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Integration durch Bezugnahme
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Die folgenden Dokumente sind durch Bezugnahme hierin integriert als wenn sie vollständig zitiert worden wären: U.S. Provisional Application No. 62/007,569, eingereicht am 4. Juni 2014.
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Drehventilmodule, und ins besondere auf Drehventilmodule für Wärme-Management-Systeme zum Leiten von Kühlmittelflüssen in Kraftfahrzeugen ins besondere zum Leiten von Kühlmittelflüssen in Verbindung mit dem Motor und diversen anderen Systemen in Kraftfahrzeugen.
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Hintergrund
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Bei Anwendungen in Kraftfahrzeugen existiert ein Bestreben nach Energieeffizienz. Eine Art, die Effizienz eines Kraftfahrzeugs zu erhöhen, besteht in der Steuerung von Kühlmittelflüssen zu und von der Brennkraftmaschine, so dass der Motor bei einer optimalen Betriebstemperatur betrieben wird. Es ist bislang bekannt, schaltbare Kühlmittelpumpen zu verwenden, so dass der Kühlmittelfluss abgeschaltet ist und der Motor aus einem Kaltstart schneller warm wird. Es ist zwar zusätzlich bekannt, Kühlmittelflüsse mit Hilfe eines Wärme-Management-Moduls mit einem Drehventilkörper zu drosseln, aber die bekannten Ventile von Wärme-Managementmodulen sind lediglich in der Lage, das Kühlmittel auf eine einzige Ausgangstemperatur zu bringen.
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DE 10 2006 055 536 offenbart ein Ventil gemäß dem Stand der Technik, welches in Verbindung mit einem Wärme-Management-System zum Einsatz kommt. Bei dieser Lösung ist ein innerhalb eines Gehäuses angeordnetes Drehventil mit zwei koaxialen Drehventilkörpern vorgesehen. In diesem Fall ist der Eingang in einer axialen Richtung ausgerichtet, und der Kühlmittelfluss wird, je nachdem wo die koaxialen Ventilkörper angeordnet sind, zu einem ersten oder zu einem zweiten Ausgang geleitet, welche separat aus- und eingeschaltet werden können, um den Fluss des Kühlmittels von der Wasserpumpe zu diversen in Verbindung mit dem Motor verwendeten Wärmetauschern, und zu verschiedenen anderen Systemen, wie z. B. zu einem Ölkühler zu leiten. Es existiert jedoch keine Möglichkeit, verschiedene Ausgangstemperaturen aus dieser Vorrichtung zu ermöglichen. Zudem wird für jeden der koaxialen Drehventilkörper ein separater Aktuator benötigt.
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Es wäre wünschenswert, eine Möglichkeit zu schaffen, Kühlmittel mit verschiedenen Temperaturen für verschiedene KFZ-Systeme und Motorkomponenten zur Verfügung zu stellen. Es wäre weiterhin wünschenswert, dieses Ziel auf kostengünstige Weise innerhalb eines minimalen Bauraums zu realisieren.
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Zusammenfassung
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Kurz gesagt, stellt die Erfindung einen Drehventilmodul zur Verfügung, der mit einem eine Durchflusskammer aufweisenden Gehäuse versehen ist. Erste, zweite, dritte und vierte Öffnungen sind mit dem Gehäuse verbunden und stehen in Flüssigkeitsverbindung mit der Durchflusskammer. Ein erster Ventilkörper ist drehbar in der Durchflusskammer angeordnet. Der erste Ventilkörper weist mindestens einen Flüssigkeitspfad auf, der in einer ersten Drehstellung die erste Öffnung und/oder die zweite Öffnung mit der Durchflusskammer verbindet, und in einer zweiten Drehstellung einen Fluss aus der ersten Öffnung und/oder der zweiten Öffnung verhindert. Ein zweiter Ventilkörper ist drehbar in der Durchflusskammer angeordnet. Der zweite Ventilkörper weist mindestens einen Flüssigkeitspfad auf, der in einer ersten Drehstellung des zweiten Ventilkörpers die dritte Öffnung und/oder die vierte Öffnung mit der Durchflusskammer verbindet, und in einer zweiten Drehstellung des zweiten Ventilkörpers einen Fluss aus der dritten Öffnung und/oder der vierten Öffnung verhindert. Ein Aktuator steuert die Stellungen des ersten und des zweiten Ventilkörpers und weist eine Aktuatorwelle auf, die sich axial durch die Ventilkörper erstreckt und drehfest mit dem ersten Ventilkörper verbunden ist, wobei der Aktuator weiterhin ein Planetengetriebe aufweist, um den zweiten Ventilkörper derart anzutreiben, dass eine Bewegung der Aktuatorwelle lediglich zu einer Teilverschiebung des zweiten Ventilkörpers führt. Hierdurch wird eine voneinander unabhängige Positionierung des ersten und des zweiten Ventilkörpers durch die Verwendung eines einzigen mit der Welle verbundenen Aktuators ermöglicht.
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In einer bevorzugten Anordnung weist das Planetengetriebe ein Sonnenrad auf, welches mit der Aktuatorwelle verbunden ist, wobei das Sonnenrad ein gezahntes Segment aufweist, das sich nur über einen Abschnitt dessen Umfangs erstreckt, wobei das Planetengetriebe weiterhin einen mit dem Gehäuse verbundenen Zahnkranz und ein auf dem zweiten Ventilkörper, der mit dem Zahnkranz in Eingriff steht, abgestütztes Planetenrad aufweist. Das Planetenrad befindet sich in Eingriff mit dem gezahnten Segment des Sonnenrads lediglich während eines Teils jeder Umdrehung der Aktuatorwelle.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung teilt eine Zwischenwand die Durchflusskammer in eine erste und eine zweite Durchflusskammer, wobei der erste Ventilkörper und die ihm zugeordneten erste und zweite Öffnungen in der ersten Durchflusskammer angeordnet sind, und der zweite Ventilkörper und die dritte und vierte Öffnungen in der zweiten Durchflusskammer angeordnet sind. Die Aktuatorwelle erstreckt sich durch die Zwischenwand hindurch. Dies schafft die Möglichkeit, zwei voneinander getrennten Durchflusskammern innerhalb ein und desselben Gehäuses zu realisieren.
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Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung haben die Ventilkörper die Form eines sphärischen Stumpfs oder eines Sphäroids.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Anordnung weist das Planetengetriebe ein an der Aktuatorwelle angeordnetes Antriebsrad auf, das ein gezahntes Segment aufweist, das nur über einen Abschnitt dessen Umfangs erstreckt, und weiterhin einen an einem nicht gezahnten Abschnitt angeordneten Sockel aufweist, der ein Loslösen von einem Losrad ermöglicht. Das Losrad ist drehbar am Gehäuse montiert und kann in Eingriff mit dem gezahnten Segment des Antriebsrads kommen. Das Losrad weist einen sich durch mindestens einiger der Zähne erstreckenden ausgeschnittenen Bereich auf, der es dem Antriebsrad ermöglicht, sich zu drehen, ohne in Eingriff mit dem Losrad zu kommen, wenn die Zähne des Antriebsrads nicht in Kontakt mit den Zähnen des Losrads sind. Ein angetriebenes Rad ist mit dem zweiten Ventilkörper verbunden und befindet sich in Eingriff mit dem Losrad. Eine Bewegung des Antriebsrads während einer Eingriffsphase des gezahnten Segments mit dem Losrad führt zu einer rotierenden positionierenden Bewegung des zweiten Ventilkörpers.
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Diese Anordnung bietet auch eine Verriegelungsvorrichtung, welche eine Bewegung des zweiten Ventilkörpers verhindert, wenn das gezahnte Segment des Antriebsrads außer Eingriff mit den Zähnen des Losrads ist. In diesem Fall rotiert der auf dem Antriebsrad vorgesehene Sockel durch den ausgeschnittenen Bereich an einem der Zähne des Losrads, und die Abwesenheit des Ausschnitts an benachbarten Zähnen verhindert eine Rotation des Losrads, so dass das Losrad und das mit dem zweiten Ventilkörper verbundene angetriebene Rad in ihren Stellungen verriegelt sind.
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Gemäß einem bevorzugten Merkmal ist ein Anschlag an dem zweiten Ventilkörper angeordnet und kann mit einem Gegenstück am Gehäuse in Eingriff kommen, um einen harten Anschlag zum Zwecke der Positionsverifizierung und der Kalibrierung zu kreieren.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung ist eine Anschlagsfunktion auch für den ersten Ventilkörper zum Zwecke der Positionsverifizierung und/oder der Kalibrierung vorgesehen und ermöglicht mehrfache komplette Umdrehungen des ersten Ventilkörpers, um eine Positionierung des zweiten Ventilkörpers zu ermöglichen.
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Gemäß einer bevorzugten Anordnung ist die Anschlagfunktion durch ein Anschlagslosrad realisiert, das mit einer Teilverzahnung des ersten Ventilkörpers in Eingriff kommt. Das Anschlagslosrad ist frei drehbar an einem am Gehäuse montierten Stift montiert. Das Anschlagslosrad wirkt mit einer Verriegelungswirkung mit der Teilverzahnung zusammen ähnlich der Zusammenarbeit des Losrads mit dem zum Antreiben des zweiten Ventilkörpers verwendeten Antriebsrad. Bei seiner Rotation durch eine komplette Umdrehung bewegt der erste Ventilkörper das Losrad über eine festgelegte Anzahl von Zähnen. Das Anschlagslosrad kann einen Anschlagsvorsprung besitzen, welcher in Kontakt mit einem festen am Gehäuse oder an einer festen Öffnung wie dem Ventileingang angeordneten Gegenanschlag kommen.
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Es ist auch möglich, im Gehäuse, zwischen den Ventilkörpern, eine Zwischenwand vorzusehen, um zwei voneinander unabhängige erste und zweite Durchflusskammern zu begrenzen.
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Gemäß einem bevorzugten Merkmal haben die Ventilkörper die Form eines sphärischen Stumpfs oder Sphäroids.
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Die Drehventilmodule eignen sich besonders zur Verwendung als Steuerungsventile von Wärmemodulen in Verbindung mit einem Kühlsystem eines KFZ-Motors.
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Diese Anordnung kann in Verbindung mit Brennkraftmaschinen verwendet werden, so dass, während der Motor auf seine Betriebstemperatur erwärmt wird, Wärme aus dem Motorblock direkt über die Wasserpumpe wieder in Umlauf gebracht werden kann, um die Aufwärmung des Motors auf eine Betriebstemperatur zu beschleunigen. Danach kann die Flüssigkeit aus der ersten Durchflusskammer, welche auf einer gewünschten Temperatur eingestellt ist, durch ein Mischen der direkt wieder in Umlauf gebrachten aufgewärmten Flüssigkeit aus dem Motor mit der Flüssigkeit aus dem Radiator, aufrechterhalten werden, um den Motor bei der gewünschten Betriebstemperatur zu halten. Gleichzeitig ist es möglich, Flüssigkeit aus der zweiten Durchflusskammer unabhängig zu vermischen, um Flüssigkeit aus dem Kühlsystem mit einer anderen Temperatur an einen zusätzlichen Wärmetauscher zu liefern, welcher zum Beispiel ein Wärmetauscher für eine Fahrgastkabine, ein Wärmetauscher zum Kühlen des Öls, ein Wärmetauscher zum Kühlen einer Getriebeflüssigkeit, ein EGR-Kühler etc. sein kann.
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Diese Anordnung kann auch zum Einsatz kommen bei einem Elektrofahrzeug oder einem Hybrid-Fahrzeug, wo die Wärmequelle ein Batteriepaket oder ein Brennstoffzellenmodul sein kann, der ebenfalls Abkühlen benötigt, wobei eine Kühlflüssigkeit mit unterschiedlichen Temperaturen zum Kühlen des Batteriepakets und des Wärmetauschers der Fahrgastkabine geliefert werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorangehende Zusammenfassung und die nachfolgende ausführliche Beschreibung werden besser zu verstehen sein, wenn mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen gelesen, in welchen eine bevorzugte Ausführung der Erfindung dargestellt ist. Die Figuren zeigen:
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1 eine Vorderansicht einer ersten Ausführung eines Drehventilmoduls gemäß der Erfindung.
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2 eine Ansicht von unten auf einen Drehventilmodul gemäß 1.
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3 eine Querschnittsansicht durch den Drehventilmodul gemäß 1.
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4 eine Querschnittsansicht entlang Linie 4-4 in 3.
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5 eine vergrößerte Ansicht einer bei dem in den 1–4 gezeigten Drehventilmodul verwendeten Anordnung eines Planetengetriebes.
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6 eine perspektivische Vorderansicht einer zweiten Ausführung eines Drehventilmoduls gemäß der Erfindung.
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7 eine Ansicht ähnlich der von 6, wobei das Gehäuse entfernt worden ist, um zwei innerhalb des Drehventilmoduls gemäß 6 angeordnete Ventilkörper sichtbar zu machen.
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8 eine perspektivische Vorderansicht ähnlich der von 6, wobei die zwei an einer Aktuatorwelle angeordnete Ventilkörper zu sehen sind und die Eingangs- und Ausgangsöffnungen entfernt worden sind.
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9 eine perspektivische Ansicht, in der der mit der Aktuatorwelle zusammengebaute zweite Ventilkörper zu sehen ist.
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10 eine Querschnittsansicht durch den in 9 gezeigten zweiten Ventilkörper und die Aktuatorwelle.
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11 eine ausführliche perspektivische Ansicht des zweiten Ventilkörpers.
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12 eine Vorderansicht des in 11 gezeigten zweiten Ventilkörpers.
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13 eine obere Draufsicht auf den in 11 gezeigten zweiten Ventilkörper.
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14 eine perspektivische Ansicht eines Losrads, das in Zusammenhang mit der Aktuatorwelle verwendet wird, um den zweiten Ventilkörper anzutreiben.
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15 eine Vorderansicht des in 14 gezeigten Losrads.
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16 eine Seitenansicht des in 15 gezeigten Losrads.
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17 eine Querschnittsansicht entlang Linie 17-17 in 16.
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18 eine perspektivische Ansicht, in der der erste Ventilkörper und eine axiale Eingangsöffnung des in den 6–8 gezeigten Drehventilmoduls zu sehen sind.
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19 eine Ansicht entlang Linie 19-19 in 18.
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20 eine Querschnittsansicht entlang Linie 20-20 in 19.
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21 eine Ansicht auf die obere Seite des ersten Ventilkörpers entlang Linie 21-21 in 20.
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22 eine ausführliche Ansicht des in den 7, 8 und 18–21 gezeigten ersten Ventilkörpers.
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23 eine Querschnittsansicht entlang Linie 23-23 in 22.
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24 eine Endansicht des in 22 gezeigten Ventilkörpers.
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25 eine perspektivische Ansicht des Antriebsrads für den in den 7–10 gezeigten ersten Ventilkörper.
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26 eine Draufsicht auf das Antriebsrad gemäß 25.
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27 eine Seitenansicht des Antriebsrads gemäß 25.
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28 eine Querschnittsansicht entlang Linie 28-28 in 27.
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29 eine Draufsicht auf ein Anschlagslosrad, das in Verbindung mit der in den 19–21 ausführlich gezeigten Stellung des ersten Ventilkörpers verwendet wird.
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30 eine Seitenansicht des in 29 gezeigten Anschlagslosrads.
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31 eine Querschnittsansicht entlang Linie 31-37 in 30.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
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Bestimmte, in der nun folgenden Beschreibung verwendete Begriffe dienen lediglich der Bequemlichkeit und sind keineswegs als einschränkend zu verstehen. Die Begriffe „vorder...”, „hinter...”, „ober...” und „unter...” beziehen sich auf Richtungen in den Zeichnungen, auf welche hierin Bezug genommen wird. Die Begriffe ”nach innen” und „nach außen” beziehen sich auf Richtungen zu oder weg von den in den Zeichnungen mit Bezugszahlen gekennzeichneten Teilen. „Axial” bezieht sich auf eine Richtung entlang einer Achse einer Welle oder eines sich drehenden Teils. Ein Bezug auf eine Liste von Posten bzw. Teilen mit der Formulierung „mindestens eines von a, b, oder c”, (worin a, b und c für die aufgezählten Posten stehen), bedeutet irgendeinen der aufgelisteten Posten a, b, oder c oder Kombinationen aus diesen Posten. Die Terminologie schließt die konkret genannten Begriffe, Ableitungen daraus und Begriffe mit ähnlicher Bedeutung ein.
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In den 1–5 ist eine erste Ausführung eines Drehventilmoduls 10 dargestellt. Der Drehventilmodul 10 kann als Wärme-Managementmodul verwendet werden zum Beispiel in Verbindung mit Kraftfahrzeugen, um mehrere in Flüssigkeitsverbindung miteinander stehende Pfade zu steuern. Um eine Mehrzahl von Pfaden zu steuern, die abhängig von einer bestimmten Betriebsbedingung des Kraftfahrzeugs, in verschiedenen oder veränderten Zuständen gehalten werden können, ist eine Vielzahl von Öffnungen am Gehäuse 12 des Drehventilmoduls 10 vorgesehen, wobei diese Öffnungen eine axiale Eingangsöffnung 15 als auch eine erste, zweite, dritte und vierte radiale Öffnung 16A, 18A, 16B, 18B sein können, und wobei in einer bevorzugten Ausführung die Öffnungen 16A und 16B Eingangsöffnungen sind und die Öffnungen 18A und 18B Ausgangsöffnungen sind. Eine oder mehrere zusätzliche Öffnungen, zum Beispiel eine zusätzliche Ausgangsöffnung 18C können auch am Gehäuse 12 vorgesehen werden. Diese Eingangsöffnungen 15, 16A 16B als auch die Ausgangsöffnungen 18A, 18B, 18C stehen in Verbindung mit einer in 3 mit 14 bezeichneten Durchflusskammer 14 im Gehäuse 12. Obwohl die Figuren eine Mehrzahl von Öffnungen zeigen, sind vorzugsweise die erste Öffnung 16A und die zweite Öffnung 18A einem ersten Drehventilkörper 22 zugeordnet, das drehbar innerhalb der Durchflusskammer 14 im Gehäuse 12 angeordnet ist. Der erste Ventilkörper 22 weist mindestens einen Flüssigkeitspfad auf, welcher vorzugsweise durch mindestens eine Öffnung 26 in der äußeren Wand 24 des Ventilkörpers 22 begrenzt ist und mindestens eine von der ersten Öffnung 16A oder der zweiten Öffnung 18A mit der Durchflusskammer 14 in einer ersten Drehstellung des Ventilkörpers 22 verbindet und, in einer zweiten Drehstellung, einen Fluss aus der mindestens einen ersten Öffnung 16A oder der mindestens einen zweiten Öffnung 18A verhindert. In der ersten Drehstellung sind eine oder mehrere Öffnungen 26 in der Wand 24 des ersten Ventilkörpers 22 zumindest teilweise auf die erste Öffnung 16A und/oder auf die zweite Öffnung 18A ausgerichtet. Der erste Ventilkörper 22 ist vorzugsweise über eine Nabe 28 mit einem oder mehreren sich in Richtung der äußeren Wand 24 erstreckenden Stützarmen 30 abgestützt. Die Nabe 28 ist bevorzugt auf eine Aktuatorwelle 54, die weiter unten ausführlicher beschrieben ist, aufgepresst.
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In der Durchflusskammer 14 ist ein zweiter Drehventilkörper 40 drehbar angeordnet. Die dritte Öffnung 16B und die vierte Öffnung 18B sind dem zweiten Drehventilkörper 40 zugeordnet. In der gezeigten Anordnung ist die Durchflusskammer 14, wie in 3 gezeigt, durch eine Zwischenwand 20 in eine erste Durchflusskammer 14A und eine zweite Durchflusskammer 14B geteilt. Die die Durchflusskammern 14A, 14B trennende Zwischenwand 20 kann einstückig mit dem Gehäuse 12 gebildet werden, ein separater Einlegerteil sein, oder es können zwei getrennte, aneinandergefügte Gehäuse vorgesehen werden, so dass die zwei getrennten Gehäuse die Zwischenwand 20 bilden. Es ist außerdem möglich, den ersten Ventilkörper 22 und den zweiten Ventilkörper 40 in einer gemeinsamen Durchflusskammer ohne eine Zwischenwand 20 anzuordnen.
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Der zweite Drehventilkörper 40 weist vorzugsweise mindestens einen zweiten Flüssigkeitspfad auf, welcher vorzugsweise durch mindestens eine Öffnung 44 begrenzt ist, die sich durch die äußere Wand 42 des zweiten Ventilkörpers 40 erstreckt. Der zweite Flüssigkeitspfad verbindet, in einer ersten Drehstellung des zweiten Ventilkörpers 40, mindestens eine von der dritten Öffnung 16B oder der vierten Öffnung 18B mit der Durchflusskammer 14, oder, im Falle der Ausführung mit der Zwischenwand 20, mit der zweiten Durchflusskammer 14B. Der zweite Ventilkörper 40 kann in eine zweite Drehstellung gedreht werden, in der er einen Fluss aus mindestens einer von der dritten Öffnung 16B oder der vierten Ausgangsöffnung 18B verhindert. Dies wird dadurch erreicht, dass, in der zweiten Drehstellung, die Wand 42 des zweiten Ventilkörpers entweder die dritte Öffnung 16B und/oder die vierte Öffnung 186 verschließt. In der ersten Drehstellung sind eine oder mehrere Öffnungen 44 in der Wand 42 des zweiten Ventilkörpers mindestens teilweise auf die dritte Öffnung 16B und/oder auf die vierte Öffnung 18B ausgerichtet.
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Wie in 3 dargestellt, ist ein Lager 46, das ein Gleitlager, ein Wälzlager oder jedes anderes geeignetes Lager sein kann, bevorzugt zwischen dem Gehäuse 12 und dem axialen Ende des zweiten Ventilkörpers 40 angeordnet, um die Drehbewegung des zweiten Ventilkörpers 40 zu führen.
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Ein in 1 durch den Pfeil 52 dargestellter drehbarer Aktuator ist mit der Aktuatorwelle 54 verbunden, um sowohl den ersten Ventilkörper 22 als auch den zweiten Ventilkörper 40 zu positionieren. Der drehbare Aktuator kann ein Elektromotorantrieb oder jede andere geeignete Antriebsanordnung sein. Der erste Ventilkörper 22 wird durch eine direkte Drehbewegung der Aktuatorwelle 54 positioniert. Um die Drehstellung des zweiten Ventilkörpers 40 zu steuern, ist eine Planetengetriebeanordnung 58 vorgesehen, welche mit der Aktuatorwelle 54 verbunden ist und den zweiten Ventilkörper 40 derart antreibt, dass eine Bewegung der Aktuatorwelle 54 den ersten Ventilkörper 22 direkt positioniert und zu einer nur partiellen Drehbewegung des zweiten Ventilkörpers 40 führt, um auf diese Weise, auf Grund des einzigen mit der Aktuatorwelle 54 verbundenen Aktuators 52, eine voneinander unabhängige Positionierung des ersten und des zweiten Ventilkörpers zu ermöglichen.
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Wie in den 3–5 ausführlich dargestellt, weist die Planetengetriebeanordnung 58 ein mit der Aktuatorwelle 54 verbundenes Sonnenrad 60 auf. Das Sonnenrad 60 weist ein gezahntes Segment 62 auf, das sich nur über einen Abschnitt dessen Umfangs erstreckt. Ein Zahnkranz 66 ist mit dem Gehäuse 12 verbunden und weist eine Verzahnung 68 auf, die sich über einen gesamten Innenumfang des Gehäuses 12 in der Nähe des zweiten Ventilkörpers 40 erstreckt. Ein Planetenrad 72 ist am zweiten Ventilkörper abgestützt und steht in Eingriff mit dem Zahnkranz 66. Das Planetenrad 72 befindet sich in Eingriff mit dem gezahnten Segment 62 des Sonnenrads 60 lediglich während eines Teils jeder Umdrehung der Aktuatorwelle 54. Auf Grund dieser Anordnung, wird der zweite Ventilkörper 40 nur rotiert, solange dieses gezahnte Segment 62 in Kontakt mit dem Planetenrad 72 ist. Dies ermöglicht, je nach der Anzahl der im gezahnten Segment 62 des Sonnenrads 60 vorgesehenen Zähne, eine partielle Rotation des zweiten Ventilkörpers 40, so dass zum Beispiel eine Rotation des zweiten Ventilkörpers 40 um 45° oder 90° während jeder Umdrehung des ersten Ventilkörpers 22 um 360° realisiert werden kann.
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Wie in 3 gezeigt, ist das Planetenrad 72 bevorzugt an einem von dem zweiten Ventilkörper 40 ausgehenden Stift 50 abgestützt. Um das Planetenrad 72 auf dem Stift 50 abzustützen, ist ein Lager 76 vorgesehen, das vorzugsweise ein Führungselement 77 aufweist und das an einer ringförmigen Aussparung der Zwischenwand 20 angrenzt. Durch diese Anordnung, wird bei jeder vollständigen Umdrehung der Aktuatorwelle 54 mit dem Sonnenrad 60, der Planet nur dann um eine gestufte Rotationsgröße vorwärts gedreht, wenn das gezahnte Segment 62 des Sonnenrads 60 die Zähne 74 des Planetenrads 72 kontaktiert. Während die in Verbindung mit der ersten Ausführung beschriebene Planetengetriebeanordnung 58 dieser Beschreibung entspricht, können auch andere Planetengetriebeanordnungen zum Einsatz kommen, bei denen das Sonnenrad oder die Planetenräder an Stelle des Kranzes unbeweglich gehalten werden aber sehr wohl noch irgendeine Form einer partiellen Verzahnung zwischen dem Ventilkörper und dem Aktuator besitzen.
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Diese Anordnung ermöglicht es, die zugehörigen Flüssigkeitsströmungen in der ersten Flüssigkeitskammer 14A mit dem ersten Ventilkörper 22 über den gesamten Bewegungsbereich außerhalb des gezahnten Segments 62 des Sonnenrads 60 kontinuierlich anzupassen, ohne die Stellung des zweiten Ventilkörpers 40 zu verändern.
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Bei der ersten bevorzugten Ausführung sind die ersten und zweiten Ventilkörper 22, 40 in Form von Sphäroiden oder sphärischen Stümpfen ausgebildet. Dichtungen können im Gehäuse 12 an den Stellungen der ersten und der zweiten Öffnungen 16A, 18A sowie an den dritten und vierten Öffnungen 16AB, 18B vorgesehen werden. Die fünfte, in Verbindung mit der zweiten Durchflusskammer 14B gezeigte und durch den zweiten Ventilkörper 40 gesteuerte optionale Öffnung 18C kann ebenfalls mit einer Dichtung versehen werden. Alternativ kann eine ausreichende Dichtwirkung durch einen Gleitsitz zwischen den jeweiligen Ventilkörpern 22, 40 und den Wänden des Gehäuses 12 an den zugehörigen Ein- und Ausgängen erreicht werden, so dass auf zusätzliche Dichtungen verzichtet werden kann.
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Sowohl das Gehäuse 12 wie auch die Zwischenwand 20 kann aus einem metallischen oder einem Polymer-Werkstoff gefertigt werden. Außerdem können auch die Ventilkörper 22, 40 aus einem metallischen oder einem Polymer-Werkstoff gefertigt werden. Vorzugsweise bestehen die Ventilkörper aus einem Polymer-Werkstoff. Die Zahnräder können je nach der jeweiligen Anwendung ebenfalls aus einem metallischen oder einem Polymer-Werkstoff gefertigt werden.
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In den 6–8 ist eine zweite Ausführung eines Drehventilmoduls 110 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 6 dargestellt, weist die zweite Ausführung des Drehventilmoduls 110 ein Gehäuse 112 mit einer axialen Eingangsöffnung 115 wie auch mit radialen ersten, zweiten, dritten und vierten Öffnungen 116A, 118A, 116B, 118B auf, welche in einer bevorzugten Anordnung Eingangsöffnungen 116A und 116B und Ausgangsöffnungen 118A und 118B aufweisen. Zusätzliche Öffnungen wie z. B. eine Ausgangsöffnung 118C können auch vorgesehen sein. Die axiale Eingangsöffnung 115 ist bevorzugt an einem Ende des Gehäuses 112 angeordnet und durch einen Flansch 112A am Gehäuse 112 abgestützt.
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Wie in 6 dargestellt, wird eine Aktuatorwelle 154 zum Antreiben des Drehventilmoduls 110 verwendet, und die Welle ist vorzugsweise mit einem durch den Pfeil 152 angedeuteten Aktuator verbunden. Der Aktuator 152 kann jede Art von geeignetem Drehaktuator sein einschließlich eines Schrittmotors oder eines anderen Drehantriebs.
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In den 7 und 8 ist das Gehäuse 112 entfernt worden, um den ersten Ventilkörper 122 zu zeigen. Der erste Ventilkörper 122 weist eine äußere Wand 124 mindestens eines durch eine Öffnung 126 begrenzten Flüssigkeitspfads auf. Der erste Ventilkörper 122 besitzt vorzugsweise die Form eines Sphäroids oder eines sphärischen Stumpfs. Der erste Ventilkörper 122 ist vorzugsweise durch einen Presssitz oder auf andere Weise drehbar an der Aktuatorwelle 154 befestigt. Zusätzlich ist auch der zweite Ventilkörper 140 gezeigt, der auf eine bei der ersten Ausführung des Drehventilmoduls 10 beschriebene Weise durch eine in den 8–10 ausführlich beschriebene Planetengetriebeanordnung 158 angetrieben wird.
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Wie in den 8–10 gezeigt, weist die Planetengetriebeanordnung 158 ein an der Aktuatorwelle 154 angeordnetes Antriebsrad 178 auf. Das Antriebsrad 178 ist vorzugsweise durch einen Presssitz positioniert. Das Antriebsrad 178 weist ein sich über einen Abschnitt seines Umfangs erstreckendes gezahntes Segment 180 auf. Ein Sockel 181 ist auf dem nicht gezahnten Abschnitt des Antriebsrads 178 angeordnet und ermöglicht ein Loslösen von einem Losrad 182. Eine bevorzugte Ausführung des Antriebsrads 178 ist in den 25–28 ausführlich gezeigt.
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Weiterhin ist in den 8–10 zu sehen, dass das Losrad 182 drehbar am Gehäuse 112 durch einen vorzugsweise durch einen Bolzen 204 mit dem Gehäuse 112 verbundenen Flansch 202 angeordnet ist. Wie in 10 zu sehen ist, stützt der Flansch einen Stift 206 ab, auf dem das Losrad 182 rotiert. Das Losrad 182 kann über seine Zähne 184 in Eingriff mit dem gezahnten Segment 180 des Antriebsrads 178 kommen. Mindestens einige der Zähne 184 des Losrads weisen einen Ausschnitt 186 auf, der es dem Antriebsrad 178 ermöglicht, mit seinem Sockel 181 durch den Ausschnitt 186 zu rotieren, ohne in Eingriff mit den Zähnen 184 des Losrads 182 zu kommen, wenn das gezahnte Segment 180 des Antriebsrads 178 nicht in Kontakt mit den Zähnen 184 des Losrads 182 ist. Wie insbesondere in 10 zu sehen ist, während einer Drehbewegung der Aktuatorwelle 154, wenn das gezahnte Segment 180 außer Eingriff mit dem Losrad 182 ist, rotiert der Sockel 181 zusammen mit dem Antriebsrad 178 und bewegt sich durch den in den ausgerichteten Zähne 184 des Losrads angeordneten Ausschnitt 186 durch. Der Sockel 181 dreht sich in der Nähe der zwei benachbarten Zähne 184, welche den Ausschnitt 186 nicht besitzen, um, wie weiter unten beschrieben, eine Bewegung des zweiten Ventilkörpers 140 zu verhindern, wodurch eine Anschlagvorrichtung entsteht, wenn das gezahnte Segment 180 des Antriebsrad 178 außer Eingriff mit dem Losrad 182 ist. Eine bevorzugte Ausführung des Losrads ist in den 14–17 ausführlich dargestellt.
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Weiterhin ist in den 8–10 zu sehen, dass ein angetriebenes Rad 188 mit dem zweiten Ventilkörper 140 verbunden ist und derart in Eingriff mit dem Losrad 182 steht, dass, wenn das gezahnte Segment 180 in Eingriff mit dem Losrad 182 steht, eine Bewegung des Antriebsrads 178 über die Aktuatorwelle 154 zu einer rotierenden Positionierungsbewegung des zweiten Ventilkörpers 140 führt. Folglich führt eine Rotation der Welle 154, wenn ein gezahntes Segment 180 des Antriebsrads 178 in Eingriff den Zähnen 184 des Losrads 182 steht, zu einem direkten Antrieb des zweiten Ventilkörpers 140 über das damit verbundene oder darauf geformte angetriebene Rad 188. Wenn jedoch das gezahnte Segment 180 des Antriebsrads 178 sich außer Eingriff mit dem Losrad 182 dreht, rotiert der Sockel 181 am Antriebsrad 178 durch den Ausschnitt 186 des ausgerichteten Zahns 184 des Losrads 184, und benachbarte Zähne 184, welche keinen Ausschnitt 186 aufweisen, verhindern, dass das Losrad 182 über einen Kontakt mit dem Sockel 181 rotiert, so dass das Losrad 182 und das mit dem zweiten Ventilkörper 140 verbundene angetriebene Rad 188 in ihren Positionen verriegelt sind.
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Die 11–13 zeigen ausführliche Ansichten des zweiten Ventilkörpers einschließlich der äußeren Wand 142 und der Öffnungen 144, welche die Flüssigkeitspfade durch den zweiten Ventilkörpers 140 bilden. Arme 148 erstrecken sich von der äußeren Wand 142 in Richtung einer mittig, unter dem angetriebenen Rad 188 angeordneten Nabe 146. Von dem Boden der äußeren Wand 142 kann auch ein Anschlagstift 151 ausgehen, um einen entsprechenden, am Gehäuse 112 vorgesehenen Anschlag 143 (in 6 durch unterbrochene Linien gezeigt) zu kontaktieren und somit die Rotation des zweiten Ventilkörpers 140 auf ca. 360° oder weniger zu beschränken. Wie in den 11–13 gezeigt, ist der zweite Ventilkörper 140 bevorzugt in Form eines Sphäroids oder eines sphärischen Stumpfs ausgebildet. Der Anschlag 151 kann in Eingriff mit einem in 6 durch unterbrochene Linien gezeigten, im Gehäuse angeordneten Gegenanschlag 143 kommen, um einen harten Anschlag mindestens für eine Positionsverifizierung oder eine Kalibrierung zu schaffen.
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Wie aus den 8 und 18–21 entnommen werden kann, ist gemäß einem anderen Merkmal der zweiten Ausführung des Drehventilmoduls 110, eine Anschlagsanordnung 190 für den ersten Ventilkörper 112 vorgesehen, welche mindestens einer Positionsverifizierung oder einer Kalibrierung dient. Die Anschlagsanordnung 190 lässt mehrfache vollständige Umdrehungen des ersten Ventilkörpers 122 zu, um eine Positionierung des zweiten Ventilkörpers 140 über einen Bereich von ungefähr 360° oder weniger zu ermöglichen.
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Die Anschlagsanordnung 190 weist ein in den 29–31 ausführlich dargestelltes Anschlagslosrad 192 auf, das mit einer Teilverzahnung 194 am ersten Ventilkörper 122 in Eingriff kommen kann. Das Anschlagslosrad 192 ist derart montiert, dass es über einen am Gehäuse 112 insbesondere am Flansch 112A für den axialen Eingang 115 angeordneten Stift 196 frei rotieren kann. Während einer vollständigen Umdrehung des ersten Ventilkörpers 122 kommt das Losrad 192 in Eingriff mit der Teilverzahnung 194, um das Losrad 192 über eine festgelegte Anzahl von Zähnen vorwärts zu bewegen. Wie ausführlich in 21 gezeigt, ist die festgelegte Anzahl von Zähnen bei der bevorzugten Ausführung zwei für jede Umdrehung des ersten Ventilkörpers 122, obwohl diese Anzahl je nach vorliegender Anwendung auch variiert werden kann. Vorzugsweise, wie im einzeln in 20 gezeigt, erstreckt sich von dem Anschlagslosrad 192 ein Anschlagsvorsprung 198, der in Eingriff mit einem am Gehäuse 112 vorgesehenen festen Gegenanschlag kommt. Bei der bevorzugten Ausführung ist der feste Gegenanschlag an dem Flansch 112A vorgesehen, durch den der axiale Eingang 115 mit dem Gehäuse 112 verbunden ist. Hierdurch ist die mögliche Anzahl von Umdrehungen des ersten Ventilkörpers 122 in jede Richtung begrenzt, was zum Abtasten und Kalibrierung der Drehstellungen der Ventilkörper 122, 140 wichtig ist.
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Wie ebenfalls aus den 18–21 entnommen werden kann, weist die Anschlagsanordnung 190 vorzugsweise eine Verriegelungsanordnung auf, um eine Rotation des Anschlaglosrads 192, wenn die Teilverzahnung 194 am ersten Ventilkörper 122 außer Kontakt mit dem Anschlaglosrad 192 ist, zu verhindern. Wie in den 30 und 31 gezeigt, weisen einige der Zähne 193 auf dem Anschlaglosrad 192 einen Ausschnitt 199 auf. Wie in den 22–24 zu sehen ist, weist der erste Ventilköper 122 in einem Bereich, der keine Teilverzahnung 194 hat, einen Bord 195 auf. Dieser Bord 195 kann durch die Ausschnitte 199 hindurch rotieren, ohne während einer Drehbewegung des ersten Ventilkörpers 122 das Anschlagslosrad 192 zu bewegen. Die benachbarten Zähne 193 des Anschlagslosrad 192, die keinen Ausschnitt aufweisen, verhindern eine Rotation des Anschlagslosrad 192, weil der Bord 195 diese benachbarten Zähne 193 entweder kontaktiert oder sich sehr nahe bei diesen befindet.
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Wie bei der ersten Ausführung des Drehventilmoduls 10 kann auch hier eine Zwischenwand im Gehäuse 112 zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilkörper 122, 140 vorgesehen sein, um voneinander unabhängige erste und zweite Durchflusskammern zu begrenzen. Alternativ, wie gezeigt, können beide Ventilkörper 122, 140 innerhalb der einzigen Durchflusskammer 114 angeordnet werden.
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Wie in den Figuren gezeigt, sind die Ventilkörper 122, 140 in der bevorzugten Ausführung des zweiten Drehventilmoduls 110 sphärische Stümpfe oder Sphäroide. Dichtungen können zwischen dem Gehäuse 112 und den Ventilkörpern 122, 140 vorgesehen werden oder es kann, durch einen direkten Kontakt der Ventilkörper mit der Innenseite des Gehäuses 112 im Bereich der Eingangsöffnungen 116A, 116B und der Ausgangsöffnungen 118A, 118B sowie etwaiger zusätzlicher Eingangs- oder Ausgangsöffnungen wie zum Beispiel 118C, die am Gehäuse 112 in der Nähe der Ventilkörper 122, 140 angeordnet sind, ein Dichtkontakt realisiert werden.
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In der in den 6–31 dargestellten zweiten Ausführung des Drehventilmoduls führt jede Umdrehung der Aktuatorwelle 154 zu einer Drehung des zweiten Ventilkörpers 140 durch 90°. Diese Drehung kann jedoch durch eine Änderung der Anzahl der Zähne am Antriebsrad 178 je nach vorliegender Anwendung variiert werden,
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Die Anschlagsvorrichtung für den zweiten Ventilkörper 140 wird für die Verifizierung der Stellung und zum Zwecke der Kalibrierung bevorzugt. Wenn einmal die Stellung des zweiten Ventilkörpers 140 verifiziert ist, existiert keine Notwendigkeit mehr für einen separaten Sensor außer für die Feststellung der Position des drehbaren Aktuators 152, der mit der Aktuatorwelle 154 verbunden ist. Die Anschlagsanordnung 190 für den ersten Ventilkörper 122 ist auch bevorzugt für die Verifizierung und die Kalibrierung des Drehventilmoduls 110 vorgesehen, da der erste Ventilkörper 122 mehrfache vollständige Umdrehungen vollziehen wird, um den zweiten Ventilkörper 140 zu positionieren. Wie es dem Fachmann klar sein wird, können die Anschlags- und Abstützelemente für die verschiedenen Losräder, welche in Verbindung mit den Anschlagselementen verwendet werden, sowohl am Gehäuse, als auch an den Öffnungen oder anderen festen Bauteilen angeordnet werden.
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Während gemäß der vorliegenden Erfindung das Planetengetriebe 58, 158 für das Betreiben der Drehventilmodule 10, 110 bevorzugt wird, wird es dem Fachmann klar sein, dass es auch möglich wäre, andere intermittierende Rotationsanordnungen vorzusehen wie z. B. ein Sternradgetriebe für ein intermittierendes Antreiben des Losrads.
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Nach der vorhergehenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung, muss es verstanden werden und für den Fachmann klar und naheliegend sein, dass zahlreiche physische Änderungen, von denen nur einige in der vorhergehenden ausführlichen Beschreibung beispielhaft angeführt sind, vorgenommen werden könnten, ohne die hierin verkörperten erfinderischen Ideen und Prinzipien zu verändern. Es muss auch verstanden werden, dass zahlreiche Ausführungen, welche nur Teile der bevorzugten Ausführung beinhalten, möglich sind, und, mit Bezug auf diese Teile die hierin verkörperten erfinderischen Ideen und Prinzipien der Erfindung nicht verändern. Aus diesem Grund sind die vorliegende Ausführung und optionale Ausbildungen der Erfindung in jeder Hinsicht als beispielhaft und/oder als erklärend und nicht als einschränkend zu verstehen, weil der Schutzbereich der Erfindung durch die angeführten Ansprüche angegeben wird und nicht durch die vorhergehende Beschreibung, so dass alle alternativen Ausführungen und an der vorliegenden Ausführung vorgenommenen Änderungen, welche im Sinne der Ansprüche zu verstehen sind und im Gleichwertigkeitsbereich der Ansprüche liegen, somit durch die Ansprüche abgedeckt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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