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Die Erfindung betrifft ein Ventil, mit einem Ventilgehäuse und einem diesbezüglich bewegbaren Ventilglied, wobei das Ventilglied mittels eines an mindestens einer mit ihm antriebsmäßig verbundenen Antriebsfläche anstehenden Steuerdruckes antreibbar ist, und mit mindestens einer Steuereinheit zur Bereitstellung des Steuerdruckes.
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Ventile dieser Art werden zur Steuerung von Fluidströmen genutzt. Hauptsächliche Anwendungsgebiete sind die Steuerung und Regelung (Dosierung/Mischung) von Stoffströmen sowie die gesteuerte Betätigung fluidbetätigter Antriebe, beispielsweise Pneumatikzylinder. Die
EP 2228576 B1 offenbart eine mögliche Bauform eines Ventils der vorgenannten Art.
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Das in der
EP 2228576 B1 offenbarte Ventil enthält ein Ventilgehäuse, in dem ein als Ventilschieber ausgebildetes Ventilglied verschiebbar aufgenommen ist. Stirnseitig an dem Ventilglied angeordnete Antriebskolben sind mit dem Ventilglied antriebsmäßig verbunden und weisen je eine vom Ventilglied wegweisende Antriebsfläche auf, die eine Steuerkammer begrenzt. Zum Umschalten des Ventilgliedes können die Steuerkammern mit einem Antriebsfluid beaufschlagt werden, das unter einem gewissen Steuerdruck steht, bei dem es sich um einen atmosphärischen Überdruck handelt. Die Zufuhr des Antriebsfluides ist durch eine Steuereinheit kontrollierbar, bei der es sich um ein elektrisch betätigbares Vorsteuerventil handelt.
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Das bekannte Ventil ermöglicht relativ große Hübe seines Ventilgliedes. Oftmals bestehen allerdings Anforderungen hinsichtlich sehr kurzer Schalthübe, auch wenn dadurch nur geringe Durchflussraten steuerbar sind. Derartige Umschaltvorgänge sollten möglichst mit kurzen Schaltzeiten bewältigt werden.
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Aus der
DE 20 2006 016 833 U1 ist ein Bernoulli-Sauger bekannt, der zum Handhaben nicht formstabiler oder zerbrechlicher Werkstücke dient. Die
DE 10 2008 062 343 A1 offenbart einen Sauggreifer, der ebenfalls nach dem Bernoulli-Prinzip arbeitet und eingesetzt wird, um handzuhabende Gegenstände vorübergehend festzuhalten.
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Die
DE 10 2007 019 928 A1 ,
GB 2 078 349 A ,
GB 1 089 220 A ,
GB 1 126 118 A ,
CH 600 221 A und
GB 1 488 147 A offenbaren jeweils ein Ventil zur Steuerung eines Fluidstromes, wobei in einer in einem separaten Steuerkreis angeordneten Venturi-Düse ein durch den Bernoulli-Effekt hervorgerufener Unterdruck zur Ventilsteuerung erzeugt wird.
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Aus der
FR 2 552 848 A1 und der
DE 10 2008 028 543 B3 ist jeweils ein Fluidventil bekannt, bei dem ein zur Steuerung eines Ventilgliedes dienendes Antriebsfluid mit einem Steuerdruck direkt auf eine mit dem Ventilglied antriebsmäßig verbundene Antriebsfläche einwirkt. Als Steuerdruck wirkt ein Unterdruck, der durch den Bernoulli-Effekt in einer vom Antriebsfluid durchströmten Venturi-Anordnung hervorgebracht wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zu schaffen, das bei einfachem Aufbau kurze Schaltzeiten ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass mindestens eine Steuereinheit als im Betrieb von einem unter Überdruck stehenden Antriebsfluid durchströmbare Bernoulli-Saugvorrichtung ausgebildet ist, die eine einer Antriebsfläche mit Abstand gegenüberliegende Unterdruckseite aufweist, an der das durch sie hindurchströmende Antriebsfluid unter Hervorrufen eines den Steuerdruck bildenden Unterdruckes ausströmt, so dass die Antriebsfläche durch Saugwirkung bewegbar ist.
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Das Antriebskonzept des erfindungsgemäßen Ventils basiert auf Unterdruck. Die bisher, bei konventionellen Ventilen, mit Überdruck beaufschlagte Antriebsfläche wird zur Erzeugung einer das Ventilglied bewegenden Stellkraft einem Unterdruck ausgesetzt. Dieser als Steuerdruck fungierende Unterdruck wird in vorteilhafter Weise mittels einer Steuereinheit generiert, die als Bernoulli-Saugvorrichtung ausgebildet ist und die einen unmittelbaren Bestandteil des Ventils bildet. Die Bernoulli-Saugvorrichtung wird während ihres Betriebes von einem unter atmosphärischen Überdruck stehenden Antriebsfluid durchströmt, das beim Austritt an der Unterdruckseite der Bernoulli-Saugvorrichtung einen Unterdruck hervorruft, der unmittelbar auch an der der Unterdruckseite gegenüberliegenden Antriebsfläche des Ventilgliedes wirksam ist. Aufgrund dieses Unterdruckes beziehungsweise der damit verbundenen Saugwirkung wird die Antriebsfläche an die Unterdruckseite der Bernoulli-Saugvorrichtung herangezogen und das mit der Antriebsfläche bewegungsgekoppelte Ventilglied entsprechend umgeschaltet. Mit einem derart ausgebildeten Ventil lassen sich vor allem relativ kurze Schalthübe eines Ventilgliedes mit kürzesten Umschaltzeiten und bei ausgezeichnetem Ansprechverhalten realisieren.
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Die Speisung der Bernoulli-Saugvorrichtung mit dem für ihren Betrieb erforderlichen Antriebsfluid kann prinzipiell mittels eines vorgeschalteten, elektrisch betätigbaren Vorsteuerventils gesteuert werden. Als besonders vorteilhaft werden allerdings Anwendungsbereiche angesehen, bei denen das Antriebsfluid ohne elektrische Vorsteuerung zuführbar ist, beispielsweise im Rahmen einer Sicherheitsschaltung, bei der die Bernoulli-Saugvorrichtung eingangsseitig an eine Fluidquelle angeschlossen ist, die nur bei einem Störfall ein als Antriebsfluid nutzbares Fluid ausgibt. Ohne zugeordnete elektrische Ansteuermaßnahmen eignet sich das Ventil optimal für Anwendungen, bei denen ein Explosionsschutz zu gewährleisten ist.
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Ein nicht unerheblicher Vorteil der Ansteuerung durch eine Bernoulli-Saugvorrichtung resultiert auch daraus, dass die als Festhaltekraft fungierende Saugkraft beim Abschalten der Fluidversorgung der Bernoulli-Saugvorrichtung praktisch sofort zusammenbricht, so dass das Ventil nach zuvor erfolgter Betätigung sehr schnell wieder deaktivierbar ist. Im übrigen tritt selbst bei längerem Festhalten des Ventilgliedes durch die entsprechend lang in Betrieb befindliche Bernoulli-Saugvorrichtung keine nennenswerte Erwärmung auf, wie sie bei elektrisch betätigbaren Ventilen kaum vermeidbar ist. Es tritt sogar durch die schnell ausströmende Luft eine gewisse Kühlung auf. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten führen zur Temperaturabsenkung in der Strömung.
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Als mögliche Anwendungsfälle für das erfindungsgemäße Ventil sind vor allem periodische Fördervorgänge hervorzuheben, die mit einem vorgeschalteten fluidischen Oszillator realisiert werden könnten und die insbesondere in der Verfahrenstechnik sowie in den Bereichen der Chemie, Biochemie und Pharmazie anzutreffen sind und insbesondere auch in Bereichen, in denen eine Medientrennung nötig ist. Systeme, die nur über eine fluidische Versorgung verfügen, können ein oder mehrere erfindungsgemäße Ventile enthalten, wobei auf einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verzichtet werden kann. Das Ventil zeichnet sich nicht zuletzt auch dadurch aus, dass es im Betrieb relativ verschleißarm ist und aber einen einfachen und robusten Aufbau verfügt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Die zur Betätigung des Ventilgliedes mit einer Bernoulli-Saugvorrichtung kooperierende Antriebsfläche kann je nach Ventilaufbau nur einfach oder auch mehrfach, Letzteres insbesondere zweifach vorhanden sein. Bei mehrfachem Vorhandensein einer Antriebsfläche ist zweckmäßigerweise jeder Antriebsfläche eine als Bernoulli-Saugvorrichtung ausgestaltete Steuereinheit zugeordnet. Das Ventilglied kann insbesondere auf einander entgegengesetzten Seiten mit je einer Antriebsfläche wirkverbunden sein, die mittels einer Bernoulli-Saugvorrichtung in gesteuerter Weise einem Unterdruck ausgesetzt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Antriebskonzept lässt sich sowohl bei axial dichtenden Sitzventilen als auch bei radial dichtenden Schieberventilen einsetzen. Auch ein Einsatz bei kombinierten Sitz- und Schieberventilen ist ohne Weiteres möglich.
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Es ist zweckmäßig, wenn das Ventilglied mit Federmitteln ausgestattet ist, durch die es in einer Grundstellung gehalten ist. Durch den mittels der mindestens einen Bernoulli-Saugvorrichtung hervorrufbaren Unterdruck kann die Federkraft der Federmittel überwunden und das Ventilglied entsprechend ausgelenkt werden. Handelt es sich bei dem Ventilglied um ein Zweistellungsventil, lässt sich auf diese Weise sehr einfach ein monostabiles Ventilkonzept realisieren. Möglich ist aber beispielsweise auch die Verwirklichung eines Dreistellungsventils, bei dem das Ventilglied durch Federmittel in einer die Grundstellung bildenden Mittelstellung fixiert ist, aus der es in zwei einander entgegengesetzte Richtungen auslenkbar ist, wenn ihm zwei Bernoulli-Saugvorrichtungen als Steuereinheiten zugeordnet sind. Als Federmittel sind beispielsweise mechanische Federn oder sich abstoßende, gleichpolige Permanentmagneten denkbar.
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Jede Bernoulli-Saugvorrichtung des Ventils enthält zweckmäßigerweise an ihrer einer Antriebsfläche zugewandten Unterdruckseite eine Ringdüse mit bezüglich der Längsachse der Ringdüse nach radial außen orientierter ringförmiger Austrittsöffnung für das Antriebsfluid. Ein solcher Aufbau gewährleistet die Erzeugung eines besonders hohen Unterdruckes, der auf eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Antriebsfluides im Bereich der Austrittsöffnung der Ringdüse zurückzuführen ist. Ein derartiges radiales Abströmen ermöglicht auch noch in größeren Entfernungen zwischen der Unterdruckseite der Bernoulli-Saugvorrichtung und der Antriebsfläche des Ventilgliedes (d. h. des Stellelementes) nennenswerte Kräfte, die zum Schalten des Ventils besonders vorteilhaft sind.
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Zweckmäßigerweise ist die Ringdüse so ausgelegt, dass ihr Durchmesser gleichgroß oder zumindest im Wesentlichen gleichgroß ist wie der Durchmesser der der Unterdruckseite gegenüberliegenden Antriebsfläche. Auf diese Weise macht man sich den vorteilhaften Effekt zunutze, dass bei einer Bernoulli-Saugvorrichtung vor allem in dem von der Austrittsöffnung der Ringdüse umgebenen Bereich und radial innerhalb dieses Bereiches ein besonders hoher Unterdruck erzeugbar ist. Es besteht gleichwohl die Möglichkeit, den Durchmesser der Ringdüse entweder größer oder auch kleiner als den Durchmesser der zugeordneten Antriebsfläche zu wählen.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn der Durchmesser der der Unterdruckseite gegenüberliegenden Antriebsfläche größer ist als der Durchmesser der ringförmigen Austrittsöffnung der Ringdüse, da auf diese Weise die Wirkfläche für den erzeugten Unterdruck besonders groß ist. Die Antriebsfläche ist hierbei zweckmäßigerweise an einer scheiben- oder tellerförmigen Komponente ausgebildet, bei der es sich insbesondere um den Endabschnitt des Ventilgliedes handelt.
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Vorzugsweise begrenzt die Unterdruckseite der Bernoulli-Saugvorrichtung eine Steuerkammer des Ventils, der auch mindestens eine mit dem Ventilglied antriebsmäßig wirkverbundene und bewegliche Antriebsfläche zugewandt ist. Diese Steuerkammer ist seitlich zumindest partiell zur Umgebung hin offen, so dass das an der Unterdruckseite ausströmende Antriebsfluid ohne Rückstau direkt zur Umgebung hin ausströmen kann und ein optimaler Unterdruckaufbau im Innern der Steuerkammer gewährleistet ist. Somit ist ein ständiger Luftstrom möglich, der selbst bei Verunreinigung die Funktion nicht beeinträchtigt. Das Ventilglied kann mit Unterdruck schalten, ohne dass eine geschlossene Steuerkammer evakuiert werden muss. Dies ermöglicht kurze Schaltzeiten. Die Steuerkammer ist zweckmäßigerweise von einer schlitzförmigen Austrittsöffnung umrahmt, der eine ringförmige Austrittsöffnung einer gegebenenfalls vorhandenen Ringdüse radial zugewandt ist.
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Die mindestens eine Antriebsfläche kann ein unmittelbarer Bestandteil des Ventilgliedes sein. Beispielsweise ist sie von einer Stirnfläche des Ventilgliedes gebildet. Sie kann aber auch an einem separaten Körper ausgebildet sein, der in beliebiger Weise mit dem Ventilglied antriebsmäßig verbunden ist.
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Die Antriebsfläche kann Bestandteil eines verschiebbar im Ventilgehäuse geführten Kolbenkörpers sein oder kann an einer im Ventilgehäuse verformbar aufgehängten flexiblen Membran ausgebildet sein. Eine Membran hat im Vergleich zu einem Kolbenkörper den Vorteil, dass bei ihrer Auslenkung lediglich die Reibung im Materialinnern zu überwinden ist, so dass sich das Ventilglied mit geringen Stellkräften betätigen lässt. Zudem ist für verfahrenstechnische Anwendungen, bei denen eine Medientrennung zu gewährleisten ist, diese durch den Aufbau mit Membran bereits realisiert.
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Zur Gewährleistung eines gewissen Abstandes zwischen der Bernoulli-Saugvorrichtung und der angesaugten Antriebsfläche können an der Unterseite der Bernoulli-Saugvorrichtung und/oder an der Antriebsfläche des Ventilgliedes Distanzelemente vorhanden sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. in dieser zeigen:
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1 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils in einer Variante als Sitzventil in der unbetätigten Grundstellung,
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2 das Ventil aus 1 in einer durch Aktivierung seiner Bernoulli-Saugvorrichtung betätigten Stellung,
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3 einen Querschnitt durch das Ventil der 1 und 2 gemäß Schnittlinie III-III aus 1, wobei in einem gesondert abgebildeten Ausschnitt eine Variante zur Führung und Verdrehsicherung des Ventilgliedes illustriert ist,
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4 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils in einer Variante als Schieberventil mit drei möglichen Schaltstellungen, wobei die Grundstellung gezeigt ist,
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5 das Ventil aus 4 in einer von der Grundstellung abweichenden Schaltstellung, die durch Betreiben einer der beiden vorhandenen Bernoulli-Saugvorrichtungen einstellbar ist, und
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6 wiederum das in 4 und 5 gezeigte Ventil in einer im Vergleich zur 5 ausgehend von der Grundstellung der 4 in die entgegengesetzte Richtung ausgelenkten Schaltstellung des Ventilgliedes.
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Soweit im Einzelfall keine abweichenden Angaben gemacht werden, beziehen sich die nachstehenden Ausführungen auf sämtliche in der Zeichnung abgebildeten Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ventils 1.
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Das Ventil 1 ist zur Steuerung der Strömung eines fluidischen Druckmediums einsetzbar. Als Druckmedium kommt hierbei jedes fließfähige Medium in Frage. Das Ventil 1 kann beispielsweise zur Steuerung der Strömung von Druckluft eingesetzt werden. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Steuerung von Stoffströmen (insbesondere mit Medientrennung) in der Verfahrenstechnik, wobei in der Hauptstufe vorzugsweise geringe Überdrücke bis zu 1 bar vorliegen.
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Das Ventil 1 verfügt über ein aus einem beliebigen Material und beispielsweise aus Metall oder aus Kunststoff bestehendes Ventilgehäuse 2, in dem ein bevorzugt möglichst leichtes Ventilglied 3 angeordnet ist. Das Ventilglied 3 ist unter Ausführung einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten Umschaltbewegung 4 relativ zum Ventilgehäuse 2 zwischen verschiedenen Schaltstellung bewegbar beziehungsweise umschaltbar. Exemplarisch ist die Umschaltbewegung 4 eine Linearbewegung.
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Das Ventilglied 3 ist in einem zumindest peripher von dem Ventilgehäuse 2 begrenzten Aufnahmeraum 5 angeordnet, der eine Längsachse 6 aufweist und der vorzugsweise über einen runden und insbesondere über einen kreisrunden Querschnitt verfügt. Die Umschaltbewegung 4 fällt bei den Ausführungsbeispielen mit der Achsrichtung der Längsachse 6 zusammen.
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In den Aufnahmeraum 5 münden, mit jeweils einer Innenmündung 8, mehrere Ventilkanäle 7, die zumindest teilweise das Ventilgehäuse 2 durchsetzen und die entgegengesetzt zu der Innenmündung 8 mit einer insbesondere an der Außenfläche des Ventilgehäuses 2 angeordneten Außenmündung 9 enden. Jede Außenmündung 9 kann als Anschlussöffnung ausgebildet sein, der Anschlussmittel wie beispielsweise ein Gewinde oder eine Steckverbindungseinrichtung zugeordnet sein können, mit deren Hilfe bei Bedarf jeweils eine weiterführende Fluidleitung anschließbar ist.
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In Abhängigkeit von der jeweils eingenommenen Schaltstellung des Ventilgliedes 3 werden die Innenmündungen 8 in einem vorgegebenen Muster miteinander verbunden beziehungsweise voneinander abgetrennt. Dadurch ist, wie schon erwähnt, die Fluidströmung durch das Ventil 1 hindurch steuerbar.
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Das in 1 bis 3 abgebildete Ventil 1 ist als Zweiwegeventil konzipiert und ist in der Lage, in Abhängigkeit von seiner Schaltstellung einen zweckmäßigerweise als Speisekanal fungierenden ersten Ventilkanal 7a wahlweise mit mehreren, insbesondere als Arbeitskanäle fungierenden zweiten Ventilkanälen 7b zu verbinden oder von diesen zweiten Ventilkanälen 7b abzutrennen. Exemplarisch sind diese mehreren zweiten Ventilkanäle 7b redundant und es ist darauf hinzuweisen, dass selbstverständlich auch nur ein einziger zweiter Ventilkanal 7b vorhanden sein kann.
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Das in 4 bis 6 gezeigte Ventil illustriert eine mögliche Ausführungsform eines Dreiwegeventils, das einen als Speisekanal nutzbaren ersten Ventilkanal 7a, einen als Arbeitskanal nutzbaren zweiten Ventilkanal 7b und einen als Druckentlastungskanal nutzbaren dritten Ventilkanal 7c aufweist.
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Im Betrieb des Ventils 1 kann der als Speisekanal fungierende erste Ventilkanal 7a mit einer das zu steuernde Druckmedium liefernden externen Druckquelle verbunden werden, während der mindestens eine als Arbeitskanal fungierende zweite Ventilkanal 7b mit einem anzusteuernden beziehungsweise zu betätigenden Verbraucher verbindbar ist, beispielsweise mit einem fluidbetätigten Antrieb. Der als Druckentlastungskanal fungierende dritte Ventilkanal 7c ist bei pneumatischen Anwendungen ein Entlüftungskanal und führt zu einer Drucksenke, insbesondere zur Atmosphäre.
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Das Ventilglied 3 ist je nach Ausgestaltung des Ventils 1 wahlweise in zwei oder drei Schaltstellungen positionierbar. Die 1 bis 3 zeigen eine Variante mit zwei möglichen Schaltstellungen, während die 4 bis 6 eine Variante mit insgesamt drei möglichen Schaltstellungen zeigen. Eine dieser mehreren Schaltstellungen ist jeweils eine Grundstellung, die das Ventilglied 3 zweckmäßigerweise im unbetätigten Zustand einnimmt.
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Bei dem Ventil 1 der 1 bis 3 ist die Grundstellung des Ventilgliedes 3 eine die Verbindung zwischen dem ersten Ventilkanal 7a und dem mindestens einen zweiten Ventilkanal 7b unterbrechende Schließstellung. Sie ist in 1 illustriert. Die hiervon abweichende zweite Schaltstellung ist eine in 2 illustrierte Offenstellung, in der zwischen dem ersten Ventilkanal 7a und dem mindestens einen zweiten Ventilkanal 7b eine Fluidverbindung freigegeben ist.
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Bei dem Ventil der 4 bis 6 ist die Grundstellung des Ventilgliedes 3 eine in 4 illustrierte Mittelstellung. Hier sind alle vorhandenen Ventilkanäle 7a, 7b, 7c voneinander abgetrennt. Ausgehend von der Mittelstellung kann das Ventilglied 3 unter Ausführung seiner Umschaltbewegung 4 wahlweise in die eine oder in die andere Richtung umgeschaltet werden, um entweder eine ausgehend von der Grundstellung in die eine Richtung ausgelenkte zweite Schaltstellung oder eine in die entgegengesetzte Richtung ausgelenkte dritte Schaltstellung einzunehmen. In der in 5 illustrierten zweiten Schaltstellung ist der zweite Ventilkanal 7b mit dem ersten Ventilkanal 7a verbunden und gleichzeitig vom dritten Ventilkanal 7c abgetrennt. In der in 6 illustrierten dritten Schaltstellung liegt bei gleichzeitiger Abtrennung vom ersten Ventilkanal 7a eine Verbindung des zweiten Ventilkanals 7b mit dem dritten Ventilkanal 7c vor.
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Das Ventil 1 kann als Sitzventil konzipiert sein, wie es in einer exemplarischen Ausführung in 1 bis 3 gezeigt ist. Hier kooperiert das Ventilglied 3 zur Steuerung der Fluidströme mit mindestens einem gehäusefesten Ventilsitz 12, der in der Achsrichtung der Umschaltbewegung 4, das heißt axial orientiert ist. Der Ventilsitz 12 umrahmt beispielsweise die Innenmündung 8 des ersten Ventilkanals 7a, die dem Ventilglied 3 in Achsrichtung der Längsachse 6 gegenüberliegt. Der mindestens eine zweite Ventilkanal 7b mündet in ständig offener Weise insbesondere umfangsseitig in den Aufnahmeraum 5 hinein.
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Bei einer Variante als Schieberventil gemäß 4 bis 6 erfolgt eine Steuerung der Verbindung zwischen den Innenmündungen 8 mittels radial außen im Bereich des peripheren Außenumfanges des Ventilgliedes 3 angeordneter radialer Dichtkanten 13, die je nach Schaltstellung des Ventilgliedes 3 axial diesseits oder jenseits mindestens einer Innenmündung 8 zu liegen kommen, wobei hier sämtliche Innenmündungen 8 an der peripheren Wandung 14 des Aufnahmeraumes 5 angeordnet sind, und zwar in Achsrichtung der Längsachse 6 mit Abstand zueinander.
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Das Ventil 1 kann übrigens auch eine Kombination aus einem Sitzventil und einem Schieberventil sein.
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Die Umschaltbewegung 4 des Ventilgliedes 3 ist durch gesteuerte Fluiddruckbeaufschlagung mindestens einer antriebsmäßig mit dem Ventilglied 3 verbundenen Antriebsfläche 15 hervorrufbar. An jede Antriebsfläche 15 ist ein fluidischer Steuerdruck anlegbar, der bei ausreichender Höhe eine Umschaltbewegung 4 hervorruft und zweckmäßigerweise auch dafür geeignet ist, das Ventilglied 3 in einer Schaltstellung festzuhalten. zur Erzeugung des Steuerdruckes ist das Ventil 1 mit mindestens einer fluidisch betätigbaren Steuereinheit 16 ausgestattet, wobei zweckmäßigerweise jeder Antriebsfläche 15 eine eigene Steuereinheit 16 zugeordnet ist.
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Wenn ein Ventil 1, wie dies beim Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 der Fall ist, über nur eine Antriebsfläche 15 verfügt, ist es mit nur einer Steuereinheit 16 ausgestattet. Weist es hingegen, wie dies beim Ausführungsbeispiel der 4 bis 6 der Fall ist, mehrere Antriebsflächen 15 auf, ist jeder Antriebsfläche 15 zweckmäßigerweise eine eigene Steuereinheit 16 individuell zugeordnet.
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Bei beiden Ausführungsbeispielen ist die Antriebsfläche 15 ein unmittelbarer Bestandteil des Ventilgliedes 3 selbst. Jede Antriebsfläche 15 ist exemplarisch von einer der beiden einander entgegengesetzten, in Achsrichtung der Umschaltbewegung 4 orientierten Stirnflächen 17, 18 des Ventilgliedes 3 gebildet, welches zweckmäßigerweise die Form eines in dem Aufnahmeraum 5 verschiebbar gelagerten Kolbenkörpers hat. Beim Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 ist eine von dem Ventilsitz 12 axial abgewandte rückseitige Stirnfläche 17 des Ventilgliedes 3 als Antriebsfläche 15 ausgebildet. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 bis 6 fungiert jede der beiden einander entgegengesetzt orientierten Stirnflächen 17, 18 des Ventilgliedes 3 als individuelle Antriebsfläche 15. Das Ventilglied 3 ist beim Ausführungsbeispiel der 4 bis 6 übrigens zweckmäßigerweise ebenfalls als Kolbenkörper ausgeführt, wobei es sich insbesondere um einen Kolbenschieber handelt.
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Mindestens eine Antriebsfläche 15 kann auch an einem bezüglich des Ventilgliedes 3 separaten Bauteils angeordnet sein, das in geeigneter Weise mit dem Ventilglied 3 antriebsverbunden ist, so dass eine durch gesteuerte Fluidbeaufschlagung hervorgerufene Bewegung dieser separaten Komponente die Umschaltbewegung 4 des Ventilgliedes 3 zur Folge hat. Eine solche separate Komponente ist beispielsweise als über flexible und insbesondere über gummielastische Eigenschaften verfügende Membran ausgebildet, die unter Abdichtung am Ventilgehäuse 2 fixiert ist und die einen durch gesteuerte Fluidbeaufschlagung auslenkbaren Abschnitt aufweist, der mit dem Ventilglied 3 bewegungsgekoppelt ist.
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Bei einer ebenfalls nicht dargestellten Ausführungsform des Ventils 1 ist ein Ventilglied 3 unmittelbar von einer Membran gebildet, deren eine Stirnfläche als Antriebsfläche 15 fungiert.
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Die mindestens eine Steuereinheit 16 des Ventils 1 ist in vorteilhafter Weise als Bernoulli-Saugvorrichtung 22 ausgebildet. Diese Bernoulli-Saugvorrichtung 22 wird im Betrieb, also im aktivierten Zustand, kontinuierlich von einem unter Überdruck stehenden Antriebsfluid durchströmt, das an einer Unterdruckseite 23 der Bernoulli-Saugvorrichtung 22 ausströmt, so dass sich zwischen der Unterdruckseite 23 und der dieser gegenüberliegenden Fläche gemäß dem Bernoulli-Prinzip ein statischer Unterdruck aufbaut. Die Bernoulli-Saugvorrichtung 22 ist so platziert, dass ihre Unterdruckseite 23 einer der oben erwähnten Antriebsflächen 15 gegenüberliegt und zugewandt ist, so dass diese Antriebsfläche 15 dem sich ausbildenden Unterdruck ausgesetzt ist. Mithin bildet der sich ausbildende Unterdruck einen mit der Antriebsfläche 15 kooperierenden statischen Steuerdruck, wobei sich der Effekt einstellt, dass die Antriebsfläche 15 durch Saugwirkung in Richtung der Unterdruckseite 23 herangezogen wird. Diese durch Saugwirkung hervorgerufene Bewegung der Antriebsfläche 15 bewirkt eine Umschaltbewegung 4 des zugeordneten Ventilgliedes 3.
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Solange die Bernoulli-Saugvorrichtung 22 deaktiviert ist, liegt zwischen der Antriebsfläche 15 und der Unterdruckseite 23 ein als Ausgangsabstand bezeichenbarer axialer Abstand vor. Bei Aktivierung der Bernoulli-Saugvorrichtung 22 verringert sich dieser Abstand. Durch die Verwendung von Distanzelementen kann bei Bedarf verhindert werden, dass die Antriebsfläche 15 an der Unterdruckseite 23 der Bernoulli-Saugvorrichtung 22 zur Anlage gelangt.
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Jede Bernoulli-Saugvorrichtung 22 weist zweckmäßigerweise ein Gehäuse 24 auf, bei dem es sich wahlweise um einen unmittelbaren Bestandteil des Ventilgehäuses 2 handeln kann oder das bezüglich des Ventilgehäuses 2 gesondert ausgebildet ist. Durch das Gehäuse 24 hindurch erstreckt sich ein Antriebskanal 25, der einerseits mit einer Einspeiseöffnung 26 zu einer von außen her zugänglichen Außenfläche 27 des Gehäuses 24 ausmündet und der andererseits mit einer von einer Ringdüse 28 definierten ringförmigen Austrittsöffnung 32 an der Unterdruckseite 23 ausmündet.
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Die Austrittsöffnung 32 ist insbesondere konzentrisch zu einer Hauptachse 33 der Bernoulli-Saugvorrichtung 22 angeordnet, wobei diese Hauptachse 33 zweckmäßigerweise mit der Längsachse 6 des Ventilgehäuses 2 zusammenfällt. Die Austrittsöffnung 32 ist bezüglich der Hauptachse 33 radial nach außen orientiert.
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Die Ringdüse 28 ist zweckmäßigerweise dadurch definiert, dass in einer zu der Unterdruckseite 23 hin offenen Ausnehmung des Gehäuses 24 koaxial ein Kernkörper 34 angeordnet ist, um den herum sich ein von dem Kernkörper 34 und der Wandung des Gehäuses 24 gemeinsam definierter Ringkanal 35 erstreckt, der einen Längenabschnitt des Antriebskanals 25 bildet.
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In 2 ist durch Pfeile 39 verdeutlicht, wie ein an der Einspeiseöffnung 26 eingespeistes Antriebsfluid durch den Antriebskanal 25 einschließlich dessen Ringkanal 35 hindurchströmt, um an der Ringdüse 28 mit nach radial außen orientierter Richtungskomponente im Bereich der Unterdruckseite 23 auszuströmen.
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Die Ringdüse 28 hat im Bereich ihrer ringförmigen Austrittsöffnung 32 den kleinsten Querschnitt, so dass sich stromab direkt danach die größte Strömungsgeschwindigkeit einstellt und mithin sich der größte Unterdruck in dem axial zwischen der Austrittsöffnung 32 und der gegenüberliegenden Antriebsfläche 15 liegenden Bereich ausbildet.
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Zweckmäßigerweise ist die Bernoulli-Saugvorrichtung 22 so ausgebildet und angeordnet, dass durch ihre Unterdruckseite 23 eine axial gegenüberliegend von der zugeordneten Antriebsfläche 15 begrenzte Steuerkammer 36 definiert wird, die ständig mit der Umgebung des Ventils 1, also mit der dort befindlichen Atmosphäre, kommuniziert. In dieser Steuerkammer 36 baut sich der als Steuerdruck fungierende Unterdruck auf. Durch die ständige Verbindung zur Atmosphäre kann das an der Austrittsöffnung 32 ausströmende Antriebsmedium ohne Rückstaugefahr zur Atmosphäre ausströmen, so dass sich ein optimal hoher Unterdruck als Steuerdruck ausbilden kann.
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Die Steuerkammer 36 ist insbesondere seitlich, also in bezüglich der Hauptachse 33 und der Längsachse 6 radialer Richtung, offen. Exemplarisch ist hierzu zwischen dem Gehäuse 24 der Bernoulli-Saugvorrichtung 22 und dem Ventilgehäuse 2 eine radial orientierte, die Steuerkammer 36 ringsum umrahmende schlitzförmige Ausströmöffnung 37 vorhanden. Die Schnittebene des Querschnittes III-III verläuft direkt durch diese schlitzförmige Ausströmöffnung 37 hindurch.
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Zweckmäßigerweise liegt die Ausströmöffnung 37 in Achsrichtung der Hauptachse 33 zumindest im Wesentlichen auf gleicher Höhe wie die Austrittsöffnung 32 der Ringdüse 28. Dadurch gelangt das an der Austrittsöffnung 32 austretende Antriebsfluid direkt in die Ausströmöffnung 37 und ungehindert ins Freie.
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Exemplarisch ist die Ausströmöffnung 37 von mehreren in ihrer Umfangsrichtung verteilten Abstandshalterelementen 38 durchsetzt, mittels denen das Gehäuse 24 und das Ventilgehäuse 2 in einem konstanten Abstand zueinander gehalten werden. Es handelt sich hierbei zum Beispiel um Ringscheiben oder Hülsen. Zusammengehalten werden das Gehäuse 24 und das Ventilgehäuse 2 zweckmäßigerweise durch Befestigungselemente 40, beispielsweise Schrauben, die die Abstandshalterelemente 38 vorzugsweise durchsetzen
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Zweckmäßigerweise ist die Ringdüse 28 so ausgelegt, dass der radial bezüglich der Hauptachse 33 gemessene Durchmesser ihrer Austrittsöffnung 32 gleichgroß oder zumindest im Wesentlichen gleichgroß ist wie der Durchmesser der der Unterdruckseite 23 axial gegenüberliegenden Antriebsfläche 15. In dem radial innerhalb der ringförmigen Austrittsöffnung 32 liegenden Bereich ist der Unterdruckaufbau besonders ausgeprägt. Auf diese Weise lassen sich besonders hohe Stellkräfte und dementsprechend auch hohe Schaltgeschwindigkeiten des Ventilgliedes 3 realisieren.
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Der Durchmesser der Ringdüse 28 kann auch entweder größer oder kleiner als der Durchmesser der gegenüberliegenden Antriebsfläche 15 sein. Durch Wahl eines entsprechenden Durchmesserverhältnisses lässt sich die Höhe des sich aufbauenden Unterdruckes und mithin das Schaltverhalten des Ventilgliedes 3 bedarfsgemäß beeinflussen.
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Besonders vorteilhaft ist eine dahingehende Abstimmung des Durchmesserverhältnisses, dass der Durchmesser der Antriebsfläche 15 größer ist als der Durchmesser der Ringdüse 28. Dies kann insbesondere in einer in 1 und 3 strichpunktiert angedeuteten Weise realisiert sein, indem ein die Antriebsfläche 15 definierender, strichpunktiert illustrierter Endabschnitt 47 des Ventilgliedes 3 rechtwinkelig bzw. radial zu der Längsachse 5 in die schlitzförmige Ausströmöffnung 37 hineinragt. Dieser Endabschnitt 47 ist insbesondere scheiben- oder tellerförmig ausgebildet und hat einen größeren Durchmesser als ein sich in dem Aufnahmeraum 5 erstreckender Längenabschnitt des Ventilgliedes 3. Das Ventilglied 3 hat somit insbesondere eine T-förmige Gestalt oder Kontur.
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Da sich radial außen an die Austrittsöffnung 32 auch noch ein Vakuumerzeugungsbereich anschießt, kann auf diese Weise die Wirkfläche für den erzeugten Unterdruck und mithin die erzeugte Stellkraft vergrößert werden.
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Anstatt unmittelbar an einem Endabschnitt 47 des Ventilgliedes 3 kann die vergrößerte Antriebsfläche 15 auch an einer bezüglich des Ventilgliedes 3 separaten Komponente ausgebildet sein, die dem Ventilglied 3 vorgelagert und mit dem Ventilglied 3 axial bewegungsgekoppelt ist.
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Mittels des in die Ausströmöffnung 37 hineinragenden Endabschnittes 47 kann bei Bedarf auch eine Führung und/oder Verdrehsicherung des Endabschnittes 47 und somit des gesamten Ventilgliedes 3 bezüglich des Ventilgehäuses 2 erzielt werden. Hierzu verfügt der bevorzugt scheiben- oder tellerförmige Endabschnitt 47 zweckmäßigerweise über mindestens eine und vorzugsweise mehrere axial durchgehende Aussparungen 48, die in 3 strichpunktiert ersichtlich sind und die von jeweils einem der Abstandshalterelemente 38 gleitverschieblich durchsetzt sind. Diese Aussparungen 48 können beispielsweise als am Umfang ringsum geschlossene Durchbrechungen des Endabschnittes 47 ausgebildet sein. Sie können aber beispielsweise auch, wie dies in der separaten Ausschnittsdarstellung der 3 angedeutet ist, als radial zum Außenumfang des Endabschnittes hin offene Aussparungen 48 ausgebildet sein.
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Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass das Ventilglied 3 zweckmäßigerweise durch Federmittel 42 in einer Grundstellung fixiert ist, in der jede Antriebsfläche 15 einen Ausgangsabstand bezüglich der gegenüberliegenden Unterdruckseite 23 aufweist. Exemplarisch wirken derartige Federmittel 42 jeweils zwischen einerseits dem Ventilglied 3 und andererseits einem Bestandteil der Bernoulli-Saugvorrichtung 22. Dieser Bestandteil ist bei den Ausführungsbeispielen von dem Kernkörper 34 gebildet. Die Federmittel 42 stützen sich insbesondere an der einer Antriebsfläche 15 zugewandten, im Bereich der Unterdruckseite 23 liegenden Stirnfläche 43 eines Kernkörpers 34 ab. Seitens des Ventilgliedes 3 können die Federmittel 42 vertieft in einer stirnseitigen Ausnehmung aufgenommen sein. Die Federmittel 42 können jeweils beispielsweise von einer Schraubendruckfeder gebildet sein. Eine alternative Möglichkeit zur Realisierung der Federmittel 42 besteht in der Ausgestaltung als gleichpolige, d. h. sich abstoßende Permanentmagnete.
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Ist eine Membran als Ventilglied oder zumindest als die Antriebsfläche 15 aufweisende Komponente vorhanden, kann deren inhärente Elastizität separate Federmittel überflüssig machen, da sie selbst als Federmittel fungiert.
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In Abhängigkeit von ihrer Anordnung können die Federmittel 42 auch als Zugfedermittel ausgebildet sein.
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Der durch eine Bernoulli-Saugvorrichtung 22 erzeugbare Unterdruck ist ausreichend groß, um die Federkraft der Federmittel 42 zu überwinden und um die Antriebsfläche 15 einschließlich des mit ihr bewegungsgekoppelten Ventilgliedes 3 zur Ausführung der Umschaltbewegung 4 an die Unterdruckseite 23 heranzuziehen.
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Jede Bernoulli-Saugvorrichtung 22 weist an ihrer Unterdruckseite 23 zweckmäßigerweise eine Grundfläche auf, die gemeinsam gebildet ist von der Stirnfläche 43 des Kernkörpers 34 und einer sich ringförmig konzentrisch um diese Stirnfläche 43 herum erstreckenden ringförmigen Stirnfläche 44 des Gehäuses 24.
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Die ringförmige Stirnfläche 44 bildet zweckmäßigerweise gemeinsam mit einer ihr gegenüberliegenden und zugewandten, ebenfalls ringförmigen Stirnfläche 45 des Ventilgehäuses 2 die mindestens eine Ausströmöffnung 37.
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Ein durch Aktivierung einer Bernoulli-Saugvorrichtung 22 aus der Grundstellung in eine andere Schaltstellung umgeschaltetes Ventilglied 3 kehrt insbesondere schlagartig in die Grundstellung zurück, wenn die betreffende Bernoulli-Saugvorrichtung 22 deaktiviert wird. Die Deaktivierung kann einfach durch Unterbinden einer Zuströmung eines Antriebsfluides in die Einspeiseöffnung 26 hervorgerufen werden.
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Als Antriebsfluid eignet sich prinzipiell jedes gasförmige oder flüssige Medium. Besonders vorteilhaft ist die Nutzung von Druckluft als Antriebsfluid.
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Ein Zurückschalten des Ventilgliedes 3 bei Deaktivierung der es zuvor betätigenden Bernoulli-Saugvorrichtung 22 kann auch durch andere Maßnahmen als durch Federmittel 42 realisiert werden. Beispielsweise kann bei entsprechender Ausrichtung des Ventils 1 eine schwerkraftbedingte Rückstellung Vorgesehen werden.
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Das Ventil 1 eignet sich unter anderem sehr gut für Systeme, die zwar über eine pneumatische Leitung bzw. Versorgung, nicht aber über eine elektrische Leitung bzw. Versorgung verfügen.
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Das Ventil 1 kann bei Bedarf mit einer insbesondere als Klemmeinrichtung ausgebildeten Festhalteeinrichtung ausgestattet sein, die das Ventilglied 3 in der durch Unterdruck betätigten Stellung auch bei einem Ausfallen oder Nachlassen des Unterdruckes sicher festhält. Diese in der Zeichnung nicht dargestellte Festhalteeinrichtung kann den Abstandshalterelementen 38 zugeordnet und/oder in die Abstandshalterelemente 38 integriert sein.
