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Die Erfindung betrifft ein Ventil für gasförmige und flüssige Medien, mit einem Ventilkörper, der mindestens zwei Mediumskanäle, mindestens einen Ventilsitz sowie einen federbelasteten, wippenartig gelagerten Schaltteil für das wahlweise Schließen und Öffnen des Ventilsitzes aufweist
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Bekannte Ventile dieser Art werden als Wippenventile bezeichnet und weisen einen Balken auf, der an einem Achszapfen gelagert und um diesen Achszapfen in einem begrenzten Bereich in der Art einer Wippe schwenkbar ist. Wird der Wippbalken, der mit der Kraft eines separaten Federelements beaufschlagt sein kann, in eine andere Position verschwenkt, kann ein Ventilsitz eines Mediumskanals wahlweise geöffnet oder geschlossen werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ventil der genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass unter Einsparung von Bauteilen mit einfachen Mitteln eine kompakte und kostengünstige Baueinheit sowie eine dauerhaft zuverlässige Funktionstüchtigkeit erzielt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
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Weitere Vorteile und wesentliche Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, die in schematischer Darstellung bevorzugte Ausführungsformen als Beispiel zeigt. Es stellen dar:
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1 ein erfindungsgemäßes Ventil in einer vergrößerten isometrischen Sprengdarstellung,
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2 das Ventil ähnlich der 1 ohne Oberteil in betätigter Schaltposition in einer isometrischen Ansicht,
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3 das Ventil der 1 in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht,
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4 das Ventil der 1 in nicht betätigter Schaltposition in einer geschnittenen Seitenansicht,
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5 das Ventil der 4 in betätigter Schaltposition in einer geschnittenen Seitenansicht,
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6 eine Baueinheit mit Membrane, Dichtkörper und Federschaltwippe in einer isometrischen Ansicht,
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7 eine andere Baueinheit mit Membrane, Dichtkörper und Federschaltwippe in einer isometrischen Ansicht,
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8 eine Federschaltwippe in einer anderen Ausführungsform in einer isometrischen Ansicht,
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9 eine Baueinheit ähnlich der 7, jedoch mit einer anderen Federschaltwippe in einer isometrischen Ansicht.
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Das in den 1 bis 5 dargestellte mediengetrennte Dreiwegeventil ist für gasförmige und flüssige Medien vorgesehen und kann vorzugsweise in der Medizintechnik zum Beispiel für Dosieraufgaben bei Blutuntersuchungen oder bei chemischen Analysen zur Anwendung gelangen.
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Das Ventil besitzt einen bevorzugt aus Kunststoff hergestellten Ventilkörper 1, der einen Unterteil 2 und einen Oberteil 3 aufweist, die zweckmäßig mittels in Bohrungen 4a, 4b, 4c, 4d einzusetzende Schrauben oder ähnlichen Verbindungsmitteln zusammengehalten und auf einer hier nicht dargestellten Grundplatte oder dergleichen befestigt werden können. Für einen dichten Anschluss an der medienführenden Grundplatte kann am Unterteil 2 eine Aussparung 5 für die Aufnahme einer entsprechenden Dichtplatte ausgebildet sein.
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Der Unterteil 2 weist eine Ausnehmung 6 und drei Mediumskanäle 7, 8, 9 auf, die im Unterteil 2 in dessen Breitenmitte im Abstandsbereich zwischen den Bohrungen 4a, 4b mit letzteren in einer Reihe angeordnet sind und von der Aussparung 5 in die Ausnehmung 6 einmünden. Der der einen Bohrung 4a naheliegende äußere Mediumskanal 7 und der der anderen Bohrung 4b naheliegende äußere Mediumskanal 9 besitzen an den Einmündungen in die Ausnehmung 6 je einen Ventilsitz 10, 11, während die Einmündung des mittleren Mediumskanals 8 in die Ausnehmung 6 als sich zwischen den beiden Ventilsitzen 10, 11 erstreckende Längsmulde 12 ausgebildet ist. Außerdem besitzt der Unterteil 2 etwa in der Längsmitte zweier Seitenwände, die die Ausnehmung 6 in Längsrichtung begrenzen, je ein Auflager 13. Die beiden Auflager 13 überragen etwas die Oberseite 14 des Unterteils 2 und sind im Querschnitt derart dreieckförmig gestaltet, dass oben eine Schneidkante gebildet ist. Weiterhin ist in den beiden Seitenwänden des Unterteils 2 je eine schlitzartige Vertiefung 15, 16 ausgebildet, die sich von dem jeweiligen Auflager 13 bis zu der Unterteilstirnwand erstrecken, in der die Bohrung 4b angeordnet ist.
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Die Umfangswand der Ausnehmung 6 des Unterteils 2 weist umlaufend eine schmale Randauflage 17 auf, auf der der Außenrand 18 einer Membrane 19 aufliegt. Die Membrane 19 ist bevorzugt aus einem aseptischen Material wie zum Beispiel PTFE, EPDM, VITON hergestellt und überdeckt die gesamte Ausnehmung 6. Der Membrane 19 ist ein langgestreckter, im Querschnitt rechteckiger Dichtkörper 20 zugeordnet, der sich über den Mediumskanälen 7, 8, 9 befindet und zum wahlweisen Schließen und Öffnen der Mediumskanäle 7, 9 gegen deren Ventilsitze 10, 11 gedrückt oder von diesen abgehoben werden kann. Die Membrane 19 und der Dichtkörper 10 können als ein Bauteil materialeinheitlich einstückig ausgeführt sein.
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Über der Membrane 19 befindet sich ein rahmenförmiger Niederhalter 21, dessen Konfiguration im Wesentlichen der der Randauflage 17 entspricht und der auf dem Außenrand 18 der Membrane 19 aufliegt. Der Niederhalter 21 wird durch Seitenwandungen 22, die eine im Oberteil 3 ausgebildete Aushöhlung 23 mitbegrenzen, gegen den Außenrand 18 der Membrane 19 gedrückt, wodurch ein dichter Abschluss gegeben und mittels der Membrane 19 eine hermetische Trennung zwischen dem unter der Membrane 19 befindlichen Mediumsraum 24, in den die drei Mediumskanäle 7, 8, 9 einmünden, und dem über der Membrane 19 befindlichen Schaltraum 25 gewährleistet ist. Es kann also kein Medium in den Schaltraum 25 über der Membrane 19 gelangen.
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Über der Membrane 19 ist eine Federschaltwippe 26 angeordnet, die einen langgestreckten, flachrechteckförmigen Grundkörper 27, zwei von diesem in dessen Längsmitte in entgegengesetzte Richtungen rechtwinklig abstrebende Querstege 28, 29 sowie zwei von den Querstegen 28, 29 im rechten Winkel derart abstrebende Federarme 30, 31 aufweist, die in ein und derselben Richtung auf Abstand zum Grundkörper 27 und parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Federschaltwippe 26 wird mit dem Grundkörper 27, den Querstegen 28, 29 und den Federarmen 30, 31 vorteilhaft als materialeinheitlich einstückiges Bauteil in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt.
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In bevorzugter Ausführung kann die im Wesentlichen plane Federschaltwippe 26 aus einer dünnen Metallplatine, die integrierte Federeigenschaften aufweist und insbesondere aus rost- und säurebeständigem Edelstahl besteht, zum Beispiel durch Ausstanzen oder Herausätzen hergestellt sein. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, die Federschaltwippe 26 aus einer dünnen Kunststoffplatine herzustellen, die zur Erzielung besonderer Federeigenschaften integrierte Faserverstärkungen aufweisen kann.
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Die Federschaltwippe 26 ist so im Ventilkörper 1 gelagert, dass die Querstege 28, 29 auf den Schneidkanten der beiden Auflager 13 aufliegen. Dabei befinden sich die Federarme 30, 31 im Bereich der Vertiefungen 15, 16 des Unterteils 2. Der Grundkörper 27 kann auf der oberen Fläche des Dichtkörpers 20 aufliegen.
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Der Oberteil 3 des Ventilkörpers 1 besitzt ein in der Oberwand ausgebildetes Durchgangsloch 32, in dem ein bevorzugt stößelartiger Betätiger 33 gelagert ist. Wenn der Unterteil 2 und der Oberteil 3 zusammengesetzt sind, der Ventilkörper 1 also geschlossen ist, befindet sich der Betätiger 33 koaxial über dem Ventilsitz 10 des Mediumskanals 7 und liegt mit seinem unteren, gerundeten Stirnende 34 auf dem in der Zeichnung linken gerundeten Endteil 35 des Grundkörpers 27 der Federschaltwippe 26 auf.
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Außerdem liegen bei zusammengesetztem Ventilkörper 1 zwei am Oberteil 3 ausgebildete Gegenlager 36 auf den Querstegen 28, 29 der Federschaltwippe 26 auf. Die Gegenlager 36, die bevorzugt als im Querschnitt etwa halbkreisförmige Stege ausgebildet sein können, befinden sich exakt über den Schneidkanten der Auflager 13 und bilden mit letzteren die Wippenachse 37, um die die Federschaltwippe 26 schwenkt. Die Wippenachse 37 befindet sich in einem Abstand genau über dem mittleren Mediumskanal 8.
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Zudem ist der Zeichnung zu entnehmen, dass an dem Oberteil 3 des Ventilkörpers 1 zwei Vorsprünge 38 ausgebildet sind, die sich unmittelbar im Bereich der Vertiefungen 15, 16 des Unterteils 2 befinden und bei zusammengesetztem Ventilkörper 1 die freien Endbereiche der Federarme 30, 31 in die Vertiefungen 15, 16 drücken und hier positionieren (3). Dadurch sind die Federarme 30, 31 aus der Ebene des Grundkörpers 27 heraus in eine tiefer liegende Ebene gebogen, die etwas unter den Auflagern 13 liegt, so dass die Federschaltwippe 26 mit einer derartigen Federkraft vorgespannt ist, dass der in der Zeichnung rechte gerundete Körperteil 39 des Grundkörpers 27 den Dichtkörper 20 gegen den Ventilsitz 11 des Mediumskanals 9 drückt (4).
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Dem erfindungsgemäßen Ventil kann vorteilhaft ein hier nicht dargestellter elektromagnetischer Antrieb zugeordnet sein, der den Betätiger 33 mit einer Druckkraft und/oder Zugkraft axial verlagert. Das Ventil kann als so genanntes Universalventil bezeichnet werden, das für unterschiedliche Mediumssteuerungen einsetzbar ist.
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Zum Beispiel kann das Ventil für eine Mischfunktion verwendet werden, wobei zwei verschiedene Medien an den beiden äußeren Mediumskanälen 7 und 9 anstehen und über entsprechende Ventilschaltungen individuell gemischt werden können. Hierbei ist bei der in 4 dargestellten Schaltstellung der Ventilsitz 10 des Mediumskanals 7 durch die integrierte Federkraft der Federschaltwippe 26 geöffnet und der Ventilsitz 11 des Mediumskanals 9 geschlossen. Das eine Medium kann also vom Mediumskanal 7 in den äußerst klein gehalten Mediumsraum 24 einströmen und durch den mittleren Mediumskanal 8 wieder ausströmen. Da der rechte Körperteil 39 des Grundkörpers 27 den Dichtkörper 20 mittels der integrierten Federkraft auf den Ventilsitz 11 drückt, ist letzterer gesperrt und das andere Medium kann hier nicht in den Mediumsraum 24 einströmen.
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Gemäß 5 ist der Betätiger 33 gegen die integrierte Kraft der Federschaltwippe 26 in Pfeilrichtung auf den Endteil 35 des Grundkörpers 27 hinabgedrückt worden und das Ventil ist in der anderen Schaltposition, wobei der Grundkörper 27 mit dem Dichtkörper 20 um die Wippenachse 37 gegen den Uhrzeigersinn verschwenkt wurde. Der Dichtkörper 20 sperrt also den Ventilsitz 10, so dass das eine Medium hier nicht mehr in den Mediumsraum 24 hineinströmen kann. Dagegen ist der Ventilsitz 11 des Mediumskanals 9 freigegeben und das andere Medium kann hier ungehindert in den Mediumsraum 24 einströmen und letzteren durch den mittleren Mediumskanal 8 wieder verlassen.
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Das Ventil kann aber zum Beispiel auch für eine Weichen- bzw. Umschaltfunktion verwendet werden, wobei ein einziges Medium durch den mittleren Mediumskanal 8 in den Mediumsraum 24 einströmt und durch entsprechende Ventilschaltungen wahlweise in den linken Mediumskanal 7 oder den rechten Mediumskanal 8 geleitet werden kann. Wenn gemäß der in 4 dargestellten Schaltstellung der Ventilsitz 10 des Mediumskanals 7 durch die integrierte Federkraft der Federschaltwippe 26 geöffnet ist, ist der Ventilsitz 11 des Mediumskanals 9 geschlossen. Das vom Mediumskanal 8 in den Mediumsraum 24 einströmende Medium kann also ungehindert durch den linken Mediumskanal 7 wieder ausströmen. Da der rechte Körperteil 39 des Grundkörpers 27 den Dichtkörper 20 mittels der integrierten Federkraft auf den Ventilsitz 11 drückt, ist letzterer gesperrt und das Medium kann nicht in den rechten Mediumskanal 9 einströmen.
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Gemäß 5 ist das Ventil umgeschaltet worden, wobei der Betätiger 33 den Endteil 35 des Grundkörpers 27 gegen die integrierte Kraft der Federschaltwippe 26 niederdrückt. Dabei ist der Grundkörper 27 mit dem Dichtkörper 20 um die Wippenachse 37 im Gegenuhrzeigersinn verschwenkt wurde. Der Dichtkörper 20 sperrt also den Ventilsitz 10. Das Medium kann deshalb nicht in den Mediumskanal 7 hineinströmen. Dagegen ist der Ventilsitz 11 des rechten Mediumskanals 9 freigegeben und das Medium kann vom Mediumsraum 24 behinderungsfrei in den Mediumskanal 9 einströmen. Durch Umschalten der Federschaltwippe 26 kann das Medium somit mit der Funktion einer Weiche vom mittleren Mediumskanal 8 wahlweise in den linken Mediumskanal 7 oder den rechten Mediumskanal 9 geleitet werden.
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Die für das erfindungsgemäße Ventil in 6 dargestellte Baueinheit zeigt eine andere Ausführungsform, die eine Membrane 40, einen Dichtkörper 41 und eine Federschaltwippe 42 besitzt. Die Membrane 40 und der Dichtkörper 41 bestehen zweckmäßig aus einem Elastomer und sind bevorzugt materialeinheitlich einstückig ausgebildet, wobei gleich bei diesem Herstellungsprozess der hier nicht sichtbare Grundkörper der Federschaltwippe 42 in den Dichtkörper 41 mit eingebettet wurde, so dass die Teile ohne zusätzliche Befestigungen eine feste Einheit bilden. Die von dem eingebetteten Grundkörper seitlich abstrebenden Querstege 43, 44 weisen je eine Ausklinkung auf, aus denen je eine etwa quadratische Lasche 45, 46 im rechten Winkel nach oben gebogen sind. Die Laschen 45, 46 besitzen je ein Achsloch 47 für die Aufnahme eines hier nicht dargestellten Achsbolzens, der zweckmäßig am oberen Teil des Ventilkörpers 1 angeordnet ist und die Wippenachse 48 bildet, um die der Grundkörper und die Querstege 43, 44 mit den Laschen 45, 46 der Federschaltwippe 42 schwenken können. Die Federarme 30, 31 sind im Wesentlichen wie bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 5 an den Querstegen 43, 44 angeordnet und ausgebildet und sind mit ihren freien Enden etwas aus der Ebene des Grundkörpers der Federschaltwippe 42 nach unten gebogen.
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Die in der 7 dargestellte Baueinheit mit der Membrane 49, dem Dichtkörper 50 und der Federschaltwippe 51 ist ähnlich wie die Baueinheit der 6 ausgeführt. Die Federschaltwippe 51 besitzt die vom Grundkörper 52 abstrebenden Querstege 43, 44 mit den Ausklinkungen und den rechtwinklig hochgebogenen Laschen 45, 46, den Achslöchern 47, der Wippenachse 48 und den Federarmen 30, 31. Allerdings ist der Grundkörper 52 in 7 nicht im Dichtkörper 50 eingebettet, sondern an dessen Oberseite befestigt. Dazu weist der mit der Membrane 49 materialeinheitlich aus einem Elastomer bestehende Dichtkörper 50 einen eingebetteten Kunststoffteil 53 auf, der vorzugsweise vier nach oben strebende Vorsprünge 54 besitzt. Die Vorsprünge 54 durchsetzen den Grundkörper 52. Die überstehenden Enden der Vorsprünge 54 sind zum Beispiel durch Heißprägen derart nietkopfartig an der Oberseite des Grundkörpers 52 verformt, dass eine zuverlässige Befestigung der Federschaltwippe 51 an dem Kunststoffteil 53 des Dichtkörpers 50 gewährleistet und eine dauerhaft funktionstüchtige Baueinheit gegeben ist.
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Die in 8 dargestellte Federschaltwippe 55 weist eine besonders schmale Bauform auf. Dies wurde dadurch erreicht, dass die Ausbildung von Querstegen eingespart wurde. Etwa in der Längsmitte des Grundkörpers 56 sind an dessen beiden Längsseiten je eine annähernd quadratische Lasche 57, 58 angeordnet, die in einem rechten Winkel nach oben gebogen sind und je ein Achsloch 47 für einen ventilkörperseitigen Achsbolzen mit der Wippenachse 48 aufweisen. Die Wippenachse 48 befindet sich somit wie bei den Ausführungsformen der 6 und 7 in einer Ebene über dem Grundkörper 56. Am oberen Ende der Laschen 57, 58 befindet sich jeweils ein Federarm 59, 60, die so im rechten Winkel von den Laschen 57, 58 abstrebend angeordnet sind, dass sie sich in ein und derselben Richtung auf Abstand über den Längsseiten des Grundkörpers 56 parallel zueinander erstrecken. Die Federarme 59, 60 sind in der Nähe der Laschen 57, 58 durch eine 45°-Drehung 61 so verdrillt, dass die Flächenebene der freien Federarmenden etwa parallel zur Ebene des Grundkörpers 56 liegt. Die Federschaltwippe 55 kann mit dem Grundkörper 56, den Laschen 57, 58 und den Federarmen 59, 60 vorteilhaft als materialeinheitlich einstückiges Bauteil in einem einzigen Stanzbiege-Arbeitsgang hergestellt werden. Bei zusammengebautem Ventilkörper sind die Federarme 59, 60 in Vertiefungen gelagert, die im Oberteil des Ventilkörpers ausgebildet sind. Ein wesentlicher Vorteil dieser schmalen Federschaltwippe 55 besteht darin, dass der Ventilkörper sehr schmal und platzsparend gestaltet werden kann, so dass insbesondere bei mehreren zum Beispiel in einem Analysegerät angeordneten Ventilen eine äußerst kompakte Geräteeinheit realisierbar ist.
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9 offenbart ähnlich der 7 eine Baueinheit, welche die Membrane 49 mit dem materialeinheitlich einstückig angeformten Dichtkörper 50 und einen eingebetteten Kunststoffteil 62 aufweist, der die vorzugsweise vier nach oben strebenden Vorsprünge 54 und einen Lagerzapfen 63 besitzt. Die Vorsprünge 54 und der Lagerzapfen 63, der sich in der Längsmitte des Kunststoffteils 62 im Abstand zwischen den beiden inneren Vorsprüngen 54 befindet und ein Achsloch 64 für einen hier nicht dargestellten Achsbolzen aufweist, durchsetzen den Grundkörper 65 einer Federschaltwippe 66. Dabei sind die überstehenden Enden der Vorsprünge 54 zum Beispiel durch Heißprägen derart nietkopfartig an der Oberseite des Grundkörpers 65 verformt, dass eine zuverlässige Befestigung der Federschaltwippe 66 an dem Kunststoffteil 62 des Dichtkörpers 50 gewährleistet ist. An dem in der Zeichnung linken Vorsprung 54 ist ein Kupplungsteil 67 für einen hier nicht dargestellten Betätigungsstößel vorgesehen.
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An dem in der 9 rechten Ende weist die Federschaltwippe 66 eine Biegung 68 auf, die ungefähr halbkreisförmig ausgebildet ist. An diese Biegung 68 schließt sich ein Federarm 69 an, der sich in Richtung zum Kupplungsteil 67 auf Abstand ungefähr parallel über dem Grundkörper 65 erstreckt. In dem Federarm 69 sind drei Löcher 70 ausgebildet, die sich im Wesentlichen über den drei Vorsprüngen 54 befinden, die keinen Kupplungsteil 67 aufweisen. Die Federschaltwippe 66 ist mit dem Grundkörper 65, der Biegung 68 und dem Federarm 69 vorzugsweise materialeinheitlich einstückig ausgeführt, wobei sowohl der Grundkörper 65 als auch die Biegung 68 und der Federarm 69 im Wesentlichen die gleiche Breite besitzen, die aber so schmal gehalten ist, dass sie kleiner ist als die Breite des Dichtkörpers 50. Die Federschaltwippe 66 besitzt somit ebenfalls eine besonders schmale Bauform, indem auf eine Ausbildung von Querstegen verzichtet wurde. Bei zusammengebautem Ventilkörper kann insbesondere der freie Endbereich des Federarmes 69 an einer Wand im Ventilkörperoberteil unter Federkraftvorspannung anliegen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Baueinheit mit der Federschaltwippe 66 besteht darin, dass der Ventilkörper äußerst schmal und platzsparend gestaltet werden kann, so dass zum Beispiel bei einem Analysegerät, in dem eine Vielzahl von Ventilen anzuordnen ist, eine ausgesprochen kompakte Geräteeinheit erzielt werden kann.
