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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rückschlagventil mit einem Ventilgehäuse, wobei das Ventilgehäuse einen Einlass und einen Auslass für ein Fluid, einen Ventilsitz mit einer Dichtfläche und einen dem Ventilsitz gegenüberliegenden Öffnungsanschlag aufweist, wobei in einem Innenraum des Ventilgehäuses zwischen dem Ventilsitz und dem Öffnungsanschlag ein Ventilschließkörper mit einer Oberfläche angeordnet ist, wobei der Ventilschließkörper zwischen einer geschlossenen Position, in welcher der Ventilschließkörper in Eingriff mit der Dichtfläche des Ventilsitzes ist, und einer geöffneten Position, in welcher der Ventilschließkörper in Eingriff mit dem Öffnungsanschlag ist, relativ zu dem Ventilgehäuse hin und her bewegbar ist, wobei der Ventilschließkörper bei Durchströmung des Rückschlagventils mit dem Fluid in einer Sperrrichtung das Rückschlagventil dadurch abdichtet, dass der Ventilschließkörper dichtend in Eingriff mit der Dichtfläche des Ventilsitzes kommt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Fördern eines Fluids mit einem Rückschlagventil der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zur Reinigung eines in einer Vorrichtung zum Fördern eines Fluids angeordneten Rückschlagventils.
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Rückschlagventile sind aus der Förderung von Fluiden nicht wegzudenken. Häufig kommen die dafür erforderlichen Vorrichtungen zur Förderung eines Fluids, insbesondere Pumpen, auch in Bereichen zum Einsatz, in welchen gewisse hygienische Voraussetzungen erfüllt sein müssen. An dieser Stelle sei beispielhaft die Lebensmittelindustrie oder die Medizintechnik genannt.
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In derartigen Vorrichtungen verbaute Rückschlagventile stellen regelmäßig besonders kritische Bereiche dar, die nur schwer zu reinigen sind. Um die Rückschlagventile zu reinigen, werden diese typischerweise in einem separaten Reinigungsprozess mit einem konstanten Förderstrom eines Reinigungsmittels beaufschlagt. Durch die konstante Beaufschlagung mit dem Reinigungsmittel in einer Förderrichtung entgegen der Sperrrichtung wird der Ventilschließkörper dauerhaft in seine geöffnete Position gebracht, in welcher der Ventilschließkörper in Eingriff mit dem Öffnungsanschlag ist.
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Die statische Position des Ventilschließkörpers in diesem Reinigungsprozess hat zur Folge, dass strömungsabgewandte Bereiche des Ventilschließkörpers, wie beispielsweise die Rückseite eines Ventilschließkörpers, deren Vorderseite dem Reinigungsstrom direkt zugewandt ist, nicht ausreichend von dem Reinigungsmittel umströmt wird. Daraus resultiert wiederum eine nicht ausreichende Reinigung des gesamten Ventilschließkörpers.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Rückschlagventil bzw. eine Vorrichtung mit einem Rückschlagventil bzw. ein Verfahren zur Reinigung eines Rückschlagventils bereitzustellen, bei welchem eine ausreichende Reinigung auch der strömungsabgewandten Bereiche des Ventilschließkörpers gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Rückschlagventil der eingangs genannten Art gelöst, wobei in einem Bereich des Öffnungsanschlags zusätzlich zu dem Öffnungsanschlag ein den Strömungsquerschnitt verringerndes Element vorgesehen ist, sodass, wenn der Ventilschließkörper in der geöffneten Position ist und das Rückschlagventil mit dem Fluid entgegen der Sperrrichtung durchströmt wird, ein strömungsabgewandter Bereich der Oberfläche des Ventilschließkörpers zumindest eine mittlere Wandschubspannung von 50% gegenüber einer mittleren Wandschubspannung eines strömungszugewandten Bereichs der Oberfläche des Ventilschließkörpers aufweist.
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Durch das den Strömungsquerschnitt verringernde Element wird das Fluid in seiner Strömung derart beeinflusst, dass mikroskopisch betrachtet auch auf den strömungsabgewandten Bereich des Ventilschließkörpers eine Wandschubspannung wirkt, die eine ausreichende Reinigung ermöglicht. Dies ist bei einer mittleren Wandschubspannung von mindestens 50% der mittleren Wandschubspannung gewährleistet, die auf den strömungszugewandten Bereich wirkt.
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Ob ein Oberflächenabschnitt des Ventilschließkörpers dem strömungsabgewandten Bereich oder dem strömungszugewandten Bereich zuzuordnen ist, hängt von der jeweiligen Orientierung des Oberflächenabschnitts relativ zu einer Förderrichtung des Fluids ab, in welcher das Fluid das Rückschlagventil durchströmt. Der strömungsabgewandte Bereich setzt sich im Sinne der vorliegenden Anmeldung also aus solchen Oberflächenabschnitten des Ventilschließkörpers zusammen, deren Oberflächennormale eine Komponente größer Null in Richtung der Förderrichtung aufweist, wenn in einem geometrischen Mittelpunkt des Ventilschließkörpers ein gedachtes Koordinatensystem angeordnet wird, dessen erster und zweiter Quadrant in Förderrichtung dem dritten und vierten Quadrant nachgeordnet sind.. Mit anderen Worten schließen die Oberflächennormalen der Oberflächenabschnitte des strömungsabgewandten Bereichs einen Winkel von weniger als 90° mit der Förderrichtung ein. Die Oberflächennormalen der Oberflächenabschnitte des strömungszugewandten Bereichs weisen hingegen eine Komponente kleiner Null entgegen der Förderrichtung des Fluids auf. Ein Fluidstrom, der in Förderrichtung das Rückschlagventil durchströmt, trifft daher zunächst auf den strömungszugewandten Bereich. Auch die Oberflächennormalen der Oberflächenabschnitte des strömungszugewandten Bereichs schließen mit der Flussrichtung einen Winkel kleiner 90° ein.
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Das Maß, wie stark ein Oberflächenabschnitt eines Körpers in einem Fluid umströmt wird, lässt sich anhand der sogenannten Wandschubspannung quantifizieren. In der Strömungsmechanik wird unter der Wandschubspannung die Kraft pro Fläche verstanden, die aufgrund des umströmenden Fluids tangential auf einen Oberflächenabschnitt des Körpers ausgeübt wird. Diese Kraft ist für Oberflächenabschnitte des strömungsabgewandten Bereichs im Vergleich zu Oberflächenabschnitten des strömungszugewandten Bereichs in Rückschlagventilen aus dem Stand der Technik deutlich reduziert, sodass im Stand der Technik eine Reinigung dieser Abschnitte durch Umströmung mit einem Reinigungsmittel nur in begrenztem Maße möglich ist.
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In einer Ausführungsform ist der Ventilschließkörper kugelförmig, wobei der Ventilschließkörper von einem gedachten Äquator in eine erste und eine zweite Hälfte geteilt wird, wobei der Äquator orthogonal zu einer Längsachse des Innenraums orientiert ist, wobei sich die Längsachse mittig von dem Ventileinlass zu dem Ventilauslass erstreckt, wobei eine Oberfläche der ersten Hälfte, die in einer Förderrichtung entgegen der Sperrrichtung vor der zweiten Hälfte angeordnet ist, der strömungszugewandte Bereich des Ventilschließkörpers ist, und eine Oberfläche der zweiten Hälfte der strömungsabgewandte Bereich des Ventilschließkörpers ist.
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Insbesondere kugelförmige Ventilschließkörper zeigen in Rückschlagventilen gemäß dem Stand der Technik Bereiche, die mit einer geringen Wandschubspannung beaufschlagt werden, da zwar das Fluid den Ventilschließkörper umfließt, dabei jedoch nicht alle Oberflächenabschnitte des Ventilschließkörpers gleichermaßen tangential anströmt, sondern insbesondere im Bereich des Poles des strömungsabgewandten Bereichs nahezu keine Wandschubspannung wirkt. Ist nun das den Strömungsquerschnitt verringernde Element derart angeordnet, dass das Fluid auch auf Oberflächenabschnitte des strömungsabgewandten Bereichs geleitet wird, wird eine Reinigung des Ventilschließkörpers erzielt, die besonderen hygienischen Anforderungen, beispielsweise in der Lebensmittelindustrie oder Medizintechnik, gerecht wird.
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In einer weiteren Ausführungsform setzt sich der strömungsabgewandte Bereich aus mehreren Oberflächenabschnitten der Oberfläche des Ventilschließkörpers zusammen, wobei eine Summe der Oberflächenabschnitte des strömungsabgewandten Bereichs, die eine Wandschubspannung < 25% der mittleren Wandschubspannung des strömungszugewandten Bereichs der Oberfläche aufweisen, höchstens 25% einer Gesamtfläche der Oberfläche des Ventilschließkörpers beträgt. Mit anderen Worten ist der quantitative Oberflächenanteil der Oberflächenabschnitte des strömungsabgewandten Bereichs, die für eine Reinigung keine ausreichende Wandschubspannung erfahren, < 25% der Gesamtfläche der Oberfläche des Ventilschließkörpers. So kann insgesamt eine ausreichende Reinigung des Ventilschließkörpers sichergestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform reduziert das den Strömungsquerschnitt verringernde Element den Strömungsquerschnitt des Rückschlagventils im Bereich des den Strömungsquerschnitt verringernden Elementes um mindestens 25%, vorzugsweise um mindestens 40% gegenüber einem Öffnungsquerschnitt des Ventilsitzes, wenn der Ventilschließkörper in der geöffneten Position angeordnet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Ventilgehäuse einen Innenraum auf, der zumindest abschnittsweise zylindrisch ausgeformt ist, wobei der Ventilschließkörper in dem zylindrischen Abschnitt des Innenraums angeordnet ist, wobei sich das den Strömungsquerschnitt verringernde Element in radialer Richtung in den Innenraum des Ventilgehäuses hinein erstreckt. Zylindrische Ausgestaltungen des Innenraums des Ventilgehäuses, in welchem das Fluid strömt, bieten den Vorteil, dass sich keine Ablagerungen an Kanten des Innenraums bilden können.
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Insbesondere weist das den Strömungsquerschnitt verringernde Element eine dem Ventilschließkörper zugewandte Unterseite auf, wobei sich die Unterseite in einem Winkel kleiner 90°, vorzugsweise kleiner 60° zu einer Längsachse des zylindrischen Abschnitts des Innenraums erstreckt, wobei der Winkel zwischen der Unterseite und der Längsachse derart definiert ist, dass er auf einer Seite der Unterseite liegt, die dem Ventileinlass zugewandt ist und von der Unterseite aus betrachtet vor einem Schnittpunkt einer gedachten Verlängerung der Unterseite, vorzugsweise einer gedachten tangentialen Verlängerung der Unterseite, mit der Längsachse liegt.
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Betrachtet man erneut das zuvor im Zusammenhang mit den strömungsab- und zugewandten Bereichen diskutierte Koordinatensystem, dessen erster und zweiter Quadrant in Förderrichtung vor dem dritten und vierten Quadranten angeordnet sind, so liegt der beanspruchte Winkel im vierten Quadranten des Koordinatensystems, sofern der Schnittpunkt der Unterseite mit der Längsachse als Ursprung des Koordinatensystems angenommen wird. Durch die für den Winkel beanspruchte untere Grenze wird das Fluid besonders vorteilhaft um den Ventilschließkörper geleitet und der Reinigungseffekt verbessert.
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Weiter ist in einer Ausführungsform die Unterseite konkav mit einem Radius R gekrümmt, wobei vorzugsweise der Radius R ≥ 3 mm, bevorzugt der Radius R ≥ 6 mm und besonders bevorzugt der Radius R ≥ 6,35 mm ist, wobei eine Tangente, vorzugsweise jede Tangente, an der gekrümmten Unterseite mit der Längsachse einen Winkel kleiner 90°, vorzugsweise kleiner 60° einschließt, wobei der Winkel zwischen der Tangente und der Längsachse derart definiert ist, dass er auf einer Seite der Tangente liegt, die dem Ventileinlass zugewandt ist und von der Tangente aus betrachtet vor einem Schnittpunkt der Tangente mit der Längsachse liegt. Mit anderen Worten ist die Definition des Winkels zwischen Tangente und Längsachse analog zu der Definition des Winkels zwischen Unterseite und Längsachse im vorangegangen Ausführungsbeispiel. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass sich sowohl während der Reinigung des Rückschlagventils als auch im eigentlichen Betrieb keine Rückstände in etwaigen Ecken ansammeln können, die nur schwer zu reinigen sind bzw. im Falle von sich ansammelnden Reinigungsmittel zu einer Verunreinigung der zu verarbeitenden Produkte wie dem Lebensmittel führen könnten.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das den Strömungsquerschnitt verringernde Element mehrere, vorzugsweise vier, Teilelemente auf, die äquidistant in Umfangsrichtung des zylindrischen Abschnitts des Innenraums angeordnet sind. Durch die äquidistante Anordnung wird die Führung des Fluids um den Ventilschließkörper gezielt verbessert und damit die Reinigung des strömungsabgewandten Bereichs des Ventilschließkörpers.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum Fördern eines Fluids mit zumindest einem zuvor beschriebenen Rückschlagventil gelöst, wobei es sich vorzugsweise bei dem Fluid um ein flüssiges Lebensmittel handelt. Unter der Vorrichtung wird insbesondere eine Pumpe, z.B. eine Dosierpumpe, verstanden, die definierte Mengen eines Fluids fördert.
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Bei dem Fluid, welches mit der Vorrichtung gefördert wird, handelt es sich nicht zwangsläufig um das Fluid, welches zur Reinigung des Ventilschließkörpers eingesetzt wird. Vielmehr kann jedes beliebige Fluid, insbesondere Flüssigkeiten wie Milch oder Honig, mit einer derartigen Vorrichtung bzw. einer Vorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Rückschlagventil gefördert werden.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird weiterhin durch ein Verfahren zur Reinigung eines in einer Vorrichtung, vorzugsweise einer Dosierpumpe zum Dosieren eines Fluids, angeordneten Rückschlagventils gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- A) Bereitstellen der Vorrichtung mit dem Rückschlagventil, wobei das Rückschlagventil ein Ventilgehäuse mit einem Einlass und einem Auslass für das Fluid, einen Ventilsitz mit einer Dichtfläche und einem dem Ventilsitz gegenüberliegenden Öffnungsanschlag aufweist, wobei in dem Ventilgehäuse zwischen dem Ventilsitz und dem Öffnungsanschlag ein relativ zu dem Ventilgehäuse bewegbarer Ventilschließkörper mit einer Oberfläche angeordnet ist, wobei derVentilschließkörper zwischen einer geschlossenen Position, in welcher der Ventilschließkörper in Eingriff mit der Dichtfläche des Ventilsitzes ist, und einer geöffneten Position, in welcher der Ventilschließkörper in Eingriff mit dem Öffnungsanschlag ist, relativ zu dem Ventilgehäuse hin und her bewegbar ist, wobei der Ventilschließköper bei Durchströmung des Rückschlagventils mit dem Fluid in einer Sperrrichtung das Rückschlagventil dadurch abdichtet, dass der Ventilschließkörper dichtend in Eingriff mit der Dichtfläche des Ventilsitzes kommt,
- B) Beaufschlagen der Vorrichtung und damit des Rückschlagventils mit einem Fluid entgegen der Sperrrichtung, sodass der Ventilschließkörper in Eingriff mit dem Öffnungsanschlag gebracht wird, sodass ein strömungsabgewandter Bereich der Oberfläche des Ventilschließkörpers eine mittlere Wandschubspannung von mindestens 50% gegenüber einer mittleren Wandschubspannung eines strömungszugewandten Bereichs der Oberfläche des Ventilschließkörpers erfährt, wobei der strömungszugewandte Bereich in einer Förderrichtung entgegen der Sperrrichtung des Fluids vor dem strömungsabgewandten Bereich des Ventilschließkörpers angeordnet ist.
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In einer Ausführungsform wird die Vorrichtung mit einem im Wesentlichen zeitlich konstanten Fluidstrom beaufschlagt. Dies bietet den Vorteil, dass auf den Ventilschließkörper nach einer Startphase des Reinigungsverfahrens immer die gleichen Wandschubspannungen wirken, sodass etwaige Verunreinigungen kontinuierlich abgetragen werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsform des in einer Vorrichtung zum Dosieren eines Fluids verbauten Rückschlagventils in einer geschlossenen Position.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Ausführungsform, wobei das Rückschlagventil in seiner offenen Position ist.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rückschlagventils im Bereich des den Strömungsquerschnitt verringernden Elementes.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1, in welcher eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rückschlagventils 10 verbaut ist. Das Rückschlagventil 10 weist einen Einlass 12 sowie einen Auslass 13 und ein Ventilgehäuse 11 auf, durch welche ein Fluid in einer Förderrichtung 101 entgegen der Sperrrichtung 100 durch das Rückschlagventil 10 gefördert werden kann, wohingegen das Rückschlagventil 10 die Förderung des Fluids unterbricht, wenn das Fluid in Sperrrichtung 100 durch das Rückschlagventil 10 bewegt wird.
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Zu diesem Zweck weist das Rückschlagventil 10 einen Ventilsitz 14 auf, der seinerseits eine Dichtfläche 14a aufweist. Weiter weist das Rückschlagventil 10 einen dem Ventilsitz 14 gegenüberliegenden Öffnungsanschlag 15 auf, wobei in dem Ventilgehäuses 11 zwischen dem Ventilsitz 14 und dem Öffnungsanschlag 15 ein Ventilschließkörper 16 angeordnet ist.
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Der Ventilschließkörper 16 ist zwischen einer geschlossenen Position, die in 1 dargestellt ist und in welcher der Ventilschließkörper 16 in Eingriff mit der Dichtfläche 14a des Ventilsitzes 14 ist und einer geöffneten Position, die in 2 gezeigt ist und in welcher der Ventilschließkörper 16 in Eingriff mit dem Öffnungsanschlag 15 ist, relativ zu dem Ventilgehäuse 11 hin und her bewegbar.
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Weiter ist der Ventilschließkörper kugelförmig ausgeführt und in einem Innenraum 18 des Ventilgehäuses 11 angeordnet, der abschnittsweise zylindrisch ausgestaltet ist. In den Innenraum 18 des Ventilgehäuses 11 erstreckt sich in radialer Richtung ein den Strömungsquerschnitt verringerndes Element 17, das aus mehreren Teilelementen besteht (siehe 3).
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Das den Strömungsquerschnitt verringernde Element 17 weist weiter eine Unterseite 17a auf, die mit einem Radius R von 6,35 mm konkav gekrümmt ist. Eine gedachte tangentiale Verlängerung der konkav gekrümmten Unterseite 17a erstreckt sich in einem Winkel von 60° zu einer Längsachse 50 des zylindrischen Abschnitts des Innenraums 18. Daher schließt jede Tangente der konkav gekrümmten Unterseite 17a maximal einen Winkel von 60° zu der Längsachse 50 des Innenraums 18 ein.
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3 zeigt nochmals eine Draufsicht auf einen Querschnitt des Rückschlagventils 10, wobei der Ventilschließkörper 16 in dieser Darstellung nicht im Innenraum 18 gezeigt ist. Aus 3 wird deutlich, dass das den Strömungsquerschnitt verringernde Element 17 aus vier Teilelementen besteht, die äquidistant in Umfangsrichtung um einen zylindrischen Abschnitt des Innenraums 18 des Rückschlagventils 10 angeordnet sind, sodass sich zusammen mit dem Öffnungsanschlag 15 eine Kleeblattstruktur ergibt. Während der Öffnungsanschlag 15 weiter in den Innenraum 18 des Ventilgehäuses 11 hineinragt, stellt das den Strömungsquerschnitt verringernde Element 17 sicher, dass noch ausreichend Fluid das Rückschlagventil 10 durchströmen kann, wobei gleichzeitig der Ventilschließkörper 16 durch die Führung des Fluids für eine Reinigung ausreichend angeströmt wird.
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Bei der in 1 gezeigten geschlossenen Position des Rückschlagventils 10 ist der Ventilschließkörper 16 durch die Durchströmung des Rückschlagventils 10 mit dem Fluid in einer Sperrrichtung 100 dichtend in Eingriff mit der Dichtfläche 14a des Ventilsitzes 14, sodass das Rückschlagventil 10 abgedichtet wird und kein Fluid durch das Rückschlagventil 10 dringen kann.
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Wird das Rückschlagventil hingegen mit einem Fluid, beispielsweise einem Reinigungsmittel, entgegen der Sperrrichtung 100 mit einem zeitlich konstanten Fluidstrom durchströmt, so bewegt sich der Ventilschließkörper 16 in seine offene Position, in welcher er in Eingriff mit dem Öffnungsanschlag 15 ist, und verbleibt dort. Die geöffnete Position des Rückschlagventils 10 ist in 2 dargestellt.
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Befindet sich der Ventilschließkörper 16 in seiner offenen Position und wird das Rückschlagventil 10 mit einem Reinigungsmittel entgegen der Sperrrichtung 100 durchströmt, so lässt sich für den Ventilschließkörper 16 ein strömungszugewandter Bereich 16b sowie ein strömungsabgewandter Bereich 16a definieren, wobei der strömungszugewandte Bereich 16b in der Förderrichtung 101 des Fluids entgegen der Sperrrichtung 100 vor dem strömungsabgewandten Bereich 16a des Ventilschließkörpers angeordnet ist.
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Die Ausgestaltung der den Strömungsquerschnitt verringernden Elemente 17 führt dazu, dass das durchströmende Fluid den Ventilschließkörper 16 derart umströmt, dass der strömungsabgewandte Bereich 16a der Oberfläche des Ventilschließkörpers 16 zumindest eine mittlere Wandschubspannung von 50% gegenüber einer mittleren Wandschubspannung des strömungszugewandten Bereichs 16b der Oberfläche des Ventilschließkörpers erfährt.
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Auf diese Weise wird auch der strömungsabgewandte Bereich 16a der Oberfläche des Ventilschließkörpers 16, der in Eingriff mit dem Öffnungsanschlag 15 ist, adäquat gereinigt. Zudem beeinflussen die den Strömungsquerschnitt verringernden Elemente 17 nicht die Förderung eines Fluids, wenn die Vorrichtung im Regelbetrieb, beispielsweise zur Dosierung eines Lebensmittels, betrieben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 10
- Rückschlagventil
- 11
- Ventilgehäuse
- 12
- Einlass
- 13
- Auslass
- 14
- Ventilsitz
- 14a
- Dichtfläche
- 15
- Öffnungsanschlag
- 16
- Ventilschließkörper
- 16a
- strömungsabgewandter Bereich
- 16b
- strömungszugewandter Bereich
- 17
- Strömungsquerschnitt verringerndes Element
- 17a
- Unterseite
- 18
- Innenraum
- 50
- Längsachse
- 100
- Sperrrichtung
- 101
- Förderrichtung
