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Die Erfindung betrifft eine Kontrollvorrichtung zur Überwachung der
Geschwindigkeit eines Strömungsmittels mit einem Gehäuse, das eine Kammer mit einer
Eintritts- und Austrittsöffnung besitzt, und mit einem zweiteilig ausgebildeten
Venturirohr in der Kammer, dessen Düse bzw. Diffusor an der Eintritts- bzw. Austrittsöffnung
angeordnet ist und wovon ein Teil im Gehäuse verschiebbar und mit einer Schaltvorrichtung
verbunden ist.
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Derartige Vorrichtungen sind bekannt und werden verwendet, um eine
Regelvorrichtung, eine Alarmeinrichtung od. dgl. automatisch zu betätigen, wenn
sich der Flüssigkeitsstrom beträchtlich ändert. Die Kühlsysteme von Teilchenbeschleunigern
und Kernreaktoren sind typische Einrichtungen, die solche Kontrollvorrichtungen
brauchen, da eine nicht wahrgenommene Verringerung des Flüssigkeitsstroms zur Überhitzung
einer wertvollen Vorrichtung führen kann.
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Die bekannten Kontrollvorrichtungen haben sich nicht genügend zuverlässig,
dauerhaft und empfindlich gezeigt oder sind in der Herstellung sehr teuer.
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Sie sind nicht generell »fail safe«, d. h., die bekannten Vorrichtungen
können nicht arbeiten, wenn die Blockierung der Strömung in der Vorrichtung selbst
erfolgt.
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Eine bekannte Kontrollvorrichtung ist auf den Bernoulli-Effekt aufgebaut,
wobei ein Druckunterschied an beiden Seiten einer Gummimembran aufrechterhalten
wird. Der Strom wird durch eine Düse geleitet, und die Gummimembran verschiebt sich
bei zunehmenden Druckunterschieden an den beiden Seiten der Düse in Richtung der
Strömung. Die Verschiebung der Membran wird auf einen elektrischen Schalter übertragen,
um einen Alarm auszulösen oder die Vorrichtung abzuschalten. Diese Mechanismen haben
sich jedoch nicht als vollkommen sicher erwiesen, da bei einer Verstopfung der Düse
der Druckunterschied an der Membran vergrößert wird und in derselben Richtung wirkt
wie der durch die Strömung erzeugte Druckunterschied, so daß bei unterbrochenem
Durchfluß eine volle Strömung vorgetäuscht wird.
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Außerdem sprechen die bekannten Kontrollvorrichtungen nur auf sehr
große Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeit an. Zum Beispiel wird ein Abschaltvorgang
erst ausgelöst, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit auf etwa 70 0/o des Sollwertes
vermindert hat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kontrollvorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die auf geringere Änderungen der Geschwindigkeit
des Strömungsmittels anspricht und bei der sich das von der Strömung beeinflußte
Fühlelement bei einem Strömungsanstieg in Gegenrichtung zur Strömung bewegt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einlaßöffnung
des Diffusors gleich oder größer als die Auslaßöffnung der Düse ist und die Düse
starr mit der Eingangsseite des Gehäuses verbunden ist, während der Diffusor in
einer federnden Membran gegen die Düse in axialer Richtung verschiebbar eingespannt
ist, und daß diese Membran die Kammer derart in zwei Räume unterteilt, daß der Raum
auf der Eingangsseite über den Trennungsspalt zwischen Diffusor und Düse mit der
engsten Stelle des Venturirohres im Druckausgleich steht und die Bewegung der Membran
eine Schaltvorrichtung betätigt.
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Im Gegensatz zu den bekannten Kontrollvorrichtungen spricht die erfindungsgemäße
Vorrichtung auf eine Verstopfung innerhalb der Düse oder des Diffusors in der gleichen
Weise an wie auf eine Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit, da eine solche Verstopfung
in jedem Fall einen Druckanstieg auf der stromaufwärtigen Seite der Membran bewirkt
und diese in stromabwärtiger Richtung verschiebt. Mit dieser Verschiebung wird ein
elektrischer Schalter betätigt, der so geschaltet ist, daß er einen Alarm auslöst
oder die zu steuernde Einrichtung automatisch abschaltet. Die erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung
hat außerdem den Vorteil, daß die Membran schon auf sehr geringe Anderungen der
Strömungsgeschwindigkeit anspricht.
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Im Betrieb kann die Kontrollvorrichtung so eingestellt werden, daß
ein Schalter schon bei einem Abfall der Strömungsgeschwindigkeit auf etwa 90 bis
95 95°/o des Sollwertes betätigt wird.
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Um die Nachteile von Kautschukmembranen insbesondere bei Verwendung
im Bereich radioaktiver Strahlung zu vermeiden, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung eine Metallmembran verwendet, die den verschieblichen Teil des Venturirohres
trägt und so angeordnet ist, daß eine bleibende Verformung bei zu großen Drücken
vermieden wird. Die Metallmembran ist dauerhafter, besitzt weniger Hystereseverluste
und ermöglicht eine bessere Reproduzierbarkeit der kritischen Arbeitsbedingungen
als eine Kautschukmembran.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels
veranschaulicht Es zeigt F i g. 1 eine teilweise unterbrochene Ansicht einer Kontrollvorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung auf der Eingangsseite, Fig. 2 einen Schnitt längs
der Linie 2-2 in Fig. 1.
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Die in der Zeichnung dargestellte Kontrollvorrichtung besitzt ein
Gehäuse, das von einem Metallkörper 11 gebildet wird, der eine im allgemeinen zylindrische
Form aufweist, deren Länge etwa zwei Drittel des Durchmessers beträgt. Das Gehäuse
11 weist einen angeformten zylindrischen Teil 12 und einen vorspringenden sechskantigen
Teil 13 auf, der koaxial zum Gehäuse verläuft und einen kleineren Durchmesser von
etwa der Hälfte des Gehäusedurchmessers besitzt. Die Längen der zwei Abschnitte
12 und 13 können etwa gleich sein. Etwas unterhalb des äußeren Radius des zylindrischen
Teils 12 setzt ein sich nach unten erstreckender rechteckiger Vorsprungl4 an, der
mit dem Teil 13 aus einem Stück besteht. Ein rechteckiger Arm 16 ragt von der flachen
unteren Seite des Vorsprungs 14 an einer Kante desselben vor. Der Zweck dieses Arms
wird unten erläutert.
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In der flachen Endseite des zylindrischen Gehäuseteils 12 befindet
sich eine axiale Bohrung 17, deren Tiefe etwa zwei Drittel der axialen Länge des
zylindrischen Teils beträgt. Die Bohrung 17 besitzt ein Innengewinde 18. Eine zweite
Bohrung 19 bildet eine koaxiale Fortsetzung der Bohrung 17 und weist einen Durchmesser
von etwa vier Zehntel der Bohrung 17 auf. Die axiale Länge der Bohrung 19 ist etwa
gleich der axialen Länge der Bohrung 17. Eine dritte koaxiale Bohrung 21 erstreckt
sich durch den Sechskant 13. Die Bohrung 21 besitzt an ihrem inneren und an ihrem
äußeren Ende je ein Innengewinde. In das äußere Gewinde wird die Flüssigkeitszuleitung
22 zu der Kontrollvorrichtung eingeschraubt.
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Das Gehäusell weist ebenfalls eine kleine, vertikale Radialbohrung
23 auf, die sich durch den Vorsprung 14 erstreckt und mit der Bohrung 19 nahe deren
innerem Ende in Verbindung steht. Der Durchmesser der Bohrung 23 beträgt vorzugsweise
die Hälfte der Tiefe der Bohrung 19, und der äußere Teil dieser Bohrung 23 ist mit
einem Innengewinde versehen, um ein Rohr einzuschrauben, dessen Funktion später
beschrieben werden wird.
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Eine Ringnut 24 befindet sich in der Stirnfläche der Bohrung 17,
wobei ein schmaler ringförmiger Absatz 26 zwischen der Nut und der zylindrischen
Wandung der Bohrung verbleibt. Eine weitere Bohrung 27 durch die Stirnwand des Teils
12 neben dem Sechskant 13 steht mit der Ringnut 24 in Verbindung und besitzt ein
Gewinde, um einen Stopfen 30 oder eine Verbindungsleitung mit Einrichtungen, um
die Vorrichtung bei Bedarf auszuspülen, aufzunehmen.
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Eine Düse 28 in der Bohrung 21 bildet die stationäre Hälfte eines
Venturirohrs mit quer zu dessen Längsachse verlaufender Trennung. Die Düse besitzt
einen sechskantigen Kopf 29, der ein kleines Stück in die Bohrung 19 vorspringt.
Eine konische Bohrung 31 mit einem Konuswinkel von beispielsweise 400 ist koaxial
in der Düse 28 angeordnet, wobei das kleinere Ende der Bohrung sich in dem sechskantigen
Kopf 29 befindet. Die Bohrung 31 endet in einer kleinen Auslaßöffnung 32 mit einem
Durchmesser am inneren Ende der Düse 28 von beispielsweise etwa 2,4 mm. Die geneigten
Seitenwände der Bohrung 31 dienen dazu, die Flüssigkeit zu dem Ende der Düse zu
leiten.
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Eine runde Membran 33 aus Federmetall paßt genau auf den Absatz 26
der Bohrung 17 und ist koaxial zu dem Gehäuse 11 angeordnet. Eine kreisförmige Öffnung
36 befindet sich in der Mitte dieser Membran. Ein koaxial in der Öffnung 34 der
Membran angeordneter Diffusor 36 bildet eine bewegliche Fortsetzung der Venturidüse.
Der Diffusor weist einen sechskantigen Kopf 37 auf, der an der Membran 33 auf deren
von der Düse 28 abgelegten Seite anliegt. Ein zylindrischer Teil 38 des Diffusors
erstreckt sich durch die Membranöffnung 34 und nimmt den Rest der Länge des Diffusors
ein. Ein ringförmiger Absatz39 auf der inneren Stirnfläche des sechseckigen Kopfes
37 zentriert den Diffusor 36 genau in der Membran 33. Der Diffusor 36 weist eine
in axialer Richtung verlaufende konische Bohrung 41 auf, deren Konuswinkel beispielsweise
etwa 60 beträgt. Die Bohrung 41 verjüngt sich von dem sechseckigen Kopf 37 aus nach
innen zu einer Einlaßöffnung 42 in der Mitte der Stirnfläche des zylindrischen Teils
38 des Diffusors 36 hin. Diese Einlaßöffnung 42 ist etwas größer, beispielsweise
um 0,4 mm, als die Mündung 32 der Düse 28. Die Peripherie des zylindrischen Teils
38 ist mit einem Gewinde versehen, auf das eine Sechskantschraubenmutter 43 aufgeschraubt
ist, um den Diffusor 36 in der Membran 33 zu befestigen.
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Der Eingang 42 des Diffusors 36 ist genau in der Membran 33 zentriert,
so daß dieser Eingang genau mit der Mündung 32 der Düse 28 fluchtet. Die Toleranz
dieser Fluchtung beträgt vorzugsweise etwa 0,08 mm bei einem Düsenmundstück von
2,4 mm Mündungsdurchmesser. Der Abstand zwischen der Düse und dem Diffusor sollte
zwischen etwa drei Achtel und drei Viertel des Durchmessers der Düsenmündung betragen.
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Es ist klar, daß bei diesem zweiteiligen Venturirohr der kleinste
statische Druck an der engsten Stelle des Venturirohrs auftritt, d. h. in dem Schlitz
zwischen der Düse 28 und dem Diffusor 36. In dem Diffusor 36 baut sich der statische
Druck wiederum auf, so daß ein geringer Druck auf der Seite der Membran 33 herrscht,
an der sich der Spalt in dem Venturirohr befindet, und ein höherer Druck an der
anderen Seite der Membran vorhanden ist, an der die Flüssigkeit aus dem Diffusor
austritt. Eine axiale Fehlfluchtung der Düse 28 und des Diffusors 36 über etwa 30/0
des Mündungsdurchmessers und ein Abstand zwischen Düse und Diffusor über etwa drei
Achtel bis drei Viertel des Durchmessers der Mündung 32 kann zu einer nicht unerheblichen
Verminderung der Empfindlichkeit der Vorrichtung führen, da der Düsenstrahl nicht
richtig in den Eingang 42 des Diffusors eintritt. Bei einer solchen Fehlfluchtung
wird der Druckunterschied an den zwei Seiten der Membran 33 verringert.
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Um die Membran 33 gegen den Absatz 26 des Gehäuses 11 zu drücken
und um die Endwandung des Gehäuses zu bilden, ist ein Zylinderkopf 44 vorgesehen,
der in die Bohrung 17 des Gehäuses 11 eingeschraubt ist. Das äußere Ende des Zylinderkopfes
44 ist auf etwa drei Achtel seines Durchmessers reduziert und besitzt eine sechskantige
Form, so daß der Kopf mittels eines Gabelschlüssels oder Schraubenschlüssels dicht
in das Gehäuse 11 eingeschraubt werden kann. Eine weite, abgestufte Bohrung 46 befindet
sich in dem Zylinderkopf 44, deren weiterer Teil in einem schmalen Absatz 47 endet,
welcher gegen den Rand der Membran 33 drückt. Dies bildet einen leckdichten Verschluß,
wobei bei dieser Vorrichtung nur Metall verwandt wird, obgleich es auch möglich
ist, eine Dichtung aus einem Elastomeren zu verwenden. Die Gesamttiefe der abgestuften
Bohrung 46 kann vorzugsweise etwa zwei Drittel der axialen Länge des Zylinderkopfes
44 betragen. Eine weitere axiale Bohrung 48 erstreckt sich von dem Ende der Bohrung
46 aus durch den Zylinderkopf 44. In das Gewinde dieser Bohrung ist ein Auslaßrohr49
eingeschraubt.
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Eine mechanische Kupplung 51 ist vorgesehen, um die Bewegung der
Membran 33 auf einen Schalter außerhalb des Gehäusesll zu übertragen. Die Kupplung
51 besitzt eine Stange 52 mit einem etwas kleineren Durchmesser als die Bohrung
23 in dem Gehäusell und einer Länge, die hinreichend ist, um durch die gesamte Bohrung
von dem Rand der Mutter 43 des Diffusors 36 bis fast zu dem äußeren Ende des Armes
16 zu reichen. Nach einem kurzen Stück von dem oberen Ende der Stange 52 aus verringert
sich deren Durchmesser, um einen relativ kurzen Absatz 53 zu bilden. Die unteren
vier Fünftel besitzen einen noch kleineren Durchmesser. Nahe dem unteren Ende der
Stange 52 befindet sich eine Querbohrung 54, in die eine Stellschraube 56 eingeschraubt
ist. Eine Ringscheibe 57, die sich unter dem Kopf der Stellschraube 56 befindet,
und eine Druckfeder 58, die die Schraube zwischen der Ringscheibe und der Stange
52 umgibt, gewährleisten, daß die Schraube die eingestellte Stellung beibehält.
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In der Bohrung 23 ist ein Rohr 59 aus elastischem Material koaxial
angeordnet, das mit Ausnahme des obersten Teils die Stange 52 umgibt. Das Rohr ist
auf den Absatz 53 aufgeschrumpft, wobei vorzugsweise die Außenfläche des Rohrs bündig
mit dem
Teil der Stange, der den größten Durchmesser besitzt, verläuft.
Die Länge des Rohrs 59 ist so bemessen, daß, wenn es auf dem Absatz 53 aufgeschoben
ist, das untere Ende sich fast bis zu der Stellschraube 56 erstreckt. Eine Ringverbindung
61 ist in das untere Ende der Bohrung23 eingeschraúbt, um die Kupplungseinrichtung
51 in dieser Bohrung zu halten. Die Verbindung 61 besteht aus einem rohrförmigen
Abschnitt 62 mit einem Außengewinde an jedem Ende und mit einem relativ schmalen
sechskantigen Teil 63 zwischen den beiden Gewinden. Der Innendurchmesser des Verbindungsstückes
61 ist etwas größer als der Außendurchmesser des Rohrs 59 mit Ausnahme eines kurzen
Teils am unteren Ende des Verbindungsstücks, der dicht än dem'Rohr anliegt. Eine
Hülse 64 mit einem Innendurchmesser, der einen engen Paßsitz auf der Außenfläche
des Rohrs 59 gewährleistet, ist koaxial am unteren Ende des rohrförmigen Abschnitts
62 angeordnet. Eine Schraubkappe66 mit Innengewinde ist auf das untere Ende -des
röhrenförmigen Teils 62 aufgeschraubt, wodurch die Hülse 64 unter Druck gesetzt
wird und dadurch das Rohr 59 an Ort und Stelle hält und einen flüssigkeitsdichten
Abschluß bildet. Das obere Ende der Stange 52 wird auf diese Weise gegen die Mutter
43 des Diffusors gedrückt, um die Verschiebung der Membran 33 abzutasten.
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Die beschriebene Konstruktion ist so ausgelegt, daß, wenn kein Flüssigkeitsdruck
auf die Membran 33 wirkt, der mittlere Teil der Membran von der flachen Schulter78
des Gehäuses etwas durch den Druck der Stange 52 auf die Mutter 43 abgehoben wird,
beispielsweise bei dieser Vorrichtung etwa 0,025 mm. Die mechanische Kupplung 51
wirkt auf diese Weise als Federarm.
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Ein Mikroschalter 67 ist auf dem Arm 61 mit Schrauben 68 so befestigt,
daß das Steuerelement 69 des Schalters durch das Ende der Stellschraube56 bei einer
ganz geringen lateraIen Verschiebung des Stabs 52 betätigt werden kann. Der Mikroschalter
67 ist mit elektrischen Anschlußklemmen 71 ausgerüstet, die beispielsweise mit einer
Stromquelle 72 und einem Relais 73 in Reihe geschaltet werden können. Das Relais
73 kann wahlweise Steuereinrichtungen, Alarmeinrichtungen, Sicherheitsvorrichtungen
od. dgl. in bekannter Weise betätigen.
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Eine Kammer 74, die das - Schutzgehäuse für den Mikroschalter 67
bildet, und das Ende der mechanischen Kupplung 51 sind mit dem Arm 16 fest verbunden.
- Eine kleine oeffnung76 in der Kammer 74 ist vorgesehen, um die elektrischen Leitungen
einzuführen. Ein Ende der-Kammer74 neben den Anschlußklemmen 71 ist offen und wird
von einem Deckel 77 verschlossen, um die elektrischen Anscfilußklemmen-zuganglich
zu machen.
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Die Kupplungseinrichtung nach dieser Erfindung wird sorgfältig auf
die gewünschten Betriebseigenschaften geeicht. Die mechanische Kupplung 51 wird
in die Bohrung 23 vor der Installierung der Membran 33 eingeschraubt. Indem hierauf
eine gerade Kante von éinerSeite des Absatzes 26 zu der anderen gelegt wird, kann
der genaue Abstand der Stange 52 von der Ebene der Membran 33 bestimmt werden, wenn
auf diese eine Kraft wirkt. Durch Vergleich dieses Abstands mit der -Stärke- der
Mutter 43 kann der ungefähre Betrag - der Verschiebung der Membran 33 und der Stange
52 bestimmt werden. SOllte diese Verschiebung ungenügend lein, können Beilag-
scheiben
zwischen die Mutter 43 und die Membran 33 eingebracht werden, und wenn die Verschiebung
zu groß ist, kann die Stärke der Mutter reduziert werden. Nachdem die Einrichtung
justiert wurde, kann mit Ausnahme des Anbringens der Kammer 74 die Einrichtung in
einen Testflüssigkeitskreis geschaltet werden, in welchem eine Strömung von regelbarem
Eingangsdruck aufrechterhalten werden kann. Wenn die Strömung zunimmt, nimmt der
statische Druck auf der Seite der -Membran 33, die stromabwärts von der Mündung
des Diffusors liegt, zu, wodurch ein Druck auf das innere Ende des Stabs 52 ausgeübt
und eine Verschiebung dieses Stabs ìn der entsprechenden Richtung bewirkt wird.
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Das andere oder -äußere Ende des Stabs 52 verschiebt sich dann leicht
in entgegengesetzter Richtung oder auf den Mikroschalter67 zu, wobei der Betrag
der Verschiebung proportional dem statischen Druck, der die Verschiebung der Membran
33 bewirkt, ist. Die Schraube 56 kann dann so justiert werden, daß der Schalter
67 bei der gewünschten Strömungsgeschwindigkeit des die Kontrollvorrichtung durchströmenden
Mediums geschlossen wird.
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Um den gewünschten Arbeitsbereich zu erhalten, der durch die Strömungsgeschwindigkeit
der Flüssig-- keit, bei welcher der Schalter 67 - geschlossen wird, und den Abfall
der Strömung bestimmt wird, der eintreten muß, bevor der Schalter geöffnet wird,
ist ein Ausgleich zwischen der Kraft, die die Kupplung 51 auf die Membran 33 ausübt
und der Einstellung der Stellschraube 56 erforderlich. Nach der richtigen Einstellung
der Stellschraube 56 kann diese mit einem härtbaren Material versiegelt werden,
um eine zufällige Verstellung zu verhindern, da die richtige Einstellung dieser
Einstellschraube sehr kritisch ist.
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Es können manchmal Verhältnisse auftreten, die durch eine Druckzunahme
auf der Eingangsseite der Kupplung bedingt sind und bei denen mehr als das Drei
oder Vierfache des normalen Drucks erzeugt wird, was zu einem proportionalen Anstieg
der Strömung durch die Düse und zu einem Anstieg des Druckunterschieds an der Membran
33 führt. In diesem Fall wird eine Beschädigung der Membran - 33 dadurch verhindert,
daß sich die Membran 33 bei -zu großem Druck auf der strornabwärtigen Seite gegen
den Boden der Bohrung 17 anlegen kann, wodurch eine Verformung der Membran ausgeschlossen
wird.
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In dem flachen Raum- zwischen der Membran 33 und dem Boden der Bohrung
17 können sich Schlamm und Ablagerungen ansammeln. Für diesen Zweck-ist die oben
beschriebene Ringnut 24 vorgesehen, die mit der Bohrung27 verbunden ist. Um den
Raum unter der Membran 33 auszuspülen, ist es nur erforderlich, eine mit der Bohrung
31 verbundene Abzugsleitung zu öffnen, wobei der Stopfen 30 beispielsweise entfernt
wird. Hierdurch strömt Flüssigkeit durch den Raum zu der Ringnut und aus der Bohrung
31 zu der Abzugsleitung aus.