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GEBIET DER ERFINDUNG
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Vorliegende Erfindung betrifft ein Drehventil, das bei einem Fluiddosierer verwendet werden kann.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Mischen von Fluiden. Insbesondere betrifft die Erfindung das kontinuierliche Mischen von zwei Fluiden mit einheitlichem Anteil zu einem Ausgangsstrom.
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Das proportionale Mischen von Fluiden mittels automatischer, energieautarker Vorrichtungen ist bekannt. Eine solche Vorrichtung kann zum Mischen eines Fluidstroms wie beispielsweise Wasser oder Luft mit einem weiteren Fluid wie beispielsweise Medikamente, Impfstoffe, Nährstoffen und Behandlungsmittel oder dergleichen verwendet werden. Energieautarke Dosierer der bekannten Art haben einen Fluidmotor und eine Nebenpumpe.
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Bei einer energieautarken Vorrichtung der bekannten Art wird der Druck eines ersten Fluidstroms, beispielsweise Wasser, zum Betreiben der Vorrichtung verwendet. Der erste Fluidstrom bewegt einen Kolben in einem Zylinder, wobei eine Menge des ersten Fluids mit jedem Hub automatisch dosiert wird, indem der Zylinder mit Fluid gefüllt wird. Ein Schieber wechselt die Fluidzufuhr von einer Seite des Kolbens zur anderen. Der Ansaugfluiddruck veranlasst den Motor zum Bewegen des Kolbens, während das Fluid auf der anderen Seite des Kolbens gleichzeitig ausgestoßen wird. Bei einem vollen Hub des Zylinders werden zwei Verdrängungen des ersten Fluids aus dem Zylinder in den Ausgangsstrom ausgestoßen.
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Bei bekannten Vorrichtungen treibt der Kolben auch einen Dosierer an. Der Dosierer kann eine zweite Pumpe mit einem zweiten Kolben und einem zweiten Zylinder aufweisen. Der zweite Kolben hat eine Arbeitsseite, der Hauptkolben hingegen zwei. Die zweite Pumpe saugt eine Menge eines zweiten Fluids durch einen Einlass an und stößt sie durch einen Auslass in den Ausgangsstrom aus. Das ausgestoßene zweite Fluid mischt sich mit dem von dem Hauptkolben ausgestoßenen ersten Fluid. In einem Hub wird eine Verdrängung von Fluid aus dem zweiten Zylinder in den Ausgangsstrom ausgestoßen. Dadurch werden bei jedem Hub des Hauptkolbens konstante Anteile der beiden Fluide gemischt.
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Übliche Vorrichtungen nutzen oftmals ein Drehventil als Schieber. Jedoch dreht sich das Drehventil anstatt einer vollen Drehung rund um eine Achse über eine kürzere Distanz, stoppt und ändert die Richtung und dreht sich dann zurück in die entgegengesetzte Richtung. Mit anderen Worten: das Drehventil führt nicht kontinuierlich volle Drehungen aus. Eine solche Bewegung wird häufig mit einem Kippschalter gesteuert oder mit einer vorgespannten Verbindung. Wenn das Drehventil das Ende der Drehung erreicht, stellt der Kippschalter oder die vorgespannte Verbindung eine Kraft zum Umschalten der Drehrichtung bereit.
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Während diese Konstruktion für ihren Verwendungszweck vermutlich wirksam ist, verursachen diese Art der Bewegung und die Struktur ein vernehmbares Geräusch, wenn sich der Kippschalter oder die vorgespannte Verbindung vor und zurück bewegen, um konstant die Richtung des Drehventils zu ändern. Obwohl das Geräusch in vielen Umgebungen potenziell inakzeptabel ist, ist es symptomatisch für eine inhärente volumetrische konstruktive Einschränkung. Da das benötigte Volumen des Antriebsfluids größer wird, vergrößern sich proportional auch die Ports, das Ventil und der Kippschalter oder die vorgespannte Verbindung und der Anschlag.
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Die größere träge Masse des Kippschalters oder der vorgespannten Verbindung führt zu einer stärkeren Übertragung von Stößen auf die internen und externen Komponenten, so dass die Anschläge, die Innenlager und andere Teile, die eine Bewegung steuern müssen, häufiger gewartet und ausgetauscht werden müssen. Die immer stärker werdende Kraft und der Zug der Kippschalterfeder stören die vertikale Ausrichtung des Ventils und beschleunigen die Beschädigung des Innenlagers weiter.
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Aus diesem Grund wäre die Bereitstellung einer Vorrichtung, die eines oder mehrere dieser Probleme anspricht, wünschenswert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wurde ein neues Drehventil erfunden, das bei einer chemischen Dosiervorrichtung verwendet werden kann, die mit Druckwasser betrieben wird, wie zum Beispiel das in dem
US-Patent 6,485,272 beschriebene Drehventil. Das Drehventil wird durch einen Arm gedreht, der mit einem Kolben verbunden ist, der durch Druckwasser angetrieben wird. Die Orientierung des Ventilkörpers (in dem Ventilgehäuse) lenkt das Waser in eine von zwei Richtungen, um den Kolben zu bewegen. Der Arm des Drehventils ist mit einem Nocken verbunden, der eine mit dem Ventilkörper verbundene Welle dreht. Nockenrollen sind in Richtung auf die Außenfläche des sich drehenden Nockenelements vorgespannt, um eine Kraft für den Nocken bereitzustellen, die die Änderung der Orientierung des Ventilkörpers unterstützen soll. Ausbuchtungen oder Rastungen an dem Nocken korrelieren mit dem Ende der Kolbenbewegung, so dass das Drehventil an einem Endpunkt des Kolbenhubs nicht stoppt.
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Anders als herkömmliche Drehventile dreht sich das vorliegende Drehventil vollständig um seine Achse und vollzieht durchgehende Drehungen. Es wird kein Kippschalter oder eine andere Einrichtung benötigt, um das Drehventil zu einem Richtungswechsel zu zwingen. Verglichen mit herkömmlichen Ausbildungen wird die Übertragung von destruktiven Stößen und von Geräuschen durch das vorliegende Drehventil deutlich verringert oder eliminiert, und es sind weniger Teile vorhanden, die sich schnell abnutzen.
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Dementsprechend kann vorliegende Erfindung in einem ihrer Aspekte allgemein dahingehend charakterisiert werden, dass sie ein Drehventil zur Verwendung bei einem Fluiddosierer bereitstellt, wobei das Drehventil umfasst: ein Ventilgehäuse mit einem Einlass und einem Auslass; einen Ventilkörper, der mit dem Ventilgehäuse drehbar montiert ist; einen Kolben, der für eine lineare Bewegung in einem Zylinder konfiguriert ist; und einen Arm, der dazu eingerichtet ist, eine lineare Bewegung des Kolbens in einer Drehbewegung des Ventilkörpers umzusetzen und den Ventilkörper in dem Ventilgehäuse um 360 Grad zu drehen.
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Gemäß eines weiteren Aspekts kann vorliegende Erfindung im Allgemeinen dahingehend charakterisiert werden, dass sie ein Drehventil zur Verwendung bei einem Fluiddosierer bereitstellt, wobei das Drehventil umfasst: ein Ventilgehäuse mit einem Einlass und einem Auslass; einen Ventilkörper, der mit dem Ventilgehäuse drehbar montiert ist; einen Kolben, der für eine lineare Bewegung in einem Zylinder konfiguriert ist; einen Nocken, der außerhalb des Ventilgehäuses angeordnet ist, wobei der Nocken an dem Ventilkörper derart befestigt ist, dass er für eine Drehbewegung des Ventilkörpers sorgt; und einen Arm, der an dem Kolben und an dem Nocken befestigt ist und dazu eingerichtet ist, die lineare Bewegung des Kolbens in die Drehbewegung des Ventilkörpers umzusetzen, so dass sich der Ventilkörper in dem Ventilgehäuse vollständig dreht.
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Diese und weitere Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die jede erdenkliche Kombination erlauben, erschließen sich dem Fachmann auf der Grundlage der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Zeichnungen machen verständlich, wie sich die Erfindung herstellen und anwenden lässt.
- 1 zeigt eine abgeschnittene Seitenansicht eines Drehventils gemäß vorliegender Erfindung mit einem Ventilkörper in einer ersten Orientierung;
- 2 zeigt eine abgeschnittene Seitenansicht des in 1 dargestellten Drehventils mit einem Ventilkörper in einer zweiten Orientierung;
- 3 zeigt das Drehventil gemäß vorliegender Erfindung in einer Ansicht von oben;
- 4 zeigt einen Nocken und einen Nockenstößel gemäß einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer Ansicht von oben; und
- 5 ist eine zum Teil abgeschnittene Seitenansicht eines Ventilkörpers mit Lageranordnungen gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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DETAILBESCHREIBUNG
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Wie vorangehend erwähnt, wurde ein neuartiges Drehventil erfunden und damit ein Ventil geschaffen, das sich vollständig dreht, um die Strömung eines Fluids zu ändern, welches das Drehventil antreibt.
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Im Folgenden werden anhand der anliegenden Zeichnungen eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben, wobei es sich hier lediglich um bevorzugten Ausführungsformen handelt, die nicht als Einschränkung der Erfindung gedacht sind.
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Mit Bezug auf die 1 und 2 wird ein erfindungsgemäßes Drehventil 10 beschrieben, und zwar für die Verwendung bei einem Fluiddosierer. Gleichwohl wird man erkennen, dass das Drehventil 10 auch bei anderen Geräten Anwendung finden kann.
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Das Drehventil 10 hat ein Ventilgehäuse 12 mit einem in dem Ventilgehäuse 12 angeordneten Ventilkörper 14. Das Ventilgehäuse 12 hat einen Einlass 16 für ein Fluid wie Wasser oder Luft, das für den Antrieb des mit dem Drehventil 10 verbundenen Geräts bzw. der damit verbundenen Vorrichtung genutzt wird. Vorzugsweise liegt auf der dem Ventilgehäuse 12 gegenüberliegenden Seite ein Auslass 18 für ausgetriebenes Fluid. Der Ventilkörper 14 hat eine Welle 20, die eine Drehung des Ventilkörpers 14 und eine Änderung der Orientierung des Ventilkörpers 14 ermöglicht.
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In dem Ventilgehäuse 12 befindet sich eine obere Kammer 22, die mit dem Einlass 16 in Verbindung steht und dazu eingerichtet ist, das Fluid aufzunehmen. Eine untere Kammer 24 in dem Ventilgehäuse 12 steht mit dem Auslass 18 in Verbindung und stellt das Fluid für den Auslass 18 bereit. Die untere Kammer 24 ist fluidtechnisch (in dem Ventilgehäuse 12) von der oberen Kammer 22 isoliert. Ein Paar oberer Strömungskanäle 26a, 26b befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten des Ventilgehäuses 12 und stehen jeweils wahlweise in Verbindung mit der oberen Kammer 22. Ein Paar unterer Strömungskanäle 28a, 28b liegen ebenfalls auf gegenüberliegenden Seiten des Ventilgehäuses 12 und stehen jeweils wahlweise in Verbindung mit der unteren Kammer 24. Die Paare von oberen und unteren Strömungskanälen 26a/28a, 26b/28b auf jeder Seite sind fluidtechnisch mit einem vertikalen Strömungskanal 30a, 30b verbunden.
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Jeder vertikale Strömungskanal 30a, 30b steht mit einer Seite eines Zylinders 32 in Verbindung, der einen Kolben 34 enthält, der sich in dem Zylinder 32 linear (entlang seiner Achse) bewegt. Der Zylinder 32 kann einstückig mit dem Ventilgehäuse 12 ausgebildet oder an diesem befestigt sein. Der Kolben 34 hat einen Kolbenkopf 36 und einen Kolbenschaft 38, der sich von dem Kolbenkopf 36 aus dem Zylinder 32 heraus erstreckt.
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In dem Ventilgehäuse 12 sind mehrere Pfade für das Fluid vorhanden, während dieses sich von dem Einlass 16 zu dem Auslass 18 bewegt. Die Orientierung des Ventilkörpers 14 lenkt das Fluid zu einem der Pfade.
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Insbesondere hat der Ventilkörper 14 einen obere Dichtung 40 und eine untere Dichtung 42, die den Ventilblockbereich bei einem minimalen Spiel zwischen Ventil und Gehäuse in Kombination mit einer maximalen Konzentrizität der Komponenten überlappen. Es wird angenommen, dass eine minimale Überlappung von 1/8 Inch (0,3175 cm) pro Seite der oberen Dichtung 40 und der unteren Dichtung notwendig ist, so dass die Dichtungen 40, 42 mindestes 1/4 Inch (0,635 cm) breiter sind als die Strömungskanäle 26a, 26b, 28a, 28b.
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Die obere Dichtung 40 ist so konfiguriert, dass sie das Fluid am Einströmen aus der oberen Kammer 22 in einen der oberen Strömungskanäle 26a, 26b hindert, jedoch ein Einströmen des Fluids aus der oberen Kammer 22 in den anderen der oberen Strömungskanäle 26a, 26b erlaubt. Die untere Dichtung 42 ist so konfiguriert, dass sie das Fluid am Einströmen aus einem der unteren Strömungskanäle 28a, 28b in die untere Kammer 24 hindert, jedoch ein Einströmen des Fluids aus dem anderen der unteren Strömungskanäle 28a, 28b in die untere Kammer 24 erlaubt. Die obere und die untere Dichtung 40, 42 sind derart angeordnet, dass die auf gegenüberliegenden Seiten des Ventilkörpers 14 liegen, so dass beispielsweise bei geöffnetem linken oberen Strömungskanal 26a (wie in den Figuren gezeigt) der rechte untere Strömungskanal 28b offen ist. Die Drehung der Welle 20 des Ventilkörpers 14 ändert die Orientierung des Ventilkörpers 14.
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Wenn man zum Beispiel bei 1 beginnt, strömt das Fluid beim Eintritt in die obere Kammer 22 zu dem linken oberen Strömungskanal 26a. Die obere Dichtung 40 verhindert den Eintritt des Fluids in den rechten oberen Strömungskanal 26b. Von dem linken oberen Strömungskanal 26a strömt das Fluid in den linken vertikalen Kanal 30a und nach unten in den Zylinder 32. Die untere Dichtung 42 verhindert das Ausströmen des Fluids au dem linken unteren Strömungskanal 28a in die untere Kammer 24.
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In dem Zylinder 32 drückt das Fluid gegen den Kolbenkopf 36 und zwingt den Kolben 34 zu einer Bewegung nach rechts. Fluid auf der rechten Seite des Kolbenkopfs 36 (beispielsweise von einem vorherigen Hub) wird das dem Zylinder 32 getrieben, während sich der Kolbenkopf 36 nach rechts bewegt. Das den Zylinder 32 verlassende Fluid strömt in den rechten vertikalen Strömungskanal 30b. Die obere Dichtung 40 hindert das Fluid am Ausströmen aus dem rechten oberen Strömungskanal 26b in die obere Kammer 22. Dementsprechend strömt das Fluid durch den rechten unteren Strömungskanal 28b in die untere Kammer 24 und über den Auslass 18 aus dem Drehventil.
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Schließlich erreicht der Kolben 34 das Ende seines Hubs, und die Orientierung des Ventilkörpers 14 ändert sich zur Strömungsumkehr (wie in 2 gezeigt), so dass das Fluid den Kolbenkopf 36 nach links bewegt. Um die Orientierung des Ventilkörpers 14 zu ändern, ist ein Arm 46 vorgesehen.
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Der Arm 46 hat einen unteren Abschnitt 48 mit einem ersten Ende 50, das an dem Kolbenschaft 38 befestigt ist. Ein zweites Ende 52 des unteren Abschnitts 48 ist an einem zweiten Abschnitt 54 des Arms 46 befestigt. Der zweite Abschnitt 54 des Arms 46 ist an einem Nocken 56 befestigt. Der Nocken 56 ist an der Welle 20 des Ventilkörpers 20 befestigt, so dass sich der Ventilkörper 14 dreht, wenn sich der Nocken 56 dreht.
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Auf diese Weise setzt der Arm 46 die lineare Bewegung des Kolbens 34 um in eine Drehbewegung des Ventilkörpers 14 in dem Ventilgehäuse 12, während sich die Orientierungen ändern. Dementsprechend dreht die lineare Bewegung des Kolbens 34 den Ventilkörper 14 zwischen den in den 1 und 2 gezeigten Orientierungen, ohne die Richtung umzukehren, und ermöglicht eine durchgehende vollständige Drehung (d.h. 360 Grad) des Ventilkörpers 14 um seine Drehachse (z.B. die Welle 20).
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Um, wie in 3 gezeigt, die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass der Ventilkörper 14 an einer Position stoppt, die zwischen zwei Orientierungen liegt, die in den 1 und 2 gezeigt sind, hat der Nocken 56 eine Nockenfläche 58, die durch eine Außenfläche 60 des Nockens 56 gebildet ist. Die Nockenfläche 58 hat eine oder mehrere Rastungen 62 bzw. Vertiefungen. Diese Rastungen 62 sind Änderungen in der äußeren Form des Nockens 56. Also ist die äußere Form des Nockens 56 von oben betrachtet (wie in 3) kein perfekter Kreis. Vielmehr hat der Nocken 56 zwei verschiedene Radien R1, R2, die durch Übergangsbereiche verbunden sind, die den Rastungen 62 entsprechen.
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Es ist zumindest ein Nockenstößel 64 vorgesehen und derart konfiguriert, dass dieser sich mit der Nockenfläche 58 im Eingriff befindet. Wie 4 zeigt, kann der Nockenstößel 64 eine Rolle 65 oder ein Lager in einem Gehäuse 67 umfassen. Die Rolle 65 bewegt sich entlang der Nockenfläche 58. Das Gehäuse 67 kann geschlitzt sein, so dass der Nocken in dem Gehäuse 67 aufgenommen wird. Vorzugsweise sind mindestens zwei Nockenstößel 64 vorgesehen, die auf gegenüberliegenden Seiten des Nockens 56 liegen.
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Jeder Nockenstößel 64 ist beispielsweise durch eine Feder 68 in Richtung auf den Nocken 56 vorgespannt. Die Federstärke der Feder 68 steht in direkter Beziehung zu der Energie, die benötigt wird, um sicherzustellen, dass der Ventilkörper 14 nicht aufhört sich zu bewegen, wenn der Kolben 34 die Richtung ändert. Insbesondere basiert die Positionierung der Rastungen 62 auf der Verdrängung des Kolbens 34 bei seinem Hub, so dass, wenn der Kolben 34 das Ende des Hubs erreicht, wenigstens ein Nockenstößel 64 in wenigstens eine Rastung 62 eingreift. Sofern noch Fluid zu dem Drehventil 10 geleitet werden muss, reicht die Kraft des Fluids aus, um die Feder 68 zu überwinden, und der Nocken 56 und damit der Ventilkörper 14 drehen sich weiter. Wenn aber das Fluid gestoppt wurde, zwingt die Feder 68 den Kolben 56 zur Fortsetzung der Drehung oder zum Stoppen der Drehung, und zwar abhängig davon, ob der Übergang von R1 zu R2 oder von R2 zu R1 stattfindet. Solchermaßen trägt der Nockenstößel 64 dazu bei, dass der Ventilkörper sich weiterdreht oder seine Drehung stoppt, wenn der Fluidstrom endet, um sicherzustellen, dass der Ventilkörper nicht zwischen den beiden Orientierungen steckenbleibt. Zum Halten der Feder 68 können an dem Ventil 10 eine oder mehrere Halterungen 71 mit Befestigern 73 befestigt sein.
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In 5, auf die nunmehr Bezug genommen wird, können der Ventilkörper 14 und insbesondere die Welle 20 von zwei Lageranordnungen 80 umschlossen sein, nämlich von einer an jedem Ende in dem Ventilgehäuse 12. Jede Lageranordnung 80 umfasst ein oder mehrere Lager 82 wie beispielsweise Ringlager, die in einem versiegelten Schutzgehäuse 84 sitzen. Die versiegelten Schutzgehäuse 84 verhindern eine Verunreinigung des Fluids und in der Folge eine geringere Betriebsdauer und einen vorzeitigen Ausfall der Lager 82. Dichtungen 86, die reibungsarme Doppellippendichtungen sein können, zum Beispiel QUAD-RING®-Dichtungen, können zwischen den Lageranordnungen 80 und dem Ventilgehäuse 12 verwendet werden.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Drehventil 10 kann sich der Ventilkörper 14 kontinuierlich in einer Richtung um seine Drehachse drehen, wodurch die eingangs genannten Probleme vermieden werden.
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Ein solches Drehventil 10 ist insbesondere bei einem automatischen, energieautarken Fluiddosierer wünschenswert. Wie man erkennen wird, kann mit einer solchen Vorrichtung das Fluid aus dem Auslass 18 mit einem dosierten Teil eines zweiten Fluids gemischt werden. Die Bewegung des Kolbens 34 kann auch dazu dienen, das enthaltene Fluid anzutreiben, oder das erste Fluid kann zu einem zweiten Kolben geleitet werden, der in ähnlicher Weise arbeitet, um eine dosierte Menge eines Fluids zu erhalten. Ein Dosierer dieser Art ist in dem
US-Patent 6,485,272 beschrieben, auf dessen relevante Abschnitte hiermit Bezug genommen wird. Jedoch ist die Verwendung des Drehventils 10 bei einem Fluiddosierer lediglich eine bevorzugte Verwendung, die keine Einschränkung darstellen soll.
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Wie aus der Beschreibung ersichtlich ist, erlaubt die Erfindung verschiedene Änderungen und Modifikationen der Ausführungsformen, die sich insbesondere von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen unterscheiden können. Es versteht sich, dass sämtliche Modifikationen und Änderungen in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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