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Die Erfindung betrifft ein modulares Ventilsystem.
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Zur Steuerung einer Fluidströmung durch ein Ventilsystem werden viele unterschiedliche Komponenten benötigt. Beispielsweise können zum Aufbau einer Wasserstoffversorgung für Brennstoffzellen zwei Ventile, ein Druckregler, diverse Drucksensoren, Manometer und Sicherheitsventile verschaltet werden. Durch die Verwendung eines Anschlussblocks, in denen alle benötigten Fluidleitungen sowie alle Anschlüsse für die einzelnen Komponenten bereits in einem massiven Bauteil ausgebildet sind, lässt sich eine kompakte und sichere Verschaltung komfortabel erreichen. Es ist jedoch von Nachteil, dass für jedes System ein eigener Anschlussblock hergestellt werden muss.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein modulares System zu schaffen, bei dem benötigte Komponenten flexibel ausgewählt und modular miteinander verbunden werden können.
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Erfindung gemäß ist hierzu ein modulares Ventilsystem vorgesehen, mit einer Anzahl von eine Fluidströmung durch das Ventilsystem steuernden Funktionsbauteilen wie Ventilen, Druckreglern, Adaptern, Verteilern, Drucksensoren oder ähnlichem, und wenigstens zwei unterschiedlich ausgebildeten Anschlussblöcken, die jeweils einem Funktionsbauteil zugeordnet sind. Jeweils ein Anschlussblock bildet zusammen mit einem auf einer Funktionsseite des Anschlussblocks befestigten Funktionsbauteil eine Funktionseinheit. Alle Anschlussblöcke sind quaderförmig gestaltet und weisen auf zwei entgegengesetzten Stirnseiten, die eine Einlassseite und eine Auslassseite bilden, einen Einlass bzw. einen Auslass auf, und die Einlassseite und die Auslassseite sämtlicher Anschlussblöcke sind identisch gestaltet. Mehrere Funktionseinheiten können direkt strömungsmäßig miteinander verbunden werden, wobei Auslass und Einlass benachbarter, verbundener Anschlussblöcke fluchten.
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Die Maße der Einlassseite (die denen der Auslassseite entsprechen) geben eine Größe für die einzelnen Funktionseinheiten vor, sodass beliebige Kombinationen unterschiedlicher Funktionseinheiten durch einfaches Aneinanderfügen von Funktionseinheiten hergestellt werden können. Das System ist unabhängig von Maßen und Anschlussanordnungen der einzelnen Funktionsbauteile, da die für die Bildung der Strömungsverbindungen wesentlichen Abmessungen der Funktionseinheiten durch den jeweiligen Anschlussblock bestimmt werden.
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Um ein einheitliches Längenmaß zu schaffen, ist vorteilhaft die Länge der Einlass- bzw. Auslassseite wenigstens so breit wie eine Breite des breitesten der Funktionsbauteile. Es wird in Kauf genommen, dass bei kleineren Funktionsbauteilen Platz auf dem Anschlussblock verschenkt wird, um identische Abmessungen der Einlass- und Auslassseiten sämtlicher Funktionseinheiten zu erhalten.
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Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Ventilsystem wenigstens ein ON-OFF-Ventil und einen Druckregler oder ein ON-OFF-Ventil und ein Proportionalventil sowie eigene und unterschiedliche, dem ON-OFF-Ventil, dem Druckregler bzw. dem Proportionalventil zugeordnete Anschlussblöcke mit auf der Funktionsseite an unterschiedlichen Stellen mündenden Fluidkanälen, an die das ON-OFF-Ventil, der Druckregler bzw. das Proportionalventil angeschlossen sind.
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Die Höhe der Anschlussblöcke entspricht im Wesentlichen der Höhe der Einlass- bzw. Auslassseite. Die Höhe wird vorzugsweise durch die Fluidführung des komplexesten der Funktionsbauteile (d. h. die größte Länge aller Kanäle im Inneren aufweisenden Anschlussblöcke) bestimmt. Diese Fluidführung entscheidet beispielsweise über die benötigte Anzahl in der Höhe gestaffelt verlaufender Fluidkanäle im Inneren des Anschlussblockes. Die maximal benötigte Höhe bestimmt die einheitliche Höhe aller Anschlussblöcke.
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Somit besitzen die Anschlussblöcke aller Funktionseinheiten die gleiche Länge und die gleiche Höhe. Die Abmessungen der unterschiedlichen Anschlussblöcke senkrecht zur Einlass- bzw. Auslassseite sind hingegen variabel und abhängig vom jeweiligen zugeordneten Funktionsbauteil.
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Jeder Anschlussblock weist vorteilhaft wenigstens eine durchgehende Befestigungsöffnung auf, wobei die Befestigungsöffnungen benachbarter, strömungsmäßig verbundener Funktionseinheiten fluchten. Diese Gestaltung erlaubt eine einfache Verbindung der einzelnen Funktionseinheiten, in dem beispielsweise eine durchgehende Gewindestange durch sämtliche Anschlussblöcke hindurch geschoben und an den Enden verschraubt wird, um die Funktionseinheiten zusammen zu halten.
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Nach einer bevorzugten Gestaltung weist jede Einlassseite zwei Befestigungsöffnungen und eine Einlassöffnung auf, wobei alle Öffnungen auf einer Geraden liegen, die diagonal über die Einlassseite verläuft. Der Einlass liegt dabei mittig zwischen den beiden Befestigungsöffnungen.
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Die Auslassseite kann genauso gestaltet sein wie die Einlassseite und zwei Befestigungsöffnungen und eine Auslassöffnung aufweisen, die auf einer Geraden liegen, die diagonal über die Auslassseite verläuft, wobei vorzugsweise der Auslass mittig zwischen den beiden Befestigungsöffnungen angeordnet ist.
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Im Gegensatz zu den Einlass- bzw. Auslassseiten, die alle identisch gestaltet sind, ist die Funktionsseite jedes Anschlussblocks auf das jeweilige, dem Anschlussblock zugeordnete Funktionsbauteil abstimmbar, indem speziell auf das Funktionsbauteil abgestimmte Fluid-Ein- und -Auslässe sowie Befestigungsöffnungen vorgesehen sind.
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Im Inneren jedes Anschlussblocks sind vorzugsweise auf das jeweilige, dem Anschlussblock zugeordnete Funktionsbauteil abgestimmte Fluidkanäle ausgebildet, die je nach der Funktion des Funktionsbauteils völlig unterschiedlich gestaltet sein können.
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Im erfindungsgemäßen modularen Ventilsystem sind vorteilhaft auch Anschlussblöcke für Adapter und Verteiler vorgesehen, die eine zweidimensionale Fluidverteilung ermöglichen. Z. B. kann ein Anschlussblock so gestaltet sein, dass Anschlüsse für mehrere nebeneinander angeordnete Funktionseinheiten vorgesehen sind, indem der jeweilige Anschlussblock wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Bereiche aufweist, die jeweils einer Einlassseite bzw. auf einer entgegengesetzten Stirnseite einer Auslassseite entsprechen. Im Inneren derartiger Anschlussblöcke sind Fluidkanäle vorgesehen, die die nebeneinanderliegenden Bereiche strömungsmäßig verbinden.
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Mit dem erfindungsgemäßen modularen Ventilsystem lässt sich im Prinzip jede gewünschte Fluid-Schaltung realisieren. Für jedes Funktionsbauteil muss nur ein einziges Mal ein Anschlussblock entworfen werden. Ein Funktionsbauteil wird vorzugsweise stets nur mit einem einzigen Anschlussblock zusammen verwendet.
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Neben dem Einlass und dem Auslass kann der Anschlussblock beliebige, auf die Funktion des Funktionsbauteils abgestimmte weitere Fluid-Ein- und -Auslässe aufweisen. Jede Funktionseinheit hat jedoch einen Einlass und einen Auslass, die bei allen Funktionseinheiten an exakt der gleichen Position auf der Einlass- bzw. der Auslassseite angeordnet sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1–8 Beispiele für unterschiedliche Funktionseinheiten eines erfindungsgemäßen modularen Ventilsystems;
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9 eine schematische perspektivische Ansicht eines Anschlussblocks für eine Funktionseinheit eines erfindungsgemäßen modularen Ventilsystems;
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10 eine Draufsicht auf die Einlassseite des Anschlussblocks aus 9;
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11 eine Draufsicht auf die Auslassseite des Anschlussblocks aus 9;
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12 verschiedene Varianten der Befestigungsöffnungen auf der Einlassseite des Anschlussblocks aus 9;
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13 verschiedene Varianten der Befestigungsöffnungen auf der Auslassseite des Anschlussblocks aus 9;
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14 eine Draufsicht auf eine Seitenfläche des Anschlussblocks aus 9;
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15 eine Draufsicht auf die Funktionsseite des Anschlussblocks aus 9;
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16 eine Schnittansicht entlang der Linie XVI-XVI aus 14;
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17 eine Schnittansicht entlang der Linie XVII-XVII aus 15;
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18 eine Draufsicht auf die Unterseite des Anschlussblocks aus 9;
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19–22 verschiedene Kombinationen mehrerer Funktionseinheiten.
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In den 1 bis 8 sind verschiedene Funktionseinheiten 10 eines modularen Ventilsystems dargestellt. Jede der Funktionseinheiten 10 besteht aus einem Funktionsbauteil 12 und einem direkt damit verbundenen Anschlussblock 14.
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Bei den Funktionsbauteilen 12 handelt es sich beispielsweise um ON-OFF-Ventile (1 bis 3), mechanische Druckregler (4 bis 6) oder Proportionalventile (7 und 8). Andere Funktionsbauteile wie beispielsweise Drucksensoren, Manometer, Rückschlagventile oder Filter können natürlich auch verwendet werden.
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Außerdem wird das modulare Ventilsystem durch Anschlussblöcke ergänzt, die z. B. Adapter oder Verzweigungen bilden (siehe auch 23 bis 27).
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Ein beispielhafter Anschlussblock 14 ist in den 9–18 dargestellt.
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Alle Anschlussblöcke 14 sind im Wesentlichen quaderförmig gestaltet.
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Jeder Anschlussblock 14 hat eine erste Stirnseite, die eine Einlassseite 16 mit einem Einlass 20 bildet, sowie eine der Einlassseite 16 entgegengesetzte Stirnseite, die eine Auslassseite 18 mit einem Auslass 22 bildet (siehe beispielsweise 9).
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Bei allen Funktionseinheiten 10, auch mit funktional deutlich unterschiedlichen Funktionsbauteilen 12, sind bei den zugeordneten Anschlussblöcken 14 alle Einlassseiten 16 identisch. Auch die Auslassseiten 18 sind komplett identisch gestaltet. Dies betrifft jeweils sowohl ihre Abmessungen als auch die Position des Einlasses 20 bzw. des Auslasses 22.
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Auch wenn sich die Einlass- und Auslassseiten 16 bzw. 18 unterscheiden können, so sollten dennoch die Lagen der Einlässe 20 und Auslässe 22 auf der Einlass- verglichen zur Auslassseite gleich sein, um ein Ankoppeln einer Einlassseite eines angrenzenden Anschlussblocks an die Auslassseite eines benachbarten zu ermöglichen.
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Die Länge L der Längsseite der Einlassseite 16 (bzw. Auslassseite 18) ist bei sämtlichen Anschlussblöcken 14 des modularen Ventilsystems gleich. Genauso ist die Höhe h, die der kurzen Seite der Einlassseite 16 bzw. Auslassseite 18 entspricht, bei allen Anschlussblöcken 14 identisch.
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Die Länge L wird durch das breiteste Funktionsbauteil 12 der Anzahl der im modularen Ventilsystem vorgesehenen Funktionsbauteile 12 bestimmt. Wie in den 1–8 zu erkennen ist, variiert die Breite b der Funktionsbauteile 12 (die Breite b bezeichnet hier die Abmessung des Funktionsbauteils 12 von der Einlassseite 16 bzw. der Auslassseite 18 aus betrachtet).
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Die Höhe h und die Länge L der Einlassseite 16 bzw. Auslassseite 18 bestimmen die maximale Höhe h und die maximale Länge L des Anschlussblocks 14.
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Die Abmessung des Anschlussblocks 14 senkrecht zur Einlassseite 16 bzw. Auslassseite 18 hingegen ist variabel und abhängig vom jeweiligen, dem Anschlussblock 14 zugeordneten Funktionsbauteil 12.
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Sowohl der Einlass 20 als auch der Auslass 22 sind im gezeigten Beispiel mittig auf der Einlassseite 16 bzw. der Auslassseite 18 angeordnet und verlaufen senkrecht in den Anschlussblock 14 hinein.
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Jeder Anschlussblock 14 weist zwei Befestigungsöffnungen 24 auf, die sich jeweils von der Einlassseite 16 bis zur Auslassseite 18 erstrecken und geradlinig durch den Anschlussblock 14 hindurchgehen. Die beiden Befestigungsöffnungen 24 sind jeweils in den Ecken der Einlassseite 16 bzw. der Auslassseite 18 angeordnet, und zwar so, dass sie zusammen mit dem Einlass 20 bzw. dem Auslass 22 auf einer Geraden liegen, die diagonal über die Einlassseite 16 bzw. die Auslassseite 18 verläuft.
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Zur festen Verbindung verschiedener Funktionseinheiten 10 miteinander werden beispielsweise Gewindeschrauben durch sämtliche Befestigungsöffnungen 24 aller Anschlussblöcke 14 der Kombination geschoben.
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Auf der Einlassseite 16 sind in einer Variante zwei Vertiefungen um die Befestigungsöffnung 24 vorgesehen, die einen Kopf 26 jeweils einer Zylinderschraube so aufnehmen kann, dass er nicht über die Fläche der Einlassseite 16 hinaus ragt (oben rechts in 12).
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In einer anderen Variante werden zur Befestigung zwei Gewindestangen verwendet, und auf der Einlassseite 16 ist jeweils eine Schlitzmutter 28 aufgesetzt (unten links in 12).
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Die Auslassseite 18 ist in einer Variante im Bereich der Befestigungsöffnungen 24 ebenfalls vertieft, sodass eine Sechskantmutter 30 aufgenommen werden kann. In der linken oberen Ecke der 13 ist eine gefräste Aufnahme für eine Sechskantmutter 30 gezeigt, während in der rechten unteren Ecke der 13 eine sechseckige Aufnahme für eine Sechskantmutter bei einem in einem Spitzgussverfahren gefertigten Anschlussblock 14 gezeigt ist.
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Die genaue Ausgestaltung der Umgebung der Befestigungsöffnungen 24 in der Einlassseite 16 bzw. der Auslassseite 18 bleibt dem Fachmann überlassen.
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Eine der beiden an die langen Seiten L der Einlassseite 16 und der Auslassseite 18 anschließenden Flächen des Anschlussblocks 14 bildet eine Funktionsseite 32, auf die das jeweils zugeordnete Funktionsbauteil 12 aufgesetzt und an der dieses befestigt ist (siehe beispielsweise 15). Die Funktionsseite 32 ist individuell auf die Fluid-Anschlüsse und Befestigungspunkte des jeweiligen Funktionsbauteils 12 abgestimmt. Hierzu sind entsprechend angeordnete Fluid-Anschlüsse 34, die in passend ausgebildete Fluidkanäle 38 im Inneren des Anschlussblocks 14 münden, und Befestigungsöffnung 36 auf der Funktionsseite 32 vorgesehen.
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Hinsichtlich der Funktionsseite 32 unterscheiden sich die verschiedenen Anschlussblöcke 14 der unterschiedlichen Funktionseinheiten 10. Auch die Anordnung der Fluidkanäle 38, die durch das Innere des Anschlussblocks 14 verlaufen, variiert in Abhängigkeit des jeweils zugeordneten Funktionsbauteils 12.
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Es sind jedoch Fluidkanäle 38 vorhanden, die mit den vom Einlass und vom Auslass ausgehenden Kanälen in Strömungsverbindung stehen und in sie münden.
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Bei dem in den 9–18 beispielhaft dargestellten Anschlussblocks 14 kann etwa ein ON-OFF-Ventil als Funktionsbauteil 12 aufgesetzt werden.
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Die 16 und 17 zeigen den Verlauf der Fluidkanäle 38 vom Einlass 20 zum Auslass 22. Wie in 17 zu erkennen ist, ist der Einlass 20 mit einem ersten Fluid-Anschluss 34 verbunden, der auf der Funktionsseite 32 mündet, während der Auslass 22 mit einem zweiten dort mündenden Fluid-Anschluss 34 verbunden ist. Daher erfolgt jegliche Fluidströmung vom Einlass 20 zum Auslass 22 nur über das Funktionsbauteil 12.
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Über die Befestigungsöffnungen 36 wird das jeweilige Funktionsbauteil 12 fest am jeweiligen Anschlussblock 14 befestigt, beispielsweise durch Verschrauben.
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Der hier gezeigte Anschlussblock 14 hat zwei weitere Fluidkanäle, die in Seitenwänden 40 des Anschlussblocks 14 jeweils in einem Anschluss 42 münden. Dort können beispielsweise zusätzliche Komponenten wie etwa Druckmesser oder zusätzliche Ein- und Ausgänge angeordnet werden. Diese Fluidkanäle sowie auch die Anschlüsse 42 sind optional. Derartige zusätzliche Fluidkanäle und Anschlüsse können bei jedem Anschlussblock 14 im Ermessen des Fachmanns in beliebiger Anzahl vorgesehen sein oder durch einen Stöpsel verschlossen werden.
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18 zeigt eine Unterseite 44 des Anschlussblocks 14 mit zwei Befestigungsöffnungen 46, die dazu dienen, den Anschlussblock 14 selbst und damit die jeweilige Funktionseinheit 10 an anderen Bauteilen zu befestigen.
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Der Auslass 22 ist von einer Vertiefung 48 umgeben, in die eine Dichtung, beispielsweise ein O-Ring, eingelegt werden kann, sodass sich auf einfache Weise eine fluiddichte Verbindung zwischen den Funktionseinheiten 10 ergibt.
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Um bei der Verschaltung die Einlassseite 16 und die Auslassseite 18 sicher und einfach unterscheiden zu können, sind hier zwei diagonal gegenüberliegende Ecken des Anschlussblocks 14 an der Auslassseite 18 zurückgesetzt, sodass rechteckige Ausnehmungen 50 entstehen. Das ist vor allem bei spanender Fertigung günstig. Alternativ können die Blöcke 14 spritzgusstechnisch z. B. aus Kunststoff hergestellt werden. Dann könnte z. B. eine 6-kant-Form wie in 13 rechts unten direkt ohne Ausnehmung in den Block 14 integriert werden. Die Ausnehmungen 50 können jeweils mit den Aufnahmen für die Sechskantmuttern 30 auf der Auslassseite 18 zusammenfallen.
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Generell kann der Anschlussblock 14 auf jede geeignete Weise und aus jedem geeignetem Material (Metall oder Kunststoff) hergestellt werden, beispielsweise durch individuelles Fräsen oder durch ein Spritzgussverfahren.
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Aufgrund der identischen Gestaltung aller Einlassseiten 16 bzw. Auslassseiten 18 können die jeweiligen Funktionseinheiten 10 zu beliebigen Kombinationen in kompakten Baugruppen verbunden werden. Beispiele davon sind in den 19–22 dargestellt.
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Die 19 zeigt eine Kombination zweier ON-OFF-Ventile mit einem mechanischen Druckregler.
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Die 20 zeigt eine Kombination, bei der ein mechanischer Druckregler zwischen zwei ON-OFF-Ventile geschaltet ist.
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In 21 ist eine Kombination aus einem ON-OFF-Ventil und einem Proportionalventil dargestellt.
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Bei der in den 19–21 dargestellten Baugruppen sind alle Funktionseinheiten 10 linear hintereinander angeordnet, sodass eine Fluidströmung vom Einlass 20 der zuvorderst angeordneten Funktionseinheit 10 zum Auslass 22 der hintersten Funktionseinheit 10 verläuft.
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22 zeigt eine zweidimensionale Verschaltung von insgesamt vier Funktionseinheiten 10, nämlich eine Kombination von zwei parallel geschalteten ON-OFF-Ventilen, beispielsweise für den Einsatz von zwei Wasserstoffspeichern und einem mechanischen Druckregler, der mit einem weiteren ON-OFF-Ventil verbunden ist.
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Um eine derartige Anordnung zu realisieren, sind z. B. Adapter, Verteiler- oder Verzweiger-Anschlussblöcke 14' vorgesehen, von denen Beispiele in den 23–27 gezeigt sind.
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Der Adapterblock 14' nach 23 ermöglicht die Verwendung einer Hohlschraube zur gleichzeitigen mechanischen und fluidischen Verbindung.
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24 zeigt einen Adapterblock 14', in den beispielsweise ein Filter oder ein Rückschlagventil integriert ist.
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25 zeigt einen Adapterblock 14' zur Adaption von zusätzlichen Komponenten mit unterschiedlichen Gewindeanschlüssen.
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26 zeigt beispielsweise ein 2-fach-Verzweigungsbauteil, das zwei Einlässe 20, aber nur einen einzigen Auslass 22 aufweist. Die Einlassseite 16' und die Auslassseite 18' entsprechen in ihren Abmessungen genau der Höhe h der Anschlussblöcke 14 und einer Länge, die größer ist als die doppelte Länge L der Einlassseite 16 bzw. Auslassseite 18 der Anschlussblöcke 14. Ein durchgehender Fluidkanal im Inneren des Anschlussblocks 14' (hier nur angedeutet durch einen stirnseitigen Anschluss 42) verbindet sämtliche Einlässe 20 mit dem Auslass 22, sodass z. B. eine Mischung verschiedener Gase möglich ist oder zwei voneinander unabhängige Versorgungsstränge bereitgestellt werden.
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Auch in diesen Anschlussblöcken 14' findet sich also die Geometrie der Anschlussblöcke 14 wieder. Daher können diese Bauteile problemlos verwendet werden, um Verzweigungen auf weitere Funktionseinheiten 10 des erfindungsgemäßen modularen Ventilsystems oder Übergänge auf andere Fluid-Strömungssysteme herzustellen.
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Die gezeigten Anschlussblöcke 14, 14' sowie die gezeigten Funktionseinheiten 10 stellen nur Beispiele dar. Nach dem erläuterten Prinzip lassen sich beliebige Funktionseinheiten 10 für ein modulares Ventilsystem bilden.
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Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Ventilsystem wenigstens ein ON-OFF-Ventil und einen Druckregler oder ein ON-OFF-Ventil und ein Proportionalventil sowie eigene und unterschiedliche, dem ON-OFF-Ventil, dem Druckregler und dem Proportionalventil zugeordnete Anschlussblöcke mit auf der Funktionsseite an unterschiedlichen Stellen mündenden Fluidkanälen, an die das ON-OFF-Ventil, der Druckregler und das Proportionalventil angeschlossen sind.
