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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Ventile und konkreter Drehventile zur Auswahl eines bestimmten Satzes von Einlass-/Auslassanschlüssen aus einer Mehrzahl solcher Sätze.
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Hintergrund
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Ventile werden gemeinhin in Geräten verwendet, in denen ein Fluidstransport stattfindet. Eine typische Ventilart, die beispielsweise in Laborsystemen mittlerer Größe wie Flüssigchromatographiesystemen (LCS) verwendet wird, ist das Drehventil.
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Ein Drehventil verfügt im Allgemeinen über einen feststehenden Körper, hier als Stator bezeichnet, im Zusammenspiel mit einem Drehkörper, hier als Rotor bezeichnet.
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Der Stator ist mit einer Anzahl von Einlass- und Auslassanschlüssen versehen. Mittels Bohrungen besteht eine Fluidverbindung zwischen diesen Anschlüssen und einem entsprechenden Satz von Öffnungen auf einer inneren Statorfläche. Bei der inneren Statorfläche handelt es sich um eine innere Oberfläche des Stators, die in fluiddichtem Kontakt mit einer inneren Rotorfläche des Rotors steht. Der Rotor hat typischerweise eine Scheibenform und die innere Rotorfläche wird im Rotationszusammenspiel an die innere Statorfläche gepresst. Die innere Rotorfläche ist mit einer oder mehreren Nuten versehen, die verschiedene Öffnungen in Abhängigkeit von der Drehposition des Rotors in Bezug auf den Stator miteinander verbinden.
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Drehventile können so konzipiert werden, dass sie hohem Druck standhalten (z. B. Druck von über 30 MPa). Sie können aus den verschiedensten Materialien hergestellt werden, darunter Edelstahl, polymeres Hochleistungsmaterial und Keramik.
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Die Anzahl der Ein-/Auslässe sowie die Konzeption der Nuten im Rotator oder Stator entsprechen dem Verwendungszweck des jeweiligen Ventils.
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Eine sehr gebräuchliche Ausführung eines Multifunktionsventils verfügt über eine Einlassöffnung (die sich typischerweise in der Rotationsachse des Ventils befindet) und eine Anzahl von Auslassöffnungen, die in gleichen Abständen um die Einlassöffnung herum angebracht sind. Der Rotor verfügt über eine einzige, sich strahlenförmig erstreckende Nut, deren eines Ende sich im Rotationszentrum befindet und somit immer mit dem Einlass verbunden ist, während das andere Ende mit einem beliebigen Auslass verbunden werden kann, und zwar in Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors bezüglich des Stators. Ein solches Ventil dient dazu, eine Strömung vom Einlass zu einem beliebigen Auslass zu leiten – und zwar nacheinander.
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Ein anderer Ventiltyp wird verwendet, um eine Komponente aus einem Komponentensatz auszuwählen, wobei jede Komponente über einen Einlass und einen Auslass verfügt. Ein Beispiel hierfür ist das 6-Port-ST Ventil von Valco Instruments Co. Inc., dargestellt in .
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Vier Komponenten 121–124, hier als Kapillarschleifen dargestellt, können mit dem Stator des Ventils verbunden werden. Das Statorventil verfügt weiterhin über einen Einlassanschluss 132 und einen Auslassanschluss 131. Der Ventilrotor verfügt über zwei Nuten 125, 126. Die äußere Nut 125, die in Fluidverbindung mit dem Einlassanschluss 132 steht, verfügt über einen Abschnitt, der strahlenförmig nach innen verläuft und eine Verbindung zu einem Ende 127 der ausgewählten Komponente 124 herstellt. Gleichzeitig verfügt die innere Nut 126, die in Fluidverbindung mit dem Auslassanschluss 131 steht, über einen Abschnitt, der strahlenförmig nach außen verläuft und eine Verbindung zu dem anderen Ende 128 der ausgewählten Komponente 124 herstellt.
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Somit kann der Anwender eine Strömung durch die ausgewählte Komponente leiten, während die anderen Komponenten vom Ventileinlass/-auslass abgeschnitten sind. Soweit die Strömungsrichtung durch das Ventil immer gleich bleibt, wird die Strömungsrichtung durch die jeweiligen Komponenten dadurch bestimmt, wie die Komponente mit dem Ventil verbunden ist.
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US4705627 offenbart ein Drehventil nach dem Stand der Technik zur Verteilung einer Flüssigkeit in unterschiedliche Richtungen und zum Auffangen von Flüssigkeiten aus verschiedenen Richtungen. Das Drehventil besteht aus zwei Statorscheiben, die über Durchgänge verfügen, die Teil vollständiger Durchgänge sind, durch die die Flüssigkeit fließt, sowie aus einem Rotor, der zwischen den beiden Statorscheiben angebracht ist und der über Durchgänge verfügt, die mit mindestens zwei ausgewählten Durchgängen der Statorscheibe kommunizieren und so vollständige Durchgänge bilden, durch die die Flüssigkeit fließt. Mit jeder intermittierenden Drehung des Rotors werden andere Durchgänge gebildet, durch die die Flüssigkeit fließt.
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Manchmal möchte der Anwender jedoch die Strömungsrichtung durch die Komponente ändern. Wenn es sich bei der Komponente um eine Chromatographiesäule handelt, ist es beispielsweise manchmal erwünscht, die Säule in einer Richtung zu befüllen und dann den in der Säule aufgefangenen Inhalt unter Verwendung der umgekehrten Strömungsrichtung zu eluieren. Bei einem Ventil nach dem Stand der Technik, wie oben beschrieben, ist es dann notwendig, die Strömung unter Einsatz weiterer Hilfsmittel umzukehren, wie beispielsweise eines Strömungsumkehrventils.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes, anwenderfreundlicheres Komponentenselektionsventil zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird von einem Ventil nach Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung gelöst. Es wird hiermit ein einziges Ventil vorgelegt, das sowohl die Komponentenauswahlfunktion als auch die Strömungsumkehrfunktion erfüllt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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zeigt eine schematische Ansicht eines bekannten Selektionsventils.
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zeigt eine schematische Seitenansicht eines Drehventils.
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zeigt die Vorderseite eines Ventilstators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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zeigt die innere Statorfläche des Stators aus .
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zeigt die Winkelverteilung der Öffnungen in der inneren Statorfläche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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zeigt die innere Rotorfläche eines Rotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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zeigt die Lage der Nuten im Rotor aus .
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zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Rotorposition.
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zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Rotorposition.
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zeigt eine schematische Ansicht einer dritten Rotorposition.
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zeigt eine schematische Ansicht von fünf mit einem Ventil verbundenen Komponenten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die Hauptkomponenten eines typischen Drehventils sind in schematisch dargestellt (wobei Halterungen oder ähnliche lasttragende Elemente oder Befestigungselemente nicht abgebildet sind). Das Drehventil 10 verfügt über einen Stator 11, einen Rotor 12, eine Drehwelle 13, die optional mit Mitteln (nicht abgebildet) ausgestattet werden kann, um ihre Winkellage zu erkennen, und eine Antriebseinheit 14, die typischerweise ein Getriebe sowie einen Motor umfasst (wobei ein Ventil auch manuell betrieben werden kann). Der Rotor ist in Bezug auf den Stator um eine Rotationsachse RA des Ventils drehbar.
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Der Stator 11, der in Bezug auf das Instrument, in das er eingebaut ist, statisch ist, verfügt über Anschlüsse (in nicht abgebildet) zur Fluidverbindung mit einer Fluidquelle und anderen Komponenten, mit denen das Ventil zusammenwirken soll. Die Anschlüsse können in jeder geeigneten Position auf der Außenfläche des Stators positioniert sein. Die Anschlüsse verfügen über Vorrichtungen, um Kapillaren oder Schläuche anzuschließen. Diese Vorrichtungen können jeder geeigneten Art sein, beispielsweise konventionelle Valco-Fittings, die jedem Fachmann hinlänglich bekannt sind. Diese Anschlüsse stehen über Kanäle in Fluidverbindung mit einem entsprechenden Satz von Öffnungen an einer inneren Statorfläche 11a, d. h. der Oberfläche von Stator 11, die während des Betriebs den Rotor 12 berührt.
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Der Rotor 12 hat typischerweise eine Scheibenform und verfügt über eine innere Rotorfläche 12a, bei der es sich um diejenige Fläche handelt, die während des Betriebs an die innere Statorfläche 11a gepresst wird. Die innere Rotorfläche 12a ist mit einer oder mehreren Nuten versehen, die verschiedene Öffnungen der inneren Statorfläche 11a in Abhängigkeit von der Drehposition des Rotors 12 in Bezug auf den Stator 11 miteinander verbinden.
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, die eine vereinfachte perspektivische Darstellung der Vorderseite eines Stators 11 zeigt, illustriert die Anordnung der Einlass- und Auslassanschlüsse 31a, 32a, 33a–37a, 33a'–37a' bei einer 12-Port-Ventilausführungsform der vorliegenden Erfindung, die verwendet werden kann, um eine Auswahl aus bis zu fünf angeschlossenen Komponenten zu treffen. Die Vorderseite ist hier die Seite des Stators 11, die der inneren Statorfläche 11a gegenüberliegt.
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Generell sei darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Anschlüsse sowie die Winkellage von Anschlüssen, Nuten und ähnlichen in den Abbildungen der vorliegenden Anmeldung dargestellten Einzelheiten sich bei unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung unterscheiden können, d. h. sie könnten bezüglich der Rotationsachse des Ventils gedreht, gespiegelt oder sonst wie verändert sein, solange ihr gemeinsames Zusammenwirken noch der Idee der Erfindung entspricht.
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Aufgrund der Tatsache, dass die Einlass-/Auslassanschlüsse im Stator mit den Öffnungen auf der inneren Statorfläche 11a über Bohrungen (oder sonstige Kanäle) verbunden sind, ist es außerdem möglich, die Anschlüsse in einer Weise anzuordnen, die von der Anordnung der Öffnungen auf der inneren Statorfläche 11a abweicht, indem zwischen den Anschlüssen und den Öffnungen nichtlineare Kanäle hergestellt werden. Die in den Stator führenden Anschlüsse können sogar an einer anderen Außenfläche des Stators als der Vorderseite platziert werden. Der Einfachheit halber sind die Anschlüsse jedoch so dargestellt, dass sie entsprechend den Öffnungen der inneren Statorfläche platziert sind, wie weiter unten in Bezug auf beschrieben.
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Der Stator 11 der Ausführungsform gemäß verfügt also über 10 Anschlüsse, die verwendet werden, um fünf Komponenten mit dem Ventil zu verbinden. In bezeichnen die Bezugszeichen 33a und 33a' die Anschlüsse, die in diesem Beispiel dem Anschluss einer dieser Komponenten entsprechen. Die weiteren Komponenten werden jeweils an die Anschlüsse 34a, 34a', 35a, 35a', 36a, 36a' und 37a, 37a angeschlossen. zeigt weiterhin einen zentralen Einlassanschluss 32a und einen Auslassanschluss 31a zu bzw. von dem Ventil.
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Wie zeigt, wird bei dieser Ausführungsform eine Komponente mit diametral gegenüberliegenden Anschlüssen des Ventils verbunden. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass das Ventil gleichermaßen verwendet werden kann, wenn der Ventileinlass und -auslass vertauscht werden, wenn also Anschluss 31a als Einlass und Anschluss 32a als Auslass verwendet werden, was in der Beschreibung der Ventilanordnung im Folgenden deutlich wird.
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Der Einlassanschluss 32a empfängt einen Fluidstrom von einer Hauptflüssigkeitsquelle, beispielsweise einer Pumpe. Aus dem Auslassanschluss 31a kann die Flüssigkeit in den sonstigen Bereich des Instruments oder in ein ausgewähltes Behältnis austreten.
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Bei den an das Ventil angebrachten Komponenten kann es sich, soweit das Ventil in einem LCS verwendet wird, um Chromatographiesäulen oder um Rückhalteschleifen, beispielsweise um herkömmliche Kapillarschleifen, handeln. Da das erfindungsgemäße Ventil eine Strömungsumkehr ermöglicht, kann jeder der Verbindungsanschlüsse als Einlass verwendet werden, solange der entsprechende Gegenanschluss jeweils als Auslass bzw. Einlass fungiert.
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zeigt eine perspektivische Ansicht des Stators 11 aus , betrachtet von der anderen Seite, d. h. die innere Statorflächenseite 11a. Es wird darauf hingewiesen, dass jeder Anschluss 31a, 32a, 33a, 33a'–37a, 37a' der Außenseite des Stators über einen Kanal mit der inneren Statorfläche 11a verbunden ist, der in einer Öffnung 31b, 32b, 33b, 33b'–37b, 37b', wie in der dargestellt, endet. Eine erste Komponente ist den Anschlüssen/Öffnungen 33a, 33a'/33b, 33b' zugeordnet, eine zweite Komponente den Anschlüssen/Öffnungen 34a, 34a'/34b, 34b' und so weiter.
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Zusätzlich zu den Öffnungen 33–37b, 33–37b', die in Fluidverbindung mit den Anschlüssen stehen, verfügt diese Ausführungsform über eine Nut 38 in der inneren Statorfläche 11a. Typischerweise entspricht die Breite der Nut dem Durchmesser einer Öffnung. Das erfindungsgemäße Ventil kann auch ohne diese Nut 38 konstruiert werden, es ist jedoch sinnvoll, die Nut hinzuzufügen. Der Vorteil dieser Nut 38 wird im Folgenden detailliert beschrieben.
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Betrachtet man die innere Statorfläche 11a, so ist die allgemeine Winkelverteilung der Öffnungen und der Nutenden für eine Ausführungsform der Erfindung in dargestellt. Die Positionen für Öffnungen, Nutenden und eventuell auch nicht verwendete Positionen sind bei dieser Ausführungsform im Wesentlichen gleichmäßig um die zentrale Öffnung des Stators verteilt (dieses Zentrum fällt mit der Rotationsachse des Ventils zusammen). Da der Stator gemäß dieser abgebildeten Ausführungsform über zwölf solcher Positionen verfügt, beträgt der Partitionswinkel α bei dieser Ausführungsform 30°. Bei anderen Ausführungsformen, die für eine größere oder geringere Anzahl anschließbarer Komponenten konzipiert sind, kann der Winkel von 30° abweichen. Bei einer Ausführungsform für vier anschließbare Geräte ist dementsprechend ein Winkel α' von 36° sinnvoll.
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Die Auslassöffnung (Öffnung 31b in ) und das äußere Ende der Nut 38 sind bei dieser Ausführungsform auf einem Radialabstand R1 vom Zentrum der inneren Statorfläche 11a angeordnet, während die Öffnungen 33b, 33b'–37b, 37b, die den Komponentenanschlüssen 33a, 33a'–37a, 37a zugeordnet sind, sowie das innere Ende der Nut 38 näher am Zentrum der inneren Statorfläche 11a auf einem Radialabstand R2 angeordnet sind.
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Beispielsweise eignet sich für eine Ausführungsform mit einem Öffnungsdurchmesser von 0,5 mm und einer Nutbreite von 0,5 mm ein R1 von 3 mm und ein R2 von 2 mm.
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zeigt eine innere Rotorfläche 12a eines Rotors 12 einer Ventilausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese innere Rotorfläche 12a ist an die zuvor beschriebene Ausführungsform einer inneren Statorfläche 11a, wie in und dargestellt, angepasst. Die innere Rotorfläche 12a weist eine im Wesentlichen ringförmige Nut 41 sowie eine strahlenförmige Nut 43 auf. Die ringförmige Nut 41 ist bei dieser Ausführungsform im Wesentlichen ringförmig mit einer strahlenförmig nach innen verlaufenden Verlängerung 42. Die strahlenförmige Nut 43 verläuft strahlenförmig vom Rotationszentrum der inneren Rotorfläche 12a nach außen.
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Die Geometrie der Nuten 41, 43 ist in genauer dargestellt. Die ringförmige Nut 41 befindet sich auf einem Radius R1, während sich ihre Verlängerung 42 zu einem Radius R2 vom Rotationszentrum der inneren Rotorfläche erstreckt. Die strahlenförmige Nut 43 erstreckt sich im Allgemeinen entsprechend der Verlängerung 42, jedoch in die entgegengesetzte Richtung, vom Rotationszentrum der Rotorfläche zu einem Radialabstand R2 vom Zentrum. Die Abstände R1 und R2 entsprechen denen, die für die innere Statorfläche 11a in verwendet werden. Die Breite der Nuten 41–42 und 43 entspricht typischerweise dem Durchmesser der Öffnungen.
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Die Tiefe der Nuten sowohl des Stators als auch des Rotors können dem spezifischen Durchfluss des Ventils entsprechend ausgewählt werden, bewegen sich aber typischerweise in derselben Größenordnung wie der Öffnungsdurchmesser.
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Im montierten Zustand wird die innere Rotorfläche 12a an die innere Statorfläche 11a gepresst, wie es für jedes herkömmliche Drehventil typisch ist (dies ist jedem Fachmann hinlänglich bekannt und wird hier nicht weiter erläutert). In Abhängigkeit von den gegenseitigen Winkelpositionen von Rotor 12 und Stator 11 werden unterschiedliche Betriebsarten für das Ventil erreicht. Diese sind in – dargestellt, wobei die Nuten des Rotors als dicke Linien angezeigt sind.
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In einer ersten Rotorposition, wie in dargestellt, ist die Komponentenöffnung 33b (und somit der Komponentenanschluss 33a) über die strahlenförmige Nut 43 mit der Ventileinlassöffnung 32b (und somit dem Ventileinlassanschluss 32a) verbunden. Gleichzeitig verbindet die ringförmige Nut 41 mit ihrer Verlängerung 42 die Komponentenöffnung 33b (und somit den Komponentenanschluss 33a') mit der Ventilauslassöffnung 31b (und somit dem Ventilauslassanschluss 31a).
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Soweit eine Komponente (nicht dargestellt), wie zum Beispiel eine Chromatographiesäule oder eine Kapillarschleife, mit den jeweiligen Anschlüssen 33a und 33a' verbunden ist, fließt einen Flüssigkeit, die durch den Einlassanschluss 32a (und die Einlassöffnung 32b) in das Ventil eintritt, durch die strahlenförmige Nut 43, tritt über die Öffnung 33b und den Anschluss 33a in die Komponente ein, durchfließt die Komponente und fließt über Anschluss 33a' und Öffnung 33b' in das Ventil zurück, und durchfließt die Verlängerung 42 und die ringförmige Nut 41, um schließlich das Ventil durch Auslassöffnung/-anschluss 31b und 31a zu verlassen.
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Durch Drehung des Rotors gegen den Uhrzeigersinn (bei Betrachtung der ) wird ein weiteres Paar von Verbindungsanschlüssen (wie beispielsweise 34a und 34a' in ) mit dem Ventileinlassanschluss 32a und -auslassanschluss 31a verbunden, wodurch eine andere angeschlossene Komponente ausgewählt wird.
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zeigt eine zweite Rotorposition, wobei der Rotor um 180° in Bezug auf die Position in gedreht ist. In dieser Position ist dieselbe Komponente angeschlossen, die Strömungsrichtung ist jedoch umgekehrt. Somit fließt ein Fluid, das auch hier durch den Einlassanschluss 32a und die Einlassöffnung 32b in das Ventil eintritt, durch die strahlenförmige Nut 43, tritt über die Öffnung und den Anschluss 33b' und 33a' in die Komponente ein, durchfließt die Komponente (in der umgekehrten Richtung), fließt über Anschluss und Öffnung 33a, 33b in das Ventil zurück, und durchfließt die Verlängerung 42 und die ringförmige Nut 41 um schließlich das Ventil durch Auslassöffnung/-anschluss 31b und 31a zu verlassen.
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Somit wird die Strömungsrichtung durch die Komponente einfach durch eine Drehung des Rotors um 180° umkehrt, ohne dass zusätzliche Ventile verwendet oder neue Verbindungen hergestellt werden müssen.
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Darüber hinaus ermöglicht die dargestellte Ausführungsform eine dritte Position, wie in gezeigt, bei der eine Verbindung zwischen dem Ventileinlass und -auslass hergestellt wird, sodass die Strömung das Ventil durchfließen kann, ohne in eine der angeschlossenen Komponenten einzutreten.
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In der Umgehungposition tritt die Flüssigkeit in den zentralen Einlassanschluss und die -öffnung 32a und 32b ein und durchfließt die strahlenförmige Nut 43 und die Statornut 38. Dann durchfließt sie die ringförmige Nut 41, um das Ventil über Auslassöffnung und -anschluss 31b und 31a zu verlassen. In dieser Position ist es auch möglich, die ringförmige Nut 41 durchzuspülen.
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Die Statornut 38 wird zwar bevorzugt, um die Anzahl der externen Anschlüsse zu reduzieren, sie ist jedoch nicht erfindungswesentlich. Es könnte stattdessen mittels eines weiteren Satzes von Einlass-/Auslassanschlüssen (z. B. ähnlich den Anschlüssen 33a und 33a'), die extern durch ein Schlauchstück miteinander verbunden sind, ein externer Bypass geschaffen werden. Hierzu könnten natürlich beliebige, sich diametral gegenüberliegende Positionen des Ventils dienen, sodass jeder der Einlass-/Auslassanschlüsse als Bypass-Anschluss verwendet werden könnte.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform handelt es sich lediglich um ein Ausführungsbeispiel. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Anzahl der Anschlüsse sowie der Öffnungen variabel ist, und dass somit auch eine beliebige andere Anzahl an Komponenten angeschlossen werden kann. Des Weiteren können auch die Positionen der Öffnungen und Nuten leicht verändert werden. Das einschränkende Merkmal liegt darin, dass die ringförmige Nut 41 stets in Fluidverbindung mit der Auslassöffnung 31b stehen und keinen Kontakt mit irgendeiner der anderen Öffnungen haben sollte, dass die strahlenförmige Nut 43 stets in Fluidverbindung mit der Einlassöffnung 32b stehen und durch Drehung sämtliche Anschlussöffnungen 33b–37b, 33b'–37b' erreichen können sollte, und dass die. Verlängerung 42 durch Drehung sämtliche Anschlussöffnungen erreichen können muss. Um sämtliche Vorteile der vorliegenden Erfindung zu nutzen, werden die anzuschließenden Komponenten an zwei diametral gegenüberliegende Öffnungen angeschlossen und die Verlängerung 42 und die strahlenförmige Nut 43 liegen sich ebenfalls diametral gegenüber.
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zeigt, wie fünf Komponenten 51–55 (in diesem Fall als Kapillarschleifen dargestellt) an die beschriebene Ventilausführungsform angeschlossen werden. In diesem Fall ist der Ventilrotor in einer Position dargestellt, in der die dritte Komponente 53 ausgewählt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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