blende zur gemeinsamen Bewegung mit dem Ventilkörper relativ zu einem Ventilgehäuse beweglich ausgebildet und weiter bevorzugt ist die Blende zwischen Lichtquelle und lichtempfindlichem Sensor angeordnet. Die Positionserfassungsvorrichtung kann mehrere Lichtquellen und mehrere lichtempfindliche Sensoren aufweisen, die jeweils einer Lichtquelle zugeordnet sein können.
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Um zu ermöglichen, dass eine Durchströmungsöffnung oder mehrere Durchströmungsöffnungen mit jeweils ein und derselben Durchströmungsöffnung in Strömungsverbindung bringbar sind, kann an dem Ventilkörper oder/und dem Ventilsitz gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung eine Nut vorgesehen sein, mit welcher die eine Durchströmöffnung, die stets in Strömungsverbindung sein soll, unabhängig von der Relativstellung von Ventilkörper und Ventilsitz mit dem Verbindungskanal im jeweils anderen Bauteil kommuniziert. Die Nut ist dabei in ihrem Nutverlauf eine Trajektorie eines der Nut unmittelbar gegenüberliegenden Punktes des jeweils anderen Ventilbauteils aus Ventilkörper und Ventilsitz, die dieser Punkt relativ zu dem die Nut tragenden Bauteil bei Relativbewegung von Ventilkörper und Ventilsitz durchläuft. Bei der oben genannten bevorzugten wendelförmigen Relativbewegung ist daher die Nut vorzugsweise wendelförmig in der Sitzwand oder/und in der Körperwand als nutförmige Vertiefung ausgebildet.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform mit wendelförmiger Relativbeweglichkeit von Ventilkörper und Ventilsitz sind die Durchströmungsöffnungen, welche mittels des Verbindungskanals mit der oder den in der oben genannten Nut mündenden Durchströmungsöffnung verbindbar sein sollen, vorzugsweise axial äquidistant zu der Nut angeordnet, d.h. eine Mehrzahl von Durchströmungsöffnungen befindet sich ebenfalls auf einer Wendellinie an der Wandfläche des die Durchströmungsöffnung tragenden Ventilbauteils aus Ventilkörper und Ventilsitz. Vorzugsweise verläuft daher der Verbindungskanal in dem ihn jeweils tragenden Ventilbauteil mit seiner Verlaufsabmessung im Wesentlichen in axialer Richtung.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:
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1 eine perspektivische Längsteilschnittansicht durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils,
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2 eine perspektivische Längsschnittansicht durch das Ventil von 2, jedoch ohne Antrieb,
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3 eine Querschnittansicht durch die erste Ausführungsform in einer zur Schaltachse orthogonalen Schnittebene, welche zwischen zwei Teil-Spanneinrichtungen verläuft,
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4 eine perspektivische Teilschnittansicht der Ausführungsform von 1 und
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5 eine perspektivische Teilschnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils.
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In den 1 bis 4 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils jeweils mit 10 bezeichnet.
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Das Ventil weist in der Regel, zumindest im dargestellten Beispiel, ein Ventilgehäuse 12 auf, welches als mehrteiliges Ventilgehäuse 12 unter anderem eine rohrförmige Hülle 14 und einen die rohrförmige Hülle einenends bedeckenden Deckel 16 aufweisen kann. Wie in 2 dargestellt ist, kann der Deckel 16 mit der rohrförmigen Hülle 14 verschraubt sein (siehe Schraube 18) oder kann alternativ oder zusätzlich mit der Hülle verklebt, verlötet, verschweißt oder sonst wie an dieser befestigt sein.
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An dem Gehäuse 12 relativ zu diesem unbeweglich ist ein Ventilsitz 20 vorgesehen, welcher im dargestellten Beispiel als im Wesentlichen zylindrisches Bauteil mit bezüglich der Zylinderachse Z radial nach außen weisender Sitzwand 20a ausgebildet ist.
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Wie insbesondere in 2 gut zu erkennen ist, ist der Ventilsitz 20 bevorzugt innen hohl, sodass eine Mehrzahl von Fluidleitungen 22 in einen den Ventilsitz 20 umgebenen Raum 21 hinein bzw. aus diesem hinaus verlaufen können.
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Dabei seien die zuführenden, also Fluid zum Ventil 10 hinleitende Fluidleitungen mit 22a bezeichnet und die abführende, also Fluid von dem Ventil 10 wegleitende Fluidleitung mit 22b bezeichnet.
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Wie in 2 dargestellt ist, kann der Ventilsitz 20 mit dem Deckel 16 verschraubt (siehe Schraube 24) oder/und verklebt, verlötet, verschweißt oder sonst wie befestigt sein.
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Die Fluidleitungen 22a sind vorliegend nur beispielhaft als zuführende Fluidleitungen bezeichnet. Ebenso kann die Funktionszuordnung umgekehrt sein, d.h. die Fluidleitungen 22a können abführende Fluidleitungen sein und die Fluidleitung 22b eine zuführende Fluidleitung. Es kann auch mehr als eine abführende Fluidleitung vorgesehen sein.
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In der in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsform umgibt ein Ventilkörper 26 den Ventilsitz 20 radial außen derart, dass eine nach radial innen weisende Körperwand 26a flächig an der Sitzwand 20a anliegt. Die Körperwand 26a ist daher ebenfalls im Wesentlichen zylindrisch und hat mit der Stirnwand 20a die Zylinderachse Z gemein.
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Der Ventilkörper 26 ist relativ zum Ventilsitz 20 bewegbar und zwar im dargestellten bevorzugten Beispiel um die mit der Zylinderachse Z zusammenfallende Schaltachse S und längs dieser.
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Die Schaltachse S definiert ein Koordinatensystem mit einer längs der Schaltachse verlaufenden axialen Richtung A, einer zu dieser radialen Richtung R und mit einer Umfangsrichtung U.
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Genauer ist der Ventilkörper 26 relativ zum Ventilsitz 20 längs einer Wendelbahn beweglich, welche durch die weiter unten im Detail geschilderte Antriebskinematik bewirkt wird.
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Die im vorliegenden Beispiel zuführenden Fluidleitungen 22a münden in ersten Durchströmungsöffnungen 28, die abführende Fluidleitung 22b in einer zweiten Durchströmungsöffnung 30, welche axialen Abstand zu den ersten Durchströmungsöffnungen aufweist.
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Im Ventilkörper 26 des beispielhaft dargestellten Ventils 10 ist ein Verbindungskanal 32 ausgebildet, mit welchem im dargestellten Beispiel abhängig von der Relativstellung des Ventilkörpers 26 und des Ventilsitzes 20 zueinander jeweils eine andere erste Durchströmungsöffnung 28 mit der zweiten Durchströmungsöffnung 30 in Strömungsverbindung bringbar ist. Dadurch kann jeweils eine andere zuführende Fluidleitung 22a mit der abführenden Fluidleitung 22b strömungsleitend verbunden werden.
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Da das vorliegend gezeigte Beispiel eine n:1-Verknüpfung von zuführenden Fluidleitungen 22a und abführender Fluidleitung 22b zeigt, ist die zweite Durchströmungsöffnung 30 strömungsmechanisch mit einer Nut 34 gekoppelt, welche die gleiche Steigung aufweist wie die Relativbewegungsbahn von Ventilkörper 26 und Ventilsitz 20 relativ zueinander. Somit bleibt der Verbindungskanal 32 mit seinem einen Ast für einen vorbestimmten Umfangsweg unabhängig von der Relativstellung von Ventilkörper 26 und Ventilsitz 20 in Strömungsverbindung mit der zweiten Durchströmungsöffnung 30, auch wenn diese sich an einer anderen Umfangsposition befindet als die ihr zugeordnete Mündung des Verbindungskanals 32.
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Um eine sichere Anlage der Körperwand 26a und der Sitzwand 20a aneinander und damit eine sichere Dichtungswirkung des zwischen Ventilkörper 26 und Ventilsitz 20 bestehenden Spalts zu gewährleisten, ist radial zwischen dem Ventilkörper 26, zumindest zwischen dem die Körperwand 26a aufweisenden Abschnitt und der rohrförmigen Hülse 14 eine Spanneinrichtung 36 vorgesehen, welche den Ventilkörper 26 radial zum Ventilsitz hin vorspannt, im Falle des Ausführungsbeispiels der 1 bis 4 also nach radial innen. Die Spanneinrichtung 36 ist wenigstens in dem Axialbereich vorgesehen, in dem sich die Durchströmungsöffnungen 28 und 30 befinden, um dort für größtmögliche Dichtigkeit durch Anpressen der Körperwand 26a und der Sitzwand 20a aneinander zu bewirken.
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Die Spanneinrichtung 36 kann in axialer Richtung A eine Mehrzahl von Teilspanneinrichtungen 36a aufweisen, welche im vorliegenden Fall bevorzugt in axialer Richtung A gestapelt angeordnet sind. Die Spanneinrichtung 36 sowie jede Teil-Spanneinrichtung 36a umgeben im dargestellten Ausführungsbeispiel den Ventilsitz 20 und den Ventilkörper 26 radial außen in Umfangsrichtung U um die Schaltachse S vollständig.
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3 zeigt in axialer Draufsicht eine Teil-Spanneinrichtung 36a, die unmittelbar an den Ventilkörper 26 radial außen angrenzt.
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Die Teil-Spanneinrichtung 36a ist in Umfangsrichtung in acht gleiche Segmente 38 unterteilt, von welchen jedes eine Federformation 40 aufweist, die in Anlageeingriff an eine vom Ventilsitz 20 wegweisende Fläche des Ventilkörpers 26 sein kann.
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Vorzugsweise weist wenigstens ein Teil der Segmente 38 bzw. Federformationen 40, vorzugsweise jedes Segment 38, einen Durchgang 42 auf, welcher von einem Befestigungsmittel, etwa einer Schraube 44, durchsetzt sein kann (siehe 1).
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Durch die in Umfangsrichtung U wiederholte gleichartige Ausbildung von Federformationen 40 kann eine in Umfangsrichtung möglichst gleichförmige Radialkraft und damit Vorspannwirkung der Körperwand 26a und der Sitzwand 20a aufeinander zu bewirkt werden.
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Die einzelnen Federformationen 40 können durch Schlitze 46 voneinander getrennt sein, die im ersten Ausführungsbeispiel nach radial innen öffnen, um jeder Federformation 40 eine möglichst individuelle Verformung zu ermöglichen. Die Schlitze 46 verlaufen bevorzugt in radialer Richtung.
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Die Teil-Spanneinrichtung 36a kann aus Metall oder bevorzugt aus Kunststoff hergestellt sein. Sie ist im vorliegenden Beispiel bevorzugt gemeinsam mit dem Ventilkörper 26 beweglich.
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Gemeinsam mit dem Ventilkörper 26 beweglich ist auch ein Rotorfortsatz 48, an welchem zum Antrieb des Ventilkörpers 26 relativ zum Ventilsitz 20 eine Gewindemutterformation 50 ausgebildet ist. Die nachfolgend beschriebene Gewindemutterformation 50 sorgt im Zusammenwirken mit dem Antrieb 52 für die wendelförmige Relativbewegung des Ventilkörpers 26 relativ zum Ventilsitz 20.
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Der elektromotorische Antrieb 52 weist eine Antriebswelle 54 auf, welche bevorzugt mit der Schaltachse S koaxial ist und welche durch den Antriebsmotor 52 in Rotation um die Schaltachse S versetzbar ist. Ein Eingriffsabschnitt 56 der Antriebswelle 54, welche axial in die Gewindemutterformation 50 ragt, ist mit einem im Folgenden als "Antriebsgewinde" 58 bezeichneten Außengewinde versehen, welches mit einem Innengewinde 60 an der Gewindemutterformation 50 in Eingriff ist.
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Wäre die Gewindemutterformation 50 an ihrer Außenfläche zur axialen Bewegung geführt, würde eine Rotation der Antriebswelle 54 aufgrund des Eingriffs von Antriebsgewinde 58 und Antriebsgegengewinde 60 zu einer linearen Bewegung der Gewindemutterformation 50 und aller damit starr verbundenen weiteren Bauteile führen. Die Axialgeschwindigkeit, mit welcher sich die Gewindemutterformation 50 bewegen würde, wäre dabei abhängig von der Drehzahl der Antriebswelle 54 pro Zeiteinheit und der Steigung des Antriebsgewindes 58.
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Nun ist jedoch die Gewindemutterformation 50 und alle mit ihr zur gemeinsamen Bewegung verbundenen Bauteile im Ventilgehäuse 12 nicht zur axialen Bewegung geführt, sondern ist zu einer wendelförmigen Bewegung geführt. Hierzu weist bevorzugt die Gewindemutterformation 50 selbst an ihrer radial äußeren Seite ein Stellgewinde 62 (Außengewinde) auf, welches eine größere Steigung aufweist als das Antriebsgewinde 58. Bevorzugt ist das Antriebsgewinde 58 ein Feingewinde.
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Im vorliegenden Fall ist das Stellgewinde 62 als Kugelspindelgewinde ausgebildet, d.h. in dem die Gewindemutterformation 50 umgebenden Gehäuseabschnitt 64 können Kugelhalterungen 66 vorgesehen sein, welche jeweils eine Kugel fixieren, die in die Gewindenut des Stellgewindes 62 eingreift. Eine Kugel 68 ist beispielhaft den Kugelhalterungen 66 diametral gegenüberliegend dargestellt. In dem Gehäuseteil 64, welcher zumindest den das Stellgewinde 62 aufweisenden Teil der Gewindemutterformation 50 umgibt, kann ein Innengewinde 70 ausgebildet sein, welches als Rollbahn für die Kugel 68 dient. Die Kugel 68 kann dann zwischen den Kugelhalterungen 66 im Bereich zwischen dem Innengewinde 70 und dem Stellgewinde 62 abrollen und so eine Schraubbewegung der Gewindemutterformation 50 führen.
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Die zuletzt vorgestellte Konstruktion, bei welcher die Kugelhalter 66 lediglich den Abrollweg der Kugel 68 zwischen ihnen begrenzen, ist eine Alternative zu der Konstruktion, bei welcher eine Kugel in den Kugelhalterungen 66 festgehalten ist und in die Gewindenut des Stellgewindes 62 einragt.
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Über die gezeigte Kugel 68 hinaus können weitere Kugeln zur Führung des Gewindemutterabschnitts 50 vorgesehen sein.
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Wird nun also die Antriebswelle 54 in Drehung versetzt, wird durch diese Antriebsbewegung die Gewindemutterformation 50 in eine Schraubbewegung versetzt, deren Kinematik durch das Stellgewinde 62 vorgegeben ist. Dabei wird das vom Antrieb 52 gelieferte Drehmoment erhöht, also übersetzt, und die vom Antrieb 52 gelieferte Drehzahl verringert, also untersetzt, sodass an jedem Ort des Antriebsstrangs – bei Vernachlässigung von Reibungseffekten – die gleiche Leistung abgreifbar ist.
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Durch diesen Antrieb mit Gewindegetriebe kann ein relativ bauraumsparender Antrieb 52 mit geringem Nenndrehmoment verwendet werden, mit welchem der mit der Gewindemutterformation 50 zur gemeinsamen Bewegung gekoppelte Ventilkörper 56 zur Schraubbewegung antreibbar ist.
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Mittels eines optischen oder/und kapazitiven Sensorsystems 72 kann in an sich bekannter Weise im Zusammenwirken mit einer Schlitzblende 74 die Position des Ventilkörpers 26 relativ zum Ventilsitz 20 erfasst werden.
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Die Schlitzblende 74 mit in axialer Richtung verlaufenden, das Blendenmaterial radial durchsetzenden Schlitzen ist vorzugsweise einstückig mit der Gewindemutterformation 50 ausgebildet und zur gemeinsamen Bewegung mit dem Ventilkörper 26 gekoppelt.
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In 5 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils gezeigt und mit 110 bezeichnet.
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Gleiche und funktionsgleiche Bauteile bzw. Bauteilabschnitte wie in der ersten Ausführungsform der 1 bis 4 sind in 5 mit gleichen Bezugszeichen versehen, jedoch erhöht um die Zahl 100. Die zweite Ausführungsform wird nachfolgend nur insofern beschrieben werden, als sie sich von der ersten Ausführungsform unterscheidet, auf deren Beschreibung ansonsten auch zur Beschreibung der zweiten Ausführungsform ausdrücklich verwiesen wird.
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Der wesentliche Unterschied zwischen erster und zweiter Ausführungsform besteht darin, dass in der zweiten Ausführungsform der Ventilkörper 126 bezogen auf die Schaltachse S radial innerhalb des Ventilsitzes 120 angeordnet ist. Dementsprechend ist die Spanneinrichtung 136 in der zweiten Ausführungsform radial innerhalb des Ventilkörpers 126 angeordnet und wirkt radial von der Schaltachse S nach außen spannend, um die Körperwand 126 in Anlage an der Sitzwand 120a zu halten.
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Dementsprechend sind die Schlitze 146, welche die Federformationen 140 an den einzelnen Teil-Spanneinrichtungen 136a in Umfangsrichtung voneinander trennen, nicht wie bei der ersten Ausführungsform nach radial innen öffnend, sondern nach radial außen öffnend ausgebildet.
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Die Nut 134 ist in der zweiten Ausführungsform an der nach radial innen weisenden Zylinderfläche des Ventilsitzes 120 ausgebildet, an dem auch die Sitzwand 120a ausgebildet ist.
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Die Fluidleitungen sind in 5 nicht dargestellt, sie setzen jedoch radial außen am Ventilsitz 120 bei den jeweiligen Durchströmungsöffnungen 128 und 130 an. Insofern sind die radialen Lagen von Fluidleitungen einerseits und Ventilkörper 126 sowie Spanneinrichtung 136 andererseits bezogen auf den Ventilsitz 120 bei der zweiten Ausführungsform relativ zur ersten Ausführungsform vertauscht.
