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Die
Erfindung betrifft ein Regelventil zur Regelung eines Kühlmittelkreislaufs
einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes
des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Kühlmittelkreislauf
mit einem solchen Regelventil.
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Eine
Verbrennungskraftmaschine weist in der Regel zwei Kühlmittelkreise
auf. Dabei führt der Bypasskreis, welcher auch Kurzschlusskreis
genannt wird, der Verbrennungskraftmaschine das Kühlwasser
ohne Kühlung wieder zu. Im außerdem vorgesehen
Kühlerkreis durchströmt das Kühlwasser
zuvor einen als Kühler bezeichneten Wärmetauscher,
bevor es der Verbrennungskraftmaschine wieder zugeführt
wird. In dem Wärmetauscher wird überschüssige
Wärme abgeführt und an ein sekundäres
Kühlmittel abgegeben. Beide Kühlkreise der Verbrennungskraftmaschine
können gleichzeitig oder zeitlich verschoben eingeschaltet
werden. Durch die erzielte Verteilung des Kühlwasserstroms
auf beide Kreisläufe wird die Verbrennungskraftmaschine
im Bereich der optimalen Kühlmitteltemperatur eingeregelt.
Hierdurch wird in erster Linie die Einhaltung der zulässigen
Grenztemperaturen für Motor und Getriebe sichergestellt.
Dar über hinaus muss den zueinander konkurrierenden Anforderungen
hinsichtlich eines verbrauchsoptimierten Warmlaufs und einer raschen Innenraumklimatisierung
Rechnung getragen werden. Bei modernen Kühlsystemen des
Standes der Technik wird dies gewöhnlich durch flexibel
ansteuerbare Ventile umgesetzt. Sie ermöglichen eine optimale
Ausdehnung des Kühlsystems auf sämtliche Randbedingungen
sowie ein flexibles Wärmemanagement. Weiterhin lassen sich
Kraftstoffverbrauch und Schallemissionen bei einer optimierter Auslegung
des Kühlsystems reduzieren.
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Einen
zum Wärmemanagement einsetzbaren Kühlmittelregler
offenbart die
US 4,644,909 .
Der beschriebene Regler umfasst einen Ventilmechanismus, mit welchem
ein Kühlerkreis und/oder ein Bypasskreis eines Kühlsystems
schaltbar sind. Dies erfolgt mit Hilfe eines Elektromotors, welcher
durch eine elektronische Steuerung ansteuerbar ist, die eingangsseitig
das Signal eines Kühlwassertemperatursensors auswertet,
um abhängig von der herrschenden Kühlwassertemperatur
den Ventilmechanismus zu betätigen, damit das Mischverhältnis
des Kühlwasser zwischen den beiden Kühlkreisen
und damit eine vorgebbare Kühlwassertemperatur eingestellt
wird. Der Ventilmechanismus umfasst einen Ventilschieber, der je
nach Ausführungsform entweder eine lineare oder eine rotatorische
Schaltbewegung durchführt. Insbesondere für die
lineare Schaltbewegung wird ein hohlzylindrisches Ventilglied verwendet,
dessen geschlossener Mantelflächen abwechselnd zueinander
versetzte Kühlmittelanschlüsse verschließen.
Der elektromotorische Antrieb ist für die lineare Schaltbewegung
als Linearantrieb ausgeführt, beispielsweise in Form eines
Proportionalmagneten, oder als elektrischer Schrittmotor zur Erzeugung
der rotativen Schaltbewegung.
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Ein
elektromotorischer Antrieb der Ventilmechanik wirkt sich grundsätzlich
nachteilig aus. Denn bei einem Kühlmittelregler, welcher
eine Kühlwasser durchströmte Ventilmechanik aufweist,
muss eine zuverlässig dauerdichte Trennung von Kühlwasser durchströmten
und elektrisch/mechanischen Bauteilbereichen gewährleistet
sein. Ansonsten könnte beispielsweise unerwünscht über
eine Dichtungsleckage Kühlmittel in den Bereich der elektromoto rischen Antriebsmittel
eindringen und dort einen elektrischen Kurzschluss und/oder fortschreitenden
Verschleiß verursachen, der dann zum Ausfall des Antriebs
für den Kühlmittelregler führen kann.
Weiterhin sind die Anforderungen an elektromechanische Komponenten
im Fahrzeugbau im Hinblick auf die herrschenden Umgebungsbedingungen
im Bereich des Kühlsystems meist nur durch aufwendige Konstruktionen
zu realisieren, welche in der Lage sind, die Anforderungen hinsichtlich
der spezifisch höheren Temperaturen, der erforderlichen
Abdichtungseigenschaften, des gewünschten Leistungsbedarfs
sowie der Lebensdauer zu erfüllen.
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So
ist beispielsweise schon versucht worden, den elektromotorischen
Antrieb einer Ventilmechanik eines Kühlmittelreglers in
einem getrennten Gehäuse unterzubringen und über
eine Stirnradstufe auf die Ventilmechanik zu übertragen.
Durch die getrennten Gehäuse wird zwar ein leckagebedingtes Eindringen
von Kühlwasser in den elektromotorischen Antrieb verhindert,
allerdings erfordert diese räumliche Trennung den technischen
Aufwand einer zusätzlichen Getriebestufe zur Kraftübertragung
sowie insgesamt einen recht großen Bauraum.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Regelventil zur
Regelung eines Kühlmittelkreislaufs einer Verbrennungskraftmaschine
bereitzustellen, das kompakt und einfach aufgebaut ist und dabei
eine sichere Abdichtung der Kühlmittelströmungswege
ermöglicht. Dabei kann die Betätigung eines solchen
Regelventils elektromotorisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen.
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Zur
Lösung der Aufgabe wird ein Regelventil mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung
werden in den Unteransprüchen angegeben. Die Aufgabe wird ferner
gelöst durch einen Kühlmittelkreislauf gemäß Anspruch
11.
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Das
vorgeschlagene Regelventil umfasst einen ersten an einem Ventilgehäuse
angeordneten Zuführanschluss für Kühlwasser
eines Bypasskreises sowie mindestens einen zweiten Zuführanschluss
für Kühlwasser eines Kühlerkrei ses, wobei diese
je nach Stellung eines im Ventilgehäuse untergebrachten
Ventilgliedes mit einem Abführanschluss verbindbar sind.
Erfindungsgemäß ist zur Abdichtung der Kühlmittelströmungswege
in axialer Richtung und/oder radialer Richtung wenigstens ein am
Ventilglied anliegendes, dynamisch belastbares Dichtelement vorgesehen,
dass zumindest teilweise aus Polytetrafluorethylen besteht oder
mit Polytetrafluorethylen beschichtet ist, wobei ferner zur Sicherstellung einer
dichtenden Anlage am Ventilglied das Dichtelement von der Druckkraft
einer Druckfeder beaufschlagt wird. Indem zumindest die Anlagefläche
am Ventilglied aus Polytetrafluorethylen besteht, das einen sehr
geringen Reibungskoeffizienten besitzt, erfolgt die dynamische Belastung
des Dichtelementes durch das sich bewegende Ventilglied reibungsarm. Dies
ist unabhängig davon, ob das Ventilglied eine lineare und/oder
rotatorische Bewegung ausführt.
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Vorzugsweise
besteht das Dichtelement vollständig aus Polytetrafluorethylen.
Polytetrafluorethylen weist neben einem sehr geringen Reibungskoeffizienten
ferner eine hohe Beständigkeit gegen das als Kühlmittel
eingesetzte und das Dichtelement umgebende Medium, vorzugsweise
ein Wasser-Glykol-Gemisch, auch bei Temperaturen zwischen beispielsweise
80°C und 125°C auf. Zudem können im Kühlmittel
enthaltene abrasive Partikel, wie beispielsweise Sande oder Späne,
die üblicherweise an dynamisch belasteten Dichtflächen
zu einem erhöhten Abrieb und damit Verschleiß führen,
einem Dichtelement aus Polytetrafluorethylen weniger anhaben. Denn
die Eigenschaften des Materials sorgen dafür, dass derartige
Partikel in der Dichtfläche eingelagert und ggf. vollständig
von dem Material umschlossen werden. Der durch derartige Partikel üblicherweise hervorgerufene
Verschleiß kann dadurch gemindert werden. Ferner besteht
eine geringere Gefahr, dass sich das Ventilglied aufgrund derartiger
Zusätze festsetzt.
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Das
vorgeschlagene Regelventil erweist sich somit als wartungsarm und
zeichnet sich durch eine lange Lebensdauer aus. Der geringe Reibungskoeffizient
des Polytetrafluorethylen vereinfacht zu dem die Montage des Regelven tils,
da das Dichtelement auch bei dichtender Anlage am Ventilgehäuse
leicht in das Gehäuse einsetzbar ist.
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Vorzugsweise
ist als Druckfeder eine Wellfeder vorgesehen, die den erforderlichen
Anpressdruck sicherstellt, damit das Dichtelement dichtend am Ventilglied
anliegt. Der Anpressdruck kann dabei über die Druckkraft
der Feder bzw. die Federhärte eingestellt werden. Erfolgt
beispielsweise aufgrund abrasiver Zusätze dennoch ein Abrieb
an der Dichtfläche des Dichtelementes kann über
die Federkraft zudem der Anpressdruck nachgestellt werden. Das Dichtelement
ist demzufolge vorzugsweise axial verschiebbar in dem Ventilgehäuse
bzw. einem hieran ausgebildeten Zuführ- oder Abführanschluss
angeordnet. Eine axiale Verstellung des Dichtelementes kann auch
dazu herangezogen werden, eine fehlende Koaxialität von
Gehäuse und Ventilglied auszugleichen. Eine fehlende Koaxialität
kann sich beispielsweise aufgrund fertigungsbedingter Toleranzen ergeben.
Bei fehlender Koaxialität und einer zumindest teilweise
rotatorischen Bewegung des Ventilgliedes werden durch die Druckfeder
ein gleichbleibender Anpressdruck und damit eine dichtende Anlage des
Dichtelementes am Ventilglied sichergestellt. Alternativ kann anstelle
einer Wellfeder auch eine andere Druckfeder, wie beispielsweise
eine Schraubenfeder oder eine Tellerfeder, vorgesehen sein.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Dichtelement
als ein hohlzylinderartiger Körper mit einer am Ventilglied
anliegenden stirnseitigen Dichtfläche ausgebildet, welche
der Außenkontur des Ventilgliedes angepasst ist. Durch
die Ausbildung als hohlzylinderartiger Körper wird die
Ausbildung einer am Ventilglied anliegenden Dichtfläche mit
einem kleinen, linienförmigen Kontaktbereich ermöglicht.
Eine geringförmige plastische Verformung, die sich aufgrund
des Anpressdruckes und der dynamischen Belastung des Dichtelementes
im linienförmigen Kontaktbereich von allein einstellt,
trägt ferner dazu bei, dass eine sichere Abdichtung gewährleistet ist.
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Je
nach Außenkontur bzw. Querschnittsform des Ventilgliedes
kann die am Ventilglied anliegende Dichtfläche des Dichtelementes
beispielsweise ring- oder sattelförmig ausgebildet sein.
Letztere ergibt sich zum Beispiel bei einem zylinderförmigen
Ventilglied. Das bevorzugt ebenfalls zylinderförmig ausgebildete
und radial außen am Ventilglied anliegende Dichtelement
weist dann einen teilzylinderförmigen Anschnitt zur Ausbildung
der Dichtflächen auf. Vorzugsweise steht die Längsachse
des Dichtelementes senkrecht zur Längsachse des Ventilgliedes.
Weist das Ventilglied anstelle einer runden Querschnittsform eine
mehreckige Querschnittsform auf, liegt das Dichtelement vorzugsweise
mit einer flachen, ringförmigen Dichtfläche an
einer geraden Seitenkante des Ventilgliedes an.
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Vorzugsweise
ist die Dichtfläche des Dichtelementes nicht nur der Außenkontur
des Ventilgliedes angepasst, sondern weist auch eine vergleichbare
Oberflächengüte auf.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Dichtelement
mit einer radial vorstehenden, vorzugsweise aus einem Elastomer
bestehenden Ringdichtung versehen. Die Ringdichtung bildet einen
linearen Kontaktbereich des Dichtelementes am Ventilgehäuse
aus, so dass auch gegenüber dem Ventilgehäuse
eine sichere Abdichtung gewährleistet ist. Kühlmittelleckageströme
in axialer Richtung können somit verhindert werden. Zugleich erweist
sich die linienförmige Anlage des Dichtelementes am Ventilgehäuse über
den Linienkontaktbereich der Ringdichtung als reibungsarm, so dass
das Einsetzen des Dichtelementes in das Ventilgehäuse und
damit die Montage des Regelventils vereinfacht wird.
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Bevorzugt
ist die Ringdichtung in einer außenseitigen Umfangsnut
des Dichtelementes angeordnet. Dies setzt jedoch voraus, dass das
vorzugsweise hohlzylinderartige Dichtelement eine gewisse Wandungsstärke
zur Ausbildung der Umfangsnut besitzt. Alternativ wird daher vorgeschlagen,
dass die Ringdichtung an der dem Ventilglied abgewandten Stirnseite
des Dichtelementes angeordnet, das heißt in axialer Richtung
angesetzt ist. Zur Anlage am Ventilgehäuse ist weiterhin
vorzugsweise eine radial vorstehende Dichtlippe an der Ringdichtung
ausgebildet.
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Sofern
am Dichtelement keine Umfangsnut zur Aufnahme des Dichtelementes
ausgebildet ist, beispielsweise, wenn die Ringdichtung axial angesetzt
ist, kann zur radialen Abstützung der Ringdichtung ein
hülsenförmiger, vorzugsweise aus Metall bestehender
Stützkörper in das Dichtelement eingesetzt sein.
Weiterhin vorzugsweise besteht dieser Stützkörper
aus Edelstahl, welcher eine hohe Beständigkeit gegen aggressive
Medien aufweist. Zur Aufnahme des Stützkörpers
kann das Dichtelement eine innenumfangseitig ausgebildete Anlageschulter aufweisen.
Diese kann zugleich als Anschlag dienen, so dass der Stützkörper
ferner zur axialen Abstützung der Druckfeder einsetzbar
ist. Bevorzugt weist hierzu der hülsenförmige
Stützkörper eine radial verlaufende ringförmige
Stützfläche auf, an der die Druckfeder axial abgestützt
ist.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der hülsenförmige
Stützkörper derart in das Dichtelement eingesetzt,
dass zwischen dem Stützkörper und dem Dichtelement
eine außenumfangseitig verlaufende Nut zur Aufnahme der
Ringdichtung ausgebildet wird. Weiterhin vorzugsweise ist der Stützkörper
gegenüber dem Dichtelement axial verschiebbar angeordnet,
so dass die axiale Erstreckung der Ringnut über eine axiale
Verschiebung des Stützkörpers gegenüber
dem Dichtelement einstellbar ist. Zum Einen kann dadurch die Ringdichtung
in ihrer axialen Lage fixiert, zum Anderen kann sie axial vorgespannt
werden, so dass der Anpressdruck am Ventilgehäuse einstellbar
ist. Beim Einsetzen des Dichtelementes in das Ventilgehäuse
ist das Stützelement unbelastet, so dass keine axiale Vorspannung
der Ringdichtung erfolgt. Der Anpressdruck der Ringdichtung am Ventilgehäuse
ist somit geringer, was wiederum zu einer Vereinfachung der Montage
des Regelventils führt.
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Die
vorstehend genannten Vorteile eines erfindungsgemäßen
Regelventils zeigen sich unabhängig davon, welche Schaltbewegung
das Ventilglied zur Regelung der Kühlmittelströme
vollzieht. Das Ventilglied eines erfindungsgemäßen
Regelventils kann demnach ein linear bewegbarer Schieberkolben oder
ein rotatorisch bewegbarer Drehschieber sein, wobei das Ventilglied
auch eine kombinierte, d. h. eine linear-rotatorische Schaltbewegung
ausführen kann.
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Beansprucht
wird ferner ein Kühlmittelkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine
mit einem erfindungsgemäßen, vorstehend beschriebenen
Regelventil. Zur Betätigung des in den Kühlmittelkreislauf
eingesetzten Regelventils können elektromotorische, hydraulische
oder pneumatische Stellmittel vorgesehen sein.
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Bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt durch ein Dichtelement eines erfindungsgemäßen
Regelventils in eingebautem Zustand,
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2 eine
Schnittansicht, teilweise perspektivisch, eines ersten Dichtelementes
und
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3 eine
Schnittansicht, teilweise perspektivisch, eines zweiten Dichtelementes.
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1 ist
ausschnittsweise ein Ventilgehäuse 1 eines erfindungsgemäßen
Regelventils zu entnehmen, in dem ein Zuführanschluss 2 für
die Kühlmittelzufuhr ausgebildet ist. Der Zuführanschluss 2 kann wahlweise
dem Anschluss eines Bypasskreises oder eines Kühlerkreises
dienen. Über beide Kreise wird Kühlwasser dem
Kühlmittelkreislauf zugeführt. Um den Zuführanschluss 2 mit
einem Abführanschluss (nicht dargestellt) zu verbinden,
ist im Ventilgehäuse 1 ein verstellbares Ventilglied 3 angeordnet,
das vorliegend eine zylinderförmige Außenumfangsfläche besitzt.
An der zylinderförmigen Außenumfangsfläche
des Ventilgliedes 3 liegt ein hohlzylinderartiges Dichtelement 4 an,
dessen dem Ventilglied 3 zugewandte Stirnseite als Dichtfläche 6 ausgebildet
ist, die der Außenkontur 7 des Ventilgliedes 3 angepasst ist.
Auf diese Weise ergibt sich ein minimaler Dichtspalt. Dieser Dichtspalt
wird dadurch weiter reduziert, dass das Dichtelement 4 von
der Druckkraft einer Druckfeder 5, vorliegend einer Wellfeder,
in axialer Richtung a beaufschlagt wird. Die Wellfeder 5 gewährleistet
den erforderlichen Anpressdruck, um eine ausreichende Abdichtung
sowohl im Überdruck-, als auch im Unterdruckbereich zu
gewährleisten. Dadurch können Kühlwasserleckageströme
unterbunden oder zumindest reduziert werden.
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Das
Dichtelement 4 besteht aus Polytetrafluorethylen, dessen
geringer Reibungskoeffizient einen verminderten Verschleiß der
am Ventilglied 3 anliegenden Dichtflächen 6 bei
dynamischer Belastung des Dichtelements 4 bewirkt. Dabei
kann die dynamische Belastung durch eine lineare Bewegung und/oder
durch eine rotatorische Bewegung des Ventilgliedes 3 bedingt
sein.
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Zur
Abdichtung gegenüber dem Ventilgehäuse 1 ist
an der den Ventilglied 3 abgewandten Stirnseite des Dichtelementes 4 eine
Ringdichtung 8 angeordnet, die eine radialer Richtung b
vorstehende Dichtlippe 11 aufweist, die unter Vorspannung
am Ventilgehäuse 1 anliegt.
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Das
Dichtelement 4 der 1 ist nochmals in 3 dargestellt. 3 zeigt
deutlich, dass das Dichtelement 4 eine erste Stirnseite
zur Ausbildung einer sattelförmigen Dichtfläche 6 sowie
eine zweite Stirnseite 10 als Anlagenfläche für
eine Ringdichtung 8 aufweist. Ferner ist am Dichtelement 4 innenumfangseitig
eine radial verlaufende Anlageschulter 14 vorgesehen, die
einen axialen Anschlag für einen in das Dichtelement 4 eingesetzten
Stützkörper 12 ausbildet. Der Stützkörper 12 überragt
das Dichtelement 4 in axialer Richtung a und weist zudem
eine nach radial außen geführte Stützfläche 13 auf,
so dass zwischen dem Stützkörper 12 und
dem Dichtelement 4 eine außenumfangseitig angeordnete
Nut zur Aufnahme der Ringdichtung 8 ausgebildet wird. Der Stützkörper 12 stützt
die Ringdichtung 8 in radialer Richtung ab. Zudem kann über
eine an der Stützfläche 13 anliegende
Druckfeder 5 eine axiale Vorspannung der Ringdichtung 8 bewirkt
werden, bis der Stützkörper 12 soweit
in das Dichtelement 4 eingeschoben ist, dass er an der
Anlageschulter 14 anschlägt. Der Stützkörper 12 wird
durch eine Metallhülse gebildet und kann daher sehr dünnwandig
ausgebildet sein. Der freie Strömungsquerschnitt zur Führung
der Kühlmittelströme wird dadurch kaum eingeschränkt.
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Alternativ
zu der Ausführungsform der 3 kann das
Dichtelement 4 auch entsprechend 2 ausgebildet
sein. Bei dieser Ausführungsform ist ein Stützkörper 12 entbehrlich.
Zur Aufnahme der Ringdichtung 8 weist das Dichtelement 4 eine
Umfangsnut 9 auf, in die das Dichtelement 8 eingelegt
wird. Über eine radial vorstehende Dichtlippe 11 liegt
die Ringdichtung 8 dichtend am Ventilgehäuse 1 an.
Zur Ausbildung der Ringnut 9 weist das Dichtelement 4 zumindest
in einem Teilbereich mit einer größeren Wandungsstärke
auf. Durch Bereiche mit einer geringeren Wandungsstärke
wird innenumfangseitig eine radial verlaufende Stützfläche 15 ausgebildet,
an der beispielsweise die Druckfeder 5 abgestützt
sein kann. Darüber hinaus kann die Stützfläche 15 aber auch
als Anlageschulter 14 für einen Stützkörper 12 zur
axialen Abstützung der Druckfeder 5 dienen. Ein solcher
Stützkörper 12 kann beispielsweise die
Form des Stützkörpers 12 der 3 aufweisen.
Die dem Ventilglied 3 zugewandte Stirnseite des Dichtelementes 4 weist
wiederum sattelartig ausgebildete Dichtflächen 6 auf,
die der Außenkontur 7 des Ventilgliedes 3 angepasst
sind. Das Ventilglied 3 weist vorliegend entsprechend 1 eine
zylinderförmige Außenkontur auf. Das Ventilglied 3 kann
jedoch auch eine andere Außenkontur 7 besitzen.
Beispielsweise kann der Querschnitt des Ventilgliedes prismatisch sein.
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- 1
- Ventilgehäuse
- 2
- Zuführanschluss
- 3
- Ventilglied
- 4
- Dichtelement
- 5
- Druckfeder
- 6
- Dichtfläche
- 7
- Außenkontur
- 8
- Ringdichtung
- 9
- Umfangsnut
- 10
- Stirnseite
- 11
- Dichtlippe
- 12
- Stützkörper
- 13
- Stützfläche
- 14
- Anlageschulter
- 15
- Stützfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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