DE1679516A1

DE1679516A1 - Klimaanlage mit Mitteln zur Verhinderung von Eisbildung

Info

Publication number: DE1679516A1
Application number: DE19671679516
Authority: DE
Inventors: Kinsell Robert C; Berthold Edwin D
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1966-08-19
Filing date: 1967-08-16
Publication date: 1972-02-10
Also published as: GB1197305A; DE1679516B2; US3355905A; DE1679516C3

Description

9β51·9951- Sepulveda Boulevard, Los Angeles, California, USA.

Klimaanlage mit Mitteln zur Verhinderung von Eisbildung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage, insbesondere auf Verbesserungen in Plugzeug-Klimaanlagen zur Verhinderung von Eisbildung ohne Beeinträchtigung der Kühlkapazität der An lage. .

Bisher wurde in Flugzeug-Klimaanlagen eine von zwei Methoden angewandt, um die Bildung von Eis zu verhindern. Bei der einen Methode wird die trockene Thermometerkugel-Temperatur der gekühlten Luft über einer gegebenen Minimaltemperatur konstant gehalten, d.h. immer, wenn die trockene Thermometerkugel-Temperatur sich an schickte, unter beispielsweise ²K)⁰F zu fallen, wurde warme Luft hinzugefügt, um die Temperatur der gekühlten Luft anzuheben. Da durch wurde zwar die Bildung von Eis verhindert, aber die Kühl kapazität der Anlage begrenzt, weil an heissen, trockenen Tagen die gekühlte Luft viel tiefere Temperaturen ohne Eisbildung hätte annehmen können. Bei der anderen Methode wurde der Druckabfall über einem Wasserabscheider in der Anlage gemessen, d.h. wenn der Druckabfall über dem Wasserabscheider anstieg (was Eisbildung anzeigte), wurde zur gekühlten Luft warme Luft hinzugefügt, um die Temperatur über den -Taupunkt anzuheben und das Eis zu schmelzen. Obwohl die letztere Methode die volle Ausnutzung der KÜhlka pazität des Systems gestattete, so schwankte der Druck in der Kabine des Flugzeuges doch sehr stark infolge der dem System an -

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haftenden Trägheit. Ausserdera verursachte ein plötzlicher Abfall des Taupunktes während vorübergehender Feuchtigkeitsbedingungen der ein strömenden Luft, wie bei einem durch eine Wolke fliegenden Flugzeug« das Gefrieren des Wassers in dem Wasserabscheider, obwohl ein Eis schirm In das System einbezogen war.

Is 1st daher ein Zweck der Erfindung« verbesserte MIttel zur Serhin derung der Eisbildung in einer. Klimaanlage zu schaffen.

Sin weiterer Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer "Klimaanlage, bei der grosee Schwankungen der LuftdurchfluSmenge und damit des Kabinendruckes verhindert werden.

Sin weiterer Zweck der Erfindung 1st die Schaffung einer Klimaanfege, bei der während des Leerlaufaelnes Flugmotors beim Abstieg oder bei der Landung ein Maximum von LuTtflud abgegeben wird.

Di» Erfindung wird im folgenden an Hand der Beschreibung und in Ver bindung mit der Zeichnung näher erläutert. Sie einzige Figur zeigt die Ansicht einer gemSS der Erfindung ausgebildeten Klimaanlage.

In der Zeichnung zeigt 11 ein Hauptluftrohr, das mit Druckluft, z.B. Abluft eines Düsenmotors gespeist wird. Das Rohr 11 hat eine T-Ver zweigung 12 zum Abziehen von Warmluft, die in anderen Teilen des Plugzeugs benötigt werden kann. Die für die Klimaanlage bestimmte Druck luft wird zu einem WärmejMi^tauscher 13 geleitet, in dem die Druck luft aus dem Rohr 11 durch Umgebungsluft gekühlt wird, die durch eine Haube 14 streicht. Die Druckluft verläßt den Wärmeaustauscher 13 durch ein Rohr l6, um in einem Kompressor 17 kompromiert zu werden. Das Rohr l6 hat eine Abzweigung l8, die einen Teil der komprimierten Luft vom Wärmeaus tauscher 13 zu einem neu ausgebildeten Ventil 19 leitet, welches im folgenden näher beschrieben wird, und welches einen Teil der Verbesserung zur Verhinderung der Eisbildung in dem System darstellt.

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Nach weiterer Kompression der Druckluft in dem Kompressor 17 wird diese in einem Wärmeaustauscher 21 ebenfalls von der innerhalb der Haube 14 befindlichen Umgebungslüft gekühlt. Die gekühlte Druokluft aus dem Wärmeaustauscher 21 wird in einer Turbine 22 auf den Kabinendruck des Plugzeuges expandiert. Beim Durchgang durch die Turbine gibt die Luft-Energie ab und wird kalt. Die Energie wird zum Antrieb des Kompressers 17 benutzt. Die kalte Luft verläßt die Turbine 22 durch eir. Ausgangsrohr 23* tritt dann durch einen schirmförmigen Eisabscheider 24, einen Wasserabscheider 25 und ein Rohr 27 in die Kabine ein. Zwischen Turbine 22 und Eisabscheider 24 1st ein geeignete« T-Stück 26 eingefügt, um die Luft aus Rohr 28 wirksam mit der Luft aus Rohr 23 zu mischen. · , ^

Das Ventil 19 ist ein besonders ausgebildetes Tellerventil, um mögliche Instabilitätsprobleme in der Anlage so klein wie möglich zu halten. Das,Tellerventil 19 hat einen Ventilteller 29* der auf dem Ventilsitz 30 ruht, so daß das Rohr 16 von dem Rohr 28 abgeschlossen 1st, wenn der Ventilteller 29 auf dem Sitz ruht. Zu den aktiven Elementen des Ventils gehört ein Paar Bälge 31 und 32,.die beispiels weise aus Metall bestehen. Der Balg 31 verbindet den Ventilteller 29 mit einer Stutzplatte 33« und der Balg 32 1st an der anderen Seite der Stützplatte 33 gegenüber Balg 31 befestigt. Der Balg 32 ist an seinem anderen Ende mittels einer Platte J4 verschlossen und inner halb einer Prüfkammer angeordnet, die aus einem an der Stutzplatte 33 dicht befestigten Becher J6 besteht, welche mit einer Leitung 37 in Verbindung steht. Die Stützplatte 33 hat eine Vielzahl von öff - ™ nungen 38, die zwischen dem Becher 36 und dem Gehäuse des Teller ventlls 19 liegen, so daß ein Verbindungsweg ζwisehen den Rohren l8 und 28 gebildet wird, wenn der Ventilteller 29 nicht auf dem Ventilsitz 30 ruht. Die Stützplatte 33 hat auch eine zentrieche öffnung 39, durch welche die Innenräume der Bälge 31 und 32 miteinander in Verbindung stehen. Die Bälge sind vorzugsweise mit einer Flüssig keit gefüllt, die eine ausreichende Dämpfung des Ventiltellers 29 bewirkt, da die Flüssigkeit durch die Öffnung 39 fliessen muß, immer wenn der Ventilteller 29 sich bewegt. Eine Feder 4l mit einer Ein Stellvorrichtung 4 7 ist zur Einstellung der Schließkraft auf den Ventilteller 29 vorgesehen.

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Die Leitung 37 verzweigt sich in die Leitungen 43 und'44. Die Leitung 43 steht über eine Öffnung 46 mit Rohr 28 in Verbindung aus Gründen, die im folgenden näher erläutert werden:

Die Leitung 44 steht mit einer Tempera tür sonde 47 in Verbindung, die die Lufttemperatur im Rohr 27 kurz vor ihrem Eintritt in die Flugzeugka bine prüft, Die Temperatürsonde 47 besteht "aus einem becherförmigen Gehäuse 50 mit einem Temperatur-Sondenelement 48, das durch das ge schlossene Ende des Gehäuses in das Rohr 27 hineinragt, so daß die Lufttemperatur innerhalb des Rohres 27 von dem Element 48 geprüft werden kann. Das Sondenelement 48 besteht beispielsweise aus einem Stab 49 mit relativ grossem Wärmeausdehnungskoeffizienten, so daß der Stab 49 sich mit steigender Lufttemperatur ausdehnt und mit fal lender Lufttemperatur zusammenzieht. Am Ende des Stabes 49 innerhalb des Gehäuses 50 ist eine Stabkappe 51 vorgesehen, die eine Stahlkugel 52 gegen eine in einem Kolben 54 befindliche Öffnung 53 preßt. Eine Druckfeder 56 ist zwischen dem Kolben 54 und der Stabkappe 51 vorge sehen, während sich eine andere Feder 57 zwischen dem Kolben 54 und « einer Endplatte 58 befindet, an die eine Leitung 44 angeschlossen

Wenn die Lufttemperatur im Rohr 27 unter einen gegebenen Wert, bei spielsweise 4o° fällt?, so betrirkt die Feder 57, daß der Kolben 54 gegen die Schulter 59 des Gehäuses 50 gepresst wird. Weiterhin bewirkt die Feder 56 bei Lufttemperaturen unter 4o°F, daß die Stabkappe 5I sich von der Stahlkugel 52 entfernt, wodurch die Öffnung 53 geöffnet wird. Wenn die Lufttemperatur beispielsweise 40°F erreicht, dehnt sich der Stab 49 genügend aus, um die Stahlkugel 52 die Öffnung 53 berühren und schliessen zu lassen. Falls die Lufttemperatur noch weiter steigt, dehnt sich der Stab 49 weiter aus, und diese Ausdehnung wird von der Feder 57 aufgenommen, da der Kolben 54 von der Schulter 59 wegbewegt wird. Die von dem Kolben 54 und dem Gehäuse 50 gebildete Kammer steht in geeigneter Weise durch die Öffnung 6l mit dem Umgebungsdruck in Ver.-bindung, während der Druck in der Leitung 44 durch die öffnung 62 mit dem Umgebungsdruck in Verbindung steht.

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Die Anlage arbeitet wie folgt: Zuerst, wenn das Flugzeug auf dem Buden startfertig steht, ist der Druck in der Kabine und im Rohr gleich dem Umgebungsdruck; an einem warnen Tag ist die Kabinentem- | peratur oberhalb 4o°F und die Öffnung 53 ist daher geschlossen. Korn- .* primierte Abluft von dem Motor wird in das Rohr 11 gespeist, wo die ^l Luft im Wärmeaustauscher 13 gekühlt wird, weiter durch den Kompres - · sor 17 komprimiert wird, und wiederum im Wärmeaustauscher 21 beinahe auf die Umgebungstemperatur gekühlt wird. Die im wesentlichen auf die Umgebungstemperatur abgekühlte Druckluft expandiert in der Tür - ^; bine 2β auf Umgebungsdruck. Da der Druck in Rohr 28 und der Drück ¹A in der von dem Becher 36 des Tellerventils 19 eingeschlossenen Kam- ™ mer beide gleich dem" Umgebungsdruck sind,- ist das Tellerventil 19 geschlossen und nur gekühlte Luft -strömt durch das Rohr 27 in die Kabine. Falls sich Eiskristalle in der aus der Turbine 22 austretenden kalten Luft bilden, werden die Kristalle von einem Eisabschei · der 24. gesammelt, wodurch der Druck in dem Rohr 28 austeigt. Somit steigt die Temperatur der Luft» welche die Turbine verläßt. Weil nun Eis vorhanden ist, ist die Lufttemperatur im Rohr 27 unter 40°F und die öffnung 53 ist offen und die Leitung 44 steht voll mit dem Umgebungsdruck in Verbindung. Das Tellerventil 19 Öffnet nicht, be vor genügend Eis von dem Eisabscheider 24 angesammelt 1st, um einen Druckanstieg in dem Rohr 28 au verursachen und die Kraft der Feder 41 zu Überwinden* Dadurch bewegt sieh dar Ventilteller 29 vom Ven ·■ Λ tilsitz 30 weg. Wenn sieh also mehr Eiskristail© auf eiern Eisabsohei- Γ der sammeln, steigt der Bruek im Rohr 28 Isis öl© Kraft der'Feder 41 j überwunden ist* Somit schickt sieh der Ventilteller 29'-an* sich vo» · Sitz 30 Siegsubewegen* aber die Flüssigkeit im Balg 31 wirft durch die [ öffnung 39 in den Balg 32 gedrückt, wodurch der Ventilteller 29 sich langsam und in direkter Reaktion zu dem Dr&esk in Hobr 28 be wegt·' Die warme Hoeharuokluft -In Rohr 18 strömt duroh öas Tellerventil 19, .herumgeleitet um den Kompressor 17 and die Turbine 22, in das Rohr 23, wodurch" dia Biskristalle auf des Eisabsefesiäes» 24 schmelzen· Somit ist volle Kühlung erreicht» weil die Anlage T&upunfctteiqperft 'türen im Bohr 27 herstellt. Das ainen Umneg ,bildend© Tellerventil 19 gestattet es, die in die' Flugzeugkabine einströmende XsUftmenge im wesentlichen konstant zu halten, insbesondere aa heifien Tagen,

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wenn übermässig viel Eis sich am Eisabscheider 24 ansetzen kann« Wenn somit bei Meereshöhe der Druckabfall am Eisabscheider beispiels weise drei Zoll Quecksilbersäule nicht Übersteigt, regelt der Eis abscheider 24 die Taupunkttemperatur durch Rückdruok auf die Turbine 22 und durch Anstieg der die Turbine 22 verlassenden Lufttemperatur. Wenn dann der Druckabfall am Eisabscheider beispielsweise drei Zoll Quecksilbersäule übersteigt, setzt weiterer Rückdruck der Turbine 22 den Luftfluß stark herab, so daß die Taupunkt-Temperaturregelung durch relativ grossen Turbinen-Rückdruck erreicht; wird, der das Tellerventil 19 öffnet.

Wenn das Flugzeug fliegt und die Differenz zwischen Kabinendruck cder Druck im Rohr 2? und dem Umgebungsdruck grosser 1st als zehn Zoll Quecksilbersäule, wird das einen Umweg bildende Tellerventil 19 durch die Temperatursonde beeinflusst, tun die Lufttemperatur int ■ Rohr 27 auf 4Q⁰F zu halten. An einem kalten Tag, beispielsweise mit einer Umgebungstemperatur von -15°F in 10 QQG Fuß Höhe, ist die den Wärmeaustauscher 13 verlassende Luft etwa H⁰F und kann Feuchtigkeit enthalten; der Feuchtigkeitsgehalt würde nicht höher als 4,5 gr per Pfund (USA) sein (die Feuchtigfceitsraenge in gesättigter Luft in 10 000 Fuß Höhe). Somit wäre die Lufttemperatur in Bohr 27 weit un ter 40°F, und der Druck in der Leitung 44 und dem Becher 36 wird umgebungsgemäß oder 10 000 Fuß sein.

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Der Druck im Rohr 28 würde dertfeereehuhe entsprechen» dm der Kabinendruck auf Meereshöhe ist, wodurch das Tellerventil Ig öffnet, so daß Ii⁰F Luft um den Kompressor 1? und die Turbine 22 heruage leitet wird. Somit wird ein maximaler Luf tfluß erreicht.

Keine Elskristftlle würden sich bilden« da die herumgele:$.tete Luft H⁰F 'hat und der Taupunkt">on Luft in.Meereshuhe mit 4,5 gr Fauc&tigkeit per Siw&ü (HBh} ist «7^QF_e An wSrmereü Tagen kannte die uen tflroMftu· · tauscher 13 verlassende Luft mehr als 4o°F haben, und daher aohlieit _f die Temperatureonde 4? die öffnung 53*" so- dmS der· Priiok in-'der'Ltl «-." tung -44 ansteigt und das Tellerventil I^ sahlie&t* »ο äaf mehr, kühle

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Luft von der Turbine 22 in das Rohr 27 gelangen kann*. Der Druck in der Leitung 44 steigt an, weil die Leitung 4? mit dem Rohr 28 über öffnung 46 in Verbindung stent. Die Hochdruckluft im Rohr 28 ent weicht langsam durch die Öffnung 46. Bei geschlossener öffnung 53 last die öffnung 62, obwohl sie Luft aus der Leitung 44 entweichen läßt, die Luft mit langsamexexGeschwlndigkelt ab als diejenige mit der die Luft durch die öffnung 46 eintritt, wodurch der Druck in der Leitung 44 ansteigt. Darauf schliesst sich das Tellerventil 19.

Falls der Kabinendruck bei einem in IC 000 Fuß Höhe fliegenden Flugzeug zwischen der 10 ooo Fuß Höhe und Meereshöhe liegt, oder falls die Differenz zwischen Kabinen - und umgebungsdruck weniger als 10 Zoll Quecksilbersäule beträgt, so könnte das Ventil sich Irgendwo zwischen der voll offenen oder voll geschlossenen Stellung befinden. Falls sich auf dem Eisabscheider 24 genügend Eis ansammelt, um den Druck im Rohr 28 ansteigen zu lassen, öffnet sich das Tellerventil 19 mehr, um mehr warme Luft in die Kabine zu lassen und Eisbildung zu verhindern. Wenn jedoch die Umgebungsluft relativ warm ist, ten diert die Lufttemperatur im Rohr 27 zum Ansteigen auf über 4O⁰P. Die öffnung 55 in der Temperatursonde 47 ist geschlossen, wodurch der Druck in der Leitung 44 ansteigt, falls der Kabinendruck höher ist" als der Umgebungsdruck, und somit wird das Tellerventil 19 geschlossei um mehr kalte Luft aus der Turbine in das Rohr 27 einzulassen.

Patentansprüche: ■ - & -

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Claims

Patentansprüche:

1.) Klimaanlage, gekennzeichnet durch ein erstes relativ warme Luft führendes Rohr, eine Kühleinrichtung zur Kühlung dieser warmen Luft auf eine niedrigere Temperatur, ein zweites Rohr zur Aufnahme der kalten Luft aus der Kühleinrichtung, einen in dem zweiten Rohr an geordneten Eisabscheider zur Ansammlung von etwa in der kalten Luft gebildeten Eis und zur Erzeugung eines Druckabfalls über diesem Eisabscheider bei Ansammlung vcn Eis, eine Umwegleitung mit einem Ventil, die zwischen dem ersten und dem zweiten Rohr angeschlossen .ist, um bei geöffnetem Ventil die relativ warme Luft von dem ersten Rohr stromaufwärts vor dem Eisabscheider in das zweite Rohr umzulei ten, eine Temperatursonde in dem zweiten Rohr stromabwärts hinter dem Eisabscheider zur Prüfung der Lufttemperatur, und auf die Tem peratursondeund den Druckabfall Über dem Eisabscheider ansprechende Regelmittel zur Öffnung und Schliessung des Ventils im Sinne eines maximalen Durchflusses von Kaltluft durch den Eisabscheider.

2.) Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil als Tellerventil ausgebildet ist und Öffnet, wenn im zweiten Rohr stromaufwärts vor dem Eisabscheider ein Luftdruckanstieg er -

folgt. -; . '

J.) Klimaanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tellerventil eine Ventilkammer und wenigstens eine Verbindung zwi sehen der Ventilkammer und dem Umgebungsdruck aufweist, so dafl das relative Druckdifferential zwischen der Umgebung und dem Druck in dem zweiten Rohr die öffnung des Ventils bestimmt.

4.) Klimaanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tellerventil ein Gehäuse besitzt, dessen erster Teil mit dem ersten Rohr und dessen zweiter Teil mit dem zweiten Rohr in Verbindung steht, daß ein Ventilsitz innerhalb des Gehäuses und zwischen diesen Teilen angeordnet ist, „daß ein Ventilteller zwischen dem Ventilsitz und dem ersten Teil zur Abdichtung gegen diesen Ventilsitz angeordnet ist, daß innerhalb des Gehäuses eine Kammer fest angeordnet ist, daß

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wenigstens ein Balg zwischen Gehäuse und Ventilteller angeordnet ist, und daß eine Verbindung zwischen der Kammer und dem Umgebungsdruck vorgesehen ist. .

5.) Klimaanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung als Leitung ausgebildet ist, die mit ihrem einen Ende an die Ventilkammer und mit ihrem anderen Ende an die Temperatur sonde angeschlossen ist, daß die Temperatürsonde einen Verschluß aufweist, der das andere Ende der Leitung gegenüber der Umgebungstemperatur verschliesst, und daß eine Verstelleinrichtung vorge sehen ist, die den 'Verschluß gegen das andere Ende der Leitung be wegt, wenn die Lufttemperatur in dem zweiten Rohr oberhalb eines gegebenen Wertes liegt und den Verschluß von der Leitung fortbewegt, wenn die Lufttemperatur in dem zweiten Rohr unterhalb eines vorge gebenen Wertes liegt.

6.) Klimaanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dafl die Verbindung eine zweite Leitung einschllesst, die mit ihrem einen Ende an die Ventilkammer und mit ihrem anderen Ende stromaufwärts vor dem Eisabscheider angeschlossen ist, um Luft von dem zweiten Rohr der Ventilkammer zuzufuhren, und daß eine öffnung mit der Ven tilkammer in Verbindung steht, die Luft aus der Ventilkamraer lang samer entweichen läßt als Luft aus dem zweiten Rohr in die Ventil kammer einströmt, so daß der Druck in der Ventilkammer ansteigt, wenn der Verschluß am anderen Ende der Leitung anliegt, und zwar bis auf einen Wert tiefer als der in dem zweiten Rohr und höher als der Umgebungsdruck.

7. Klimaanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung eine Leitung einschließt, die mit ihrem einen Ende an der Ventilkammer und mit ihrem anderen Ende an der Temperatursonde angeschlossen ist, daß die Temperatursonde einen Verschluß zu« . Schliessen des anderen Endes der Leitung gegenüber der Umgebungs temperatur aufweist und eine Verstellvorrichtung vorgesehen ist zur Bewegung des Verschlusses gegen das andere Ende der Leitung, wenn die Lufttemperatur im zweiten Rohr oberhalb eines gegebenen

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Wertes liegt und zur Portbewegung des Verschlusses von der Leitung wenn die Lufttemperatur in dem zweiten Rohr unterhalb eines gege benen Wertes liegt.

8.) Klimaanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung eine weitere Leitung einschließt, die mit ihrem einen Ende an der Ventilkammer und mit ihrem anderen Ende an dem zweiten Rohr stromaufwärts vor dem Eisabscheider angeschlossen ist, um der Ventilkammer Luft aus dem zweiten Rohr zuzuführen, und daß eine öffnung mit der Ventilkammer in Verbindung steht, um Luft aus der Ventilkammer langsamer entweichen zu lassen als Luft aus dem zwei ten Rohr in die Ventilkammer fließt, so daß der Druck in der Kam mer auf einen Wert ansteigt, der niedriger ist als der Druck im zweiten Rohr und höher als der Umgebungsdruck, wenn der Verschluß am anderen Ende der Leitung anliegt.

9.) Klimaanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daS das Tellerventil ein Gehäuse aufweist, das von einer Platte in zwei Teile geteilt 1st, daß ein Becher in dem einen Teil des Gehäuses angeordnet und mit seinem Rand an der Platte dicht befestigt 1st, so da ß ein Innenraum gebildet ist, daß der Becher wenigstens ein Loch zwischen Becher und Qehäusewand aufweist, daß ein Ventilsitz im anderen Teil des Gehäuses vorgesehen ist, daß ein Ventilteller zwischen Ventilsitz und Platte angeordnet ist, daß ein. erster Balg mit seinem einen Ende an dem Ventilteller und mit seinem anderen Ende an der Platte befestigt ist, daß ein zweiter Balg an seinem einen Ende geschlossen und mit seinem anderen Ende gegenüber dem ersten Balg an der Platte befestigt ist, daß der zweite Balg in dem durch den Becher gebildeten Innenraum angeordnet ist, und daß in der Platte eine Öffnung ist, über welche die Bälge miteinander in Verbindung stehen, so daß in den Bälgen befindliche'Flüssigkeit durch die Öffnung strömt, wenn der Ventilteller sich gegenüber daa Tentilsitz bewegt.

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