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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Durchflussregelvorrichtung für Filteranlagen und ein Verfahren zur Durchflussregelung.
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Stand der Technik
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In Fluidführungssystemen für Filteranlagen werden derzeit unter anderem auch Membranventile verwendet. Diese dienen beispielsweise zur Steuerung des der Filteranlage zugeführten Fluids und wird mit mechanischen Aktuatoren betätigt. Das liegt vor allem daran, dass für die elastischen Membranen die bewährten Aktoren wie zum Beispiel eine Nockenvorrichtung oder, wie in der
DE 199 34 574 C2 , ein stabförmiges Stellglied verwendet werden.
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Insbesondere wenn viele unterschiedliche Leitungen geregelt werden müssen, wird der Aufbau solcher Multifunktionsblöcke komplex. Das kann man beispielsweise in der
DE 199 34 574 C2 sehen. Diese offenbart ein Fluidsystem mit Strömungswegen für Gase und/oder Flüssigkeiten, mit prismatischen Funktions-/Baueinheiten, die Strömungskanäle und in Stirnflächen Anschlussöffnungen für benachbarte Funktions-/Baueinheiten aufweisen, und mit einer Montageplatte für die Funktions-/Baueinheiten, wobei die Funktions-/Baueinheiten eine Grundfläche haben, die aus einem Quadrat mit einer Standard-Kantenlänge besteht oder aus mehreren solchen Quadraten zusammengesetzt ist und alle Funktions-/Baueinheiten mit ihrer Grundfläche auf der Montageplatte befestigt sind, wobei die Funktions-/Baueinheiten in ihrer Grundfläche und die Montageplatte in einem entsprechenden Raster für die Befestigung Bohrungen enthalten und in der Befestigungslage mit Seitenflächen aneinander anliegen und die Anschlussöffnungen von ringförmigen Vertiefungen umschlossen sind, in denen jeweils wenigstens ein Dichtungsring angeordnet ist, der abdichtend an der Wandung der Vertiefung anliegt. Solche Multifunktionsblöcke sind aufwändig in der Konstruktion und Wartung, wenn mehrere.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Durchflussregelvorrichtung bereitzustellen, die einfach in der Konstruktion ist aber zuverlässig betrieben werden kann. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Durchflussregelvorrichtung nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 12. Weitere die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
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Eine erfindungsgemäße Durchflussregelvorrichtung für insbesondere industrielle Filteranlagen umfasst eine Ventileinrichtung, die in einer Durchflussleitung zu, in oder von einer Filteranlage angeordnet ist, wobei die Ventileinrichtung einen mit der Durchflussleitung verbundenen Regelabschnitt aufweist, der über zumindest eine bewegbare Membran regelbar ist, eine Hydraulikeinrichtung, die mit einem Stellglied den Druck in einem Hydraulikkanal regelt, wobei der Hydraulikkanal derart mit dem Ventileinrichtung verbunden ist, dass die Membran abhängig vom Druck im Hydraulikkanal den Durchflussquerschnitt vergrößert oder verringert, einen Antrieb zum Antreiben der Hydraulikvorrichtung und eine Steuereinheit, die die Durchflussregelvorrichtung steuert. Die Kombination aus Ventileinrichtung mit einem Membranventil und Hydraulikeinrichtung ergibt durch das Weglassen der mechanischen Komponenten eine strukturell einfach ausgebildete Durchlassregelvorrichtung, die aber zuverlässig funktioniert und steuerbar ist. Vorzugsweise ist die Ventilkammer als Bohrung ausgebildet, und weist insbesondere einen Deckel auf, mit dem die Ventilkammer geöffnet und geschlossen werden kann. Dadurch kann das Ventilelement nicht nur sehr einfach montiert werden, sondern auch die Wartung oder der Austausch wird erheblich erleichtert.
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Die Membran des Membranventils kann zylinderförmig oder rohrformig ausgebildet sein und die Hydraulikleitung ist vorzugsweise umfänglich um die Membran angeordnet. Eine solche Membran kann ein Ventilelement auf einfache Weise aufnehmen. Mit einer umfänglich angeordneten Hydraulikleitung kann dann die Membran präzise angesteuert und der Durchfluss des Arbeitsfluids exakt geregelt werden.
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Die Steuereinheit misst vorzugsweise den Druck in der Hydraulikleitung oder die Kraft auf das Stellglied misst und regelt oder schaltet bei überschreiten eines Grenzwerts den Antrieb ab. Dadurch wird verhindert, dass Teile der Hydraulik- oder Ventileinrichtung, insbesondere sogar die Membran beschädigt werden können.
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Ferner kann die Durchflussregelvorrichtung einen Ausgleichsbehälter umfassen, der insbesondere als Membranbehälter ausgebildet ist. Dieser Ausgleichsbehälter weist ein vorbestimmtes Luftvolumen auf, dass in den Hydraulikkanal einbringbar ist. Dadurch kann bei inkompressiblen Hydraulikflüssigkeiten ein sicheres Öffnen oder Schließen der Membran gewährleistet werden.
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Vorzugsweise wird im geöffneten Zustand des Membranventils der Antrieb abgeschaltet. Ferner kann die Durchflussregelvorrichtung eine Vielzahl von Ventilvorrichtungen umfassen, die in einem Multifunktionsblock angeordnet sind. Durch die einfache Konstruktion ist dies platzsparend möglich und ein solcher Multifunktionsblock ist daher vergleichsweise Wartungsarm.
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Der Druck in der Hydraulikleitung beträgt im Betrieb bevorzugt mindestens 50% des Drucks in der Durchflussleitung, insbesondere in der Zuführleitung. Dadurch wird gewährleistet, dass die Membran zuverlässig schließen kann.
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Vorzugsweise ist der Regelabschnitt als Ventilkammer, insbesondere als Bohrung, mit einem Ventilelement ausgebildet, wobei das Ventilelement eine Trennwand und Durchbrüche aufweist, die das Fluid an der Trennwand vorbei leiten. Das Ventilelement ist insbesondere im Wesentlichen prismenförmig oder zylinderförmig ausgebildet. Dadurch wird der Austausch des Ventilelements ermöglicht und die Wartung der Ventileinrichtung erleichtert. Vorzugsweise zur Mitte hin einen geringeren Durchmesser auf, als am Rand. Ein solches Ventilelement ist einfach in der Ventilkammer durch die Geometrie fixierbar, ohne dass zusätzliche Befestigungselemente vorgesehen werden müssen. Dies gilt insbesondere dann, wenn Ventilkammer und Ventilelement einen ähnlichen Querschnitt aufweisen. Die Durchbrüche sind bevorzugt als Langlöcher ausgebildet.
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Bevorzugt ist die Membran der Ventileinrichtung kontinuierlich verstellbar und in einer beliebigen Zwischenposition feststellbar. Die Zwischenposition kann im Prinzip also jede Stellung der Membran sein zwischen komplett geöffnet und komplett geschlossen. Dadurch kann der Volumentstrom des Arbeitsfluids sehr präzise eingestellt werden.Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Durchflussregelvorrichtung für insbesondere industrielle Filteranlagen, umfasst die Schritte des Antreibens einer Hydraulikvorrichtung mit einem Stellglied zum Einbringen oder Entfernen von Hydraulikflüssigkeit aus einer Hydraulikleitung und des Öffnens und Schließens eines Membranventils mittels der Hydraulikflüssigkeit in der Hydraulikleitung. Die Hydraulikeinrichtung vereinfacht den Aufbau der Durchflussregelvorrichtung und ermöglicht dennoch ein präzises Regeln des Volumenstroms des Arbeitsfluids.
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Vorzugsweise wird die Kraft des Stellglieds oder der Druck der Hydraulikvorrichtung gemessen und bei Erreichen eines Grenzwert der Antrieb abgeregelt oder ausgeschaltet.
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Das Membranventil kann insbesondere kontinuierlich verstellt und in einer beliebigen Zwischenposition gehalten werden. Das ermöglicht eine präzisere Einstellung des Volumenstroms des Arbeitsfluids.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Durchflussregelvorrichtung; und
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchflussregelvorrichtung 10 für insbesondere industrielle Filteranlagen zum Filtern von Arbeitsfluiden. Die Durchflussregelvorrichtung 10 umfasst eine Ventileinrichtung 20, eine Hydraulikeinrichtung 40, einen Antrieb 60 für die Hydraulikeinrichtung 40 und eine Steuereinrichtung 80, die den Antrieb und vorzugsweise auch das Zusammenwirken der Komponenten steuert.
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Die in 1 dargestellte Ventileinrichtung 20 ist als Membranventileinrichtung ausgebildet, d.h. die Ventileinrichtung wird über eine Membran 30 geschlossen und geöffnet. Die Ventileinrichtung 20 wird in einer Durchflusseinrichtung angeordnet, wie beispielsweise eine Zuführleitung für zu filterndes Arbeitsfluid (der sogenannte „Feed“), eine Abführleitung zum Ableiten von gefiltertem Arbeitsfluid, oder anderen Leitungen, in denen Arbeitsfluid fließt. Dazu weist die Durchflusseinrichtung 10 Anschlüsse 21 auf, die mit den Durchflussleitungen verbunden werden kann. Solche Anschlüsse können als Klickverschlüsse oder Bajonettverschlüsse ausgebildet sein, sie können ein Gewinde aufweisen oder mit einem Flansch verschraubt oder vernietet werden, sie können aber auch irreversibel (also nicht zerstörungsfrei trennbar) durch Verschweißen oder Verkleben mit den Durchflussleitungen verbunden werden. Der Arbeitsfluidkanal durch die Ventileinrichtung 20 inklusive des Ventilabschnitts selbst wird im folgenden als Regelabschnitt 23 bezeichnet.
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Die Ventileinrichtung 20 weist ein Gehäuse 22 mit dem Regelabschnitt 23 auf, der in der in 1 gezeigten Ausführungsform als Ventilkammer 24 ausgebildet ist, in der ein Ventilelement 26 angeordnet ist. Die Ventilkammer 24 ist mit den Anschlüssen zur Durchflussleitung verbunden und weist ferner die Membran 30 auf, die mit dem Ventilelement 26 zusammen die Regelung des Durchflusses des Arbeitsfluids steuert. Das Gehäuse weist ferner eine Hydraulikleitung 32 auf, die zur Membran 30 geführt ist. Eine Seite der Membran 30 ist in die Ventilkammer 24 auf das Ventilelement 26 gerichtet, während die andere Seite zur Hydraulikleitung zeigt. Die Membran 30 ist elastisch aber Flüssigkeitsdicht ausgebildet, so dass Hydraulikflüssigkeit und Arbeitsfluid sicher getrennt sind. Die Membran 30 kann an der Innenseite der Ventilkammer 24 befestigt sein (bspw. mit Schrauben, durch Verkleben oder auf andere Weise), kann aber auch an dem Ventilelement angebracht sein (was den Austausch der Membran erleichtert, da lediglich das Ventilelement 26 erneuert werden muss), oder sie kann zwischen der Wand der Ventilkammer 24 und dem Ventilelement 26 verklemmt sein.
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In der Ausführungsform in 1 ist das Ventilelement 26 vorzugsweise zylindrisch, insbesondere rohrförmig ausgebildet und weist mittig eine Trennwand 25 auf, die den Arbeitsfluidfluss blockiert. In der Rohrwand sind beidseitig der Trennwand 25 in Umfangsrichtung radiale Durchbrüche 27 ausgebildet. Die Durchbrüche sind hier als eine Vielzahl von Langlöchern ausgebildet, die sich über den Großteil der entsprechenden Rohrwand erstrecken (>80% der Länge des Ventilelements bis vom Rand zur Trennwand), sie können aber auch als eine Vielzahl von kleineren Löchern ausgebildet sein. Zwischen dem Ventilelement 24 und der Wand der Ventilkammer 24 ist bevorzugt ein Abstand vorhanden, durch den das Arbeitsfluid an dem Ventilelement 26 vorbeigeleitet wird, wenn die Ventileinrichtung 20 geöffnet ist. Die Ventilkammer hat idealerweise einen ähnlichen Querschnitt wie das Ventilelement, um den Abstand zwischen Ventilkammer und Ventilelement einfacher festlegen zu können. Vorzugsweise verringert sich der Außendurchmesser des Ventilelements 26 aber zur Mitte des Ventilelements 26 hin, so dass sich der Durchflussquerschnitt zwischen die Enden vergrößert. Ferner können die Enden des Ventilelements 26 dann einen Durchmesser aufweisen, der mit der Ventilkammer 26 in Kontakt steht und das Ventilelement 26 so in der Ventilkammer 24 fixiert. Generell können Ventilkammer und Ventilelement aber auch anders ausgestaltet und befestigt sein. Der Querschnitt kann bspw. Drei-, Vier-, Fünf-, Sechseckig oder überhaupt Polygon ausgestaltet sein und die Ventilkammer und das Ventilelement können unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Die Befestigung kann beispielsweise über Bohrungen und entsprechende Vorsprünge/Stifte an den Stirnflächen des Ventilelements und den Wänden der Ventilkammer 24 verwirklicht werden.
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Das Gehäusematerial der Ventileinrichtung ist in vorzugsweise aus PP, es kann aber jedes Material sein, das eine ausreichende Festigkeit aufweist (z.B. Kunststoff oder Metall) und die gewünschten Eigenschaften im Kontakt mit dem durchfließenden Medium hat (Trinkwasserkonform). Die Membran ist vorzugsweise aus einem Gummi hergestellt.
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Um das Ventilelement 26 einfach in der Ventilkammer 24 zu montieren kann die Ventilkammer 24 an einer Seite mit einer Art Deckel 28 versehen sein, der entfernbar am Gehäuse angebracht ist. In 1 ist dieser Deckel an einer Seite mit einem Außengewinde 29 in das Gehäuse eingeschraubt und umfasst auch einen Anschluss 21. Der Deckel 28 kann aber auch an einer anderen Seite als der Anschluss 21 ausgebildet sein.
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Die Membran 30 ist insbesondere bei einem zylinder- oder rohrförmigen Ventilelement selbst als rohrförmige Membran ausgebildet und um das Ventilelement 26 herum angeordnet, so dass es auf die Trennwand oder auch auf die Durchbrüche gedrückt werden kann und so den Volumenstrom des Arbeitsfluids unterbricht. In der hier bevorzugten Ausführungsform, in der die Hydraulikleitung 32 umfänglich um die Membran angeordnet ist, kann sogar der Durchflussquerschnitt auf einfache Art geregelt werden. Die Membran 30 kann aber ebenfalls als flache Membran ausgebildet sein, so dass das Arbeitsfluid dann nur auf der Ober- und Unterseite des Ventilelements vorbeiströmt und dort durch die Membran 30 geregelt wird.
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Die Zwischenzustände zwischen geschlossener Membran 30 (diese dichtet die Durchbrüche 27) und vollständig geöffneter Membran 30 (diese liegt an Zylinderbohrung in der Ventilkammer 24 an) werden durch Eindrücken oder Ablassen von Hydraulikflüssigkeit hergestellt, wodurch sich Ringspalte unterschiedlicher Breite zwischen Bohrung und Innenkörper ergeben. Die Öffnungscharakteristik folgt in der gezeigten Ausführungsform einer quadratischen Funktion, proportional zu π(ra 2-ri 2), wobei ri dem Radius des Innenkörpers und der Membranwandstärke entspricht und ra variabel zwischen ri (geschlossen) und rKammer, d.h. dem Radius der Ventilkammer-Bohrung abzüglich der Membranwandstärke, variiert werden kann. Die Öffnungscharakteristik ist daher insbesondere kontinuierlich mit quadratischem Verlauf, da ein Ringspalt mit festem Innenradius und zunehmendem Aussenradius freigegeben oder zugefahren wird. Die Membran 30 kann durch geeignete Einstellung des Drucks in der Hydraulikflüssigkeit mittels der Hydraulikeinrichtung dann auch in jeder beliebigen Zwischenposition gehalten werden.
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Die Hydraulikflüssigkeit im Hydraulikkanal 32 der Ventileinrichtung 20 wird über eine Hydraulikeinrichtung 40 geregelt, die hier als Hydraulikzylinder ausgebildet ist. Die Hydraulikeinrichtung 40 weist ein Stellglied 42 auf mittels dem die Hydraulikflüssigkeit über einen Hydraulikkanal 46 in den Hydraulikkanal 32 der Ventileinrichtung 20 gedrückt wird. Das Stellglied 42 ist in der gezeigten Ausführungsform als Kolben ausgebildet, der an seinem Ende 47 mit einem O-Ring abgedichtet ist. Konkreter wird die Volumenverschiebung mit der Kolbenbewegung in einem doppelwirksamen Hydraulikzylinder erreicht. Um eine einfache und sichere Entlüftung der Hydraulikverbindung zum Ventil zu erreichen, kann die Hydraulikflüssigkeit über eine spezielle Entlüftungsbohrung / Entlüftungsschraube 49 eingefüllt werden. Die Verbindung zur Ventileinrichtung 20 einschließlich des Innenvolumens der Ventileinrichtung 20 im geschlossenen Zustand wird mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, bis die Hydraulikflüssigkeit an einer obenliegenden Entlüftungsbohrung 34 an der Ventileinrichtung 20 austritt. Diese kann bspw. durch eine Schraube verschlossen werden. Danach wird das Stellglied in der Hydraulikeinrichtung in eine bestimmte Referenzposition zurückgezogen und ebenfalls mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt. Die Referenzposition wird so gewählt, dass beim Öffnen des Ventils durch weiteres Zurückziehen des Kolbens ausreichend Raum für das zusätzliche Hydraulikflüssigkeit bleibt, beim Schließen des Ventils durch Vorschieben des Stellglieds 42 sich aber ausreichend viel Hydraulikflüssigkeit vor dem Stellglied 42 befindet, um den notwendigen Kraftanstieg bei vollständig geschlossener Ventileinrichtung zu verursachen. Nach Erreichen der Referenzposition muss die Zufuhr-/Entlüftungsschraube 49 in der Hydraulikeinrichtung 40 geschlossen werden. Das Luftvolumen hinter dem Kolben wird durch eine Entlüftungsschraube 48 mit Filterfunktion auf Atmosphärendruck gehalten und gegen Verschmutzung geschützt. Vorliegend ist nur ein Stellglied 40 vorgesehen, es können aber selbstverständlich auch mehrere Stellglieder und mehrere voneinander unabhängige Hydraulikleitungen vorgesehen sein.
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Im vorliegenden Beispiel beträgt der Druck auf der Hydraulikflüssigkeitsseite etwas mehr als 50% des maximalen Arbeitsfluid-Druckes. Bei Betrieb innerhalb der spezifizierten Druckgrenzen bleibt der Öffnungsgrad des Ventils unabhängig vom Mediendruck konstant. Bei inkompressiblen Medien (hydraulisch starres System) benötigt das Membranventil ferner ein Mindestcompliance-Volumen, um ein sicheres Öffnen oder Schließen gewährleisten zu können. Ein geeignetes Luftvolumen kann eingangsseitig und/oder ausgangsseitig, abgetrennt in einem Ausgleichsbehälter, vorgesehen werden.
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Das Stellglied 40 wird in der vorliegenden Ausführungsform mit einer Spindel von einem Antrieb 60 (bspw. einen Schrittmotor) vor und zurückbewegt. Diese Antriebsart ist platzsparend, kann aber ebenso durch ein Zahnradgetriebe oder durch eine elektromagnetisch angetriebene Stelleinrichtung ersetzt oder ergänzt werden. Mit einem Verbindungsstück wird das Stellglied 46 der Hydraulikeinrichtung 40 fest mit der Spindel des Schrittmotors 60 verbunden. Durch Ein- und Ausfahren der Spindel schiebt der Kolben dann Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikkanal 32 der Ventileinrichtung 20 und drückt die Membran 30 gegen die Trennwand 25 (Ventil schließt) oder entfernt diese aus der Ventileinrichtung (Ventil öffnet). In der Position vollständig geschlossen steigt bei weiterem Zufahren die Kraft auf die Spindel sehr stark an. Über eine Steuerung 80 wird die Phasenverschiebung durch die induktive Last an der Motorspule erkannt und ausgewertet. Die Steuerung 80 weist eine Motorsteuerung 82 für den Antrieb 60 und einen Mikroprozessor 84 auf. Durch Auslesen des jeweiligen Registereintrags zur Erkennung der tatsächlich mechanisch anliegenden Last kann die Nullposition des Kolbens als Ausgangslage für das Öffnen der Ventileinrichtung bestimmt werden. Im geöffneten Zustand kann der Motor zum Energiesparen über den Mikroprozessor spannungsfrei geschaltet werden. Des Weiteren kann auch in anderen Betriebszuständen abhängig vom Druck des durchfließenden Mediums und der Spindel-Gewindehemmung die Spannung am Motor reduziert oder komplett abgeschaltet werden, wobei eine ungewollt erzwungene Bewegung des Motors durch die Elektronikeinheit erkannt und durch Positionskorrektur bei höherer Spannung korrigiert werden kann. Eine andere Option zum stromlosen Fixieren in einer variablen Position kann mit einer Spindelbremse (Magnetbremse stromlos gebremst) realisiert werden.
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Die Ventileinrichtung 20 kann ferner in einem komplexen Multifunktionsblock eingebaut werden und muss dort nur mit der Hydraulikleitung verbunden werden. Der Rest der Aktorik und Elektronik kann in beliebigem Abstand und in beliebiger Position montiert werden. Somit wird der Ansatz des Multifunktionsblocks nicht durch raumfordernder mechanische Komponenten (z.B. Motor zur Verstellung eines Kugelhahns) beeinflusst.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Durchflussregelvorrichtung
- 20
- Ventileinrichtung
- 22
- Gehäuse
- 23
- Regelabschnitt
- 24
- Ventilkammer
- 25
- Trennwand
- 26
- Ventilelement
- 27
- Durchbrüche
- 28
- Deckel
- 29
- Gewinde
- 30
- Membran
- 32
- Hydraulikleitung (der Ventileinrichtung)
- 34
- Entlüftungsbohrung
- 40
- Hydraulikeinrichtung
- 42
- Stellglied
- 46
- Hydraulikkanal (der Hydraulikeinrichtung)
- 74
- Ende des Stellglieds
- 49
- Entlüftungsbohrung / Entlüftungsschraube
- 60
- Antrieb
- 80
- Steuerung
- 82
- Steuerchip Antrieb
- 84
- Mikroprozessor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19934574 C2 [0002, 0003]
