DE1914049A1 - Selbsttaetig und fernbetaetigbares Explosionsschutzventil - Google Patents

Description

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München, den 19. März'l969 ·

Luigi Giovanni VALDENAZZI, Genua / Italien

Selbsttätig und fernbetMtigbares Explosionsschutzventil.

Es gibt bekanntlich technische Anwendungsfälle, in denen es vorkommen kann, daß sich zufolge zufälliger Ereignisse,wie beispielsweise einer Explosion, in einer Leitung eine Uberdruckwelle fortpflanzt, welche Sach- und Personenschäden hervorrufen könnte, wenn sie in Räume oder an die Leitung angeschlossene Einrichtungen gelangt.

In derartigen Fällen wird bekanntlich die Leitung mit-besonderen Ventilen versehen, welche gewöhnlich als Explosionsschutzventile bezeichnet werden und welche geeignet sind, sowohl durch eine Fernsteuerung vor der Ankunft der Stoßfront, als auch unter der unmittelbaen Wirkung der Stoßfront geschlos* sen zu werden.

Die Erfindung bezieht sich auf ein besonderes Ventil dieser Art, welches geeignet ist, die beiden verschiedenen Betriebsmöglichkeiten in sich zu vereinigen, d.h. welches sowohl durch Fernsteuerung (beispielsweise aufgrund der Gefahrsanzeige seitens eines geeigneten Instrumentes), als auch durch den unmittelbaren Anprall der Stoßwelle geschlossen werden kann. Gegenüber den bestehenden Ausführungen solcher Einrichtungen weist das erfindungsgemäße Ventil einige Besonderheiten auf, welche es gestatten, daß weitaus größere Schließgeschwindigkeiten als bei den bestehenden Ventilen erreichbar

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sind, ohne daß dabei die beweglichen Teile beschädigt werden, wobei ferner bei geschlossenem Ventil eine verbesserte Abdichtung erzielt wird und die Strömungsverluste herabgesetzt v^erden. Bei den Ausfuhrungsformen mit größeren Abmessungen kann das Ventil ferner die gesamte elektronische, elektrische und hydraulische Einrichtung für seinen Betrieb enthalten, wodurch dieselbe sowohl gegenüber den schädlichen Wirkungen etwaiger elektromagnetischer Störungen, welche den korrekten Betrieb der elektrischen und elektronischen Bestandteile zu beeinflussen trachten, als auch gegenüber der Wirkung von Stössen geschützt ist, die beispielsweise durch die Explosion auf die Konstruktion übertragen werden, an welcher die Leitung verankert ist, in der das Ventil eingeschaltet ist, sofern dasselbe natürlich gegenüber der ortsfesten Konstruktion elastisch aufgehängt ist.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine mögliche rungsform des erfindungsgemäüen Ventils.

Wie sich aus der Zeichnung ergibt, besitzt das Ventil eine besondere Aerodynamische Gestalt. Sein Außengehäuse 1, welches als Verlängerung der Leitung denkbar ist, an die das Ventil angeschlossen ist und welches den gleichen Innendurchmesser wie die Leitung besitzt, verjüngt sich zweckmäßig, bis auf einen verengten Querschnitt, worauf der Querschnitt allmählich mittels eines Diffusors 2 vergrößert wird, um neuerlich den Anfangsströmungsquerschnitt zu erreichen. Innerhalb des Ventilgehäuses ist mittels radialer, zwecks erzielung eines möglichst geringen Strömungswiderstandes aerodynamisch

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profilierter Tragrippen konzentrisch eine Nabe 3 angeordnet. Diese Nabe weist in ihrem Inneren einen zylindrischen Teil 4 auf, welcher zusammen mit einem verschiebbaren Kolben 5 und entsprechenden auf der Zeichnung sichtbaren Dichtungen einen zylindrischen Fa um 6 bildet, dem Drucköl durch eine Druckpumpe 7 über eine Drosselstelle 8 und durch eine Reihe von Löchern in Zylindermantel 4 zufließen kann. Wie auf der Zeichnung ersichtlich idt, besitzen diese Löcher in der Zylinderwand geeignete Durchmesser und gegenseitige Abstände. Insbesondere ist in erster Linie eine Reihe von Löchern 9 mit großem Durche mersser am Umfang des Zylinders an dessen rechtem Ende bezüglich der Zeichnungsfigur vorhanden und anschließend daran eine Reihe von Löchern 10 mit kleineren Durchmessern, die ebenfalls gleichförmig am Umfang des Zylinders verteilt sind und in zweckmäßigen Abständen von einer Reihe zur anderen angef ordnet sind, wobei sie sich auf die gesamte Länge des Zylinders zwischen dem Kolben 11 und dem Dichtungsdeckel 12 erstrecken. Der Zylinder 5 ist in der Zeichnungsfigur in der Stellung dargestellt, in welcher das Ventil geöffnet ist, d.h. in welcher der Ventilschieber I3 mit der Nabe 3 in'Berührung steht. Die Nabe 3> d^er Ventilschieber I3, das Außengehäuse 1 und der Diffusor 2 des Ventils besitzen ein derartiges Profil, daß eine zunehmende Beschleunigung und Verzögerung der Strömung sichergestellt wird, so daß die durch die Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeit unweigerlich hervorgerufenen Strömungsverluste möglichst klein gehalten werden. Bei offenem Ventil mit an der Nabe 3 anliegendem Ventilschieber I3 wird der Innenzylinder 5 durch den im zylindrischem Ringraum 6 herrschenden

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Oeldruck in seine äußerst rechte Lage gedrückt. Dieser OeI-druck wird durch ein Paket kräftiger Tellerfedern 14 ausgeglichen, so daß bei einer auf beliebige Weise hervorgerufenen plötzlichen Herabsetzung des Oeldruckes im zylindrischen Ringraum 6 der Hauptkolben unter dem Druck des Federpaketes 14 in Richtung der Schließlage bis zur Berührung des Ventilschiebers mit dem Ventilgehäuse 1 bewegt wird, wobei diese Bewegung umso rascher erfolgt, je größer die seitens des Federpaketes 14 ausgeübte Kraft ist. Die Kraft der Federn 14 ist nur durch die Möglichkeit des Schadens begrenzt, der ™ bei einem Aufprall des Ventilschiebers mit zu großer Geschwindigkeit entstehen kann, doch eines der Hauptmerkmale der Erfindung besteht in einer besonderen baulichen Ausführung, die es gerade gestattet, starke Federn 14 zu verwenden, ohne daß ' die erwähnten Beschädigungen eintreten können.

Diese erfindungsgemäße besondere bauliche Ausgestaltung ist auf der einzigen Zeichnungsfigur klar ersichtlich. Es sei angenommen, daß durch ein geeignetes Mittel, beispielsweise durch plötzliches Oeffnen eines Auslassventils 15, der Druck im zylindrischen Ringraum 6 rasch auf einen bescheidenen Wert gesenkt wird, iachdem nun der Oeldruck nicht mehr dem Druck der Federn 14 entgegenwirkt, beschleunigen dieselben den beweglichen Teil des Ventils in Richtung zur Verschlußlage. Dabei drückt der Kolben 11 das im zylindrischen Ringraum 6 vorhandene OeI durch die Löcher 9 und 10 aus. Nachdem ,-jedoch die Kante des Kolbens 11 über die Reihe der Löcher Q hinweggeglitten ist, welche einen großen Ausmassquerschnitt besitzen, kann der Auslass des Oeles nurmehr durch die Löcher 10

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erfolgen, welche wie gesagt weitaus kleinere Abmessungen besitzen und in axialer Richtung des Ventils in einem zweckmäßigen gegenseitigen Abstand angeordnet sind. Je mehr sich somit der Kolben 11 gegen die Verschlußlage bewegt, werden durch ihn umso mehr Auslasslöcher 10 abgedeckt, so daß der Auslassquerschnitt für das OeI verringert wird und sich notwendiger Weise eine Laminarbewegung einstellt, welche durch zweckmäßige Wahl des Durchmessers, der Anzahl und des gegenseitigen Abstandes der Löcher derart geregelt werden kann, daß der Druck im Ringraum 6 nach einer vorbestimmten Gesetzmäßigkeit auf solche Werte ansteigt, daß er der beschleunigenden Wirkung der Federn 14 sowie der Trägheitskraft des beweglichen Teils des Ventils zufolge dessen Geschwindigkeit entgegenwirkt und sich somit eine Bremsphase einstellt, die derart einregelbar ist, daß die Berührung des Ventilschiebers mit seinem Sitz nicht mit hoher Geschwindigkeit, wie dies ohne dieser Bremswirkung der Fall wäre, sondern mit einer bescheidenen, zweckmäßig gewählten und jedenfalls nur so großen Restgeschivändigkeit stattfindet, daß jegliche Gefahr für die miteinander in Berührung kommenden festen und beweglichen Teile beseitigt ist.

Dieses Bremsgesetz, welches wie gesagt beliebig wählbar ist, kann derart sein, daß nicht nur eine bescheidene Restgeschwindigkeit beim Auftreffen des beweglichen auf den festen Teil, sondern auch eine derartige Verzögerungsgesetzmäüigkeit sichergestellt wird, daß die Beanspruchungen der beweglichen Teile während des Bremsens gering sind..Bei der gezeigten Ausführungs-

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form wird die für den Beginn der Bewegung des beweglichen Ventilteils notwendige plötzliche Druckherabsetzung im zylindrischen Ringraum 6 schematisch durch das plötzliche Oeffnen eines Ventils 15 erreicht, welches ^Is rasch öffnendes Ventil bezeichnet wird. Wie immer auch die Betätigung

dieses rasch öffnenden Ventiles sein mag, gründet sich die Erfindung auf die Eigenschaft, daß die Kreise, welche die besagte Betätigung ausführen, derart sind, daß nach erfolgtem Schließen des Ventils das neuerliche Oeffnen des Explok sionsschutzventils von Hand aus erfolgen muß.

Die Erfindung ist ferner durch die Möglichkeit des Schließens des Ventils unter der unmittelbaren Wirkung der auftreffenden Druckwelle, beispielsweise im Falle einer BetriebsstörsBung der Kreise die das Oeffnen des Ventils 15 bewirken, gekennzeichnet. Zu diesem Zweck ist das Ventil mit einem Kolben 16 innerhalb des Hauptkolbens 5 versehen. Dieser Kolben 16 wird unter normalen Bedingungen durch eine Feder 30 in seine Ruhelage (rechts auf der Zeichnung) gedrückt. Ueber eine Stange 17 ist der Kolben 16 mit einem Teller 18 verb/unden, welcher aus dem Ventilkörper hervorsteht und welcher somit unmittelbar seitens der Stoßwelle beaufschlagt werden kann. Der Kolben 16 steuert Ausflußlöcher 19 im Kolben 5 und weitere Löcher 20 im gleichen Kolben 5* die weiter rechts angeordnet sind. Wenn der Kolben zufolge eines Druckes auf den Teller 18 nach links bewegt wird, dann setzt er den zylindrischen Ringraum 6 mit einer Auslasskammer 21 in Verbindung, welche ihrerseits mit dem Auslass verbunden ist. Diese Verbindung erfolgt über die Löcher 19 und

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20 und zufolge des plötzlichen Druckabfalles im zylindrischen Ringraum 6 beginnt der Kolben 5 sofort seine Bewegung in die Verschlußlage. Am Ventil ist ferner ein Entschalter 22 angeordnet, welcher durch den Teller 18 betätigt wird, sobald sich derselbe aus seiner Ruhelage bewegt hat, so daß die Betätigung des Ventils seitens der unmittelbar auftreffenden Stoßwelle ,derart ist, daß gleichzeitig auch der an das rasch öffnende Ventil 15 angeschlossene Fernsteuerkreis betätigt wird.

Die Nabe 3 endet auf der rechten Seite mit einem Fortsatz 23j an welchem der Entschalter 22 angeordnet ist und gegen welchen der Teller 18 zum Anschlag kommt. Auf diese Weise wird die Verschiebung des Kolbens 16 begrenzt und während der Hauptkolben 5 und der mit ihm verbundene Ventilschieber 13 in die Schließlage bewegt werden, werden die Löcher 19 und 20 zufolge des Stillstandes des Kolbens 16 neuerlich geschlossen. Die Bewegung des Ventilschiebers 13 wird dadurch nicht verhindert, weil durch die inzwischen erfolgte Betätigung des Entschalters 22 der elektrohydraulische Kreis zum Schließen des Ventils betätigt wurde. Das Schließen erfolgt somit unter den gleichen Bedingungen wie oben erläutert, d.h. mit der Bremswirkung zufolge der fortschreitenden Verringerung des durch die Reihe der Löcher 10 dargestellten Auslassquerschnittes. Der Kolben 16 hat hierbei nur die Aufgabe, die Bewegung einzuleiten und es zu ermöglichen, daß die Bewegung durch Oeffnen des rasch "öffnenden Ventils 15 in der beschriebenen Weise bis zum Schließen des Ventils fortgesetzt wird. In der Phase jedoch, in welcher der Teller 18 seitens der Stoßwelle beaufschlagt wird

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und sich zusammen mit dem Kolben 16 nach links bewegt, bis der letztere gegen den am Kolben 5 angebrachten Anschlag 24 stößt, wird die Bewegung des Kolbens 5 nicht nur durch die Kraft des Federpaketes 14» sondern auch durch die seitens der Druckwelle auf den Teller 18 ausgeübte Kraft hervorgerufen, wodurch die Beschleunigung des beweglichen Teils zufolge dieses I'Tebeneffektes verstärkt wird, wobei diese anfängliche Verstärkung der Beschleunigung umso größer ist, je größer der Ueberdruck der Stoßwelle ist. Mit anderen Worten verändert ^ das Ventil seine Schließgeschwindigkeit, die umso größer ist, je stärker die ankommende Stoßwelle ist. Zieht man in Betracht, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Stoßwelle vom Ueber-

größeren druck der Welle abhängt, wobei einem/Ueberdruck eine gröüefce·

Fortpflanzungsgeschwindigkeit entspricht, dann gestattet die-' se Eigenschaft des erfindungsgemäßen Ventils die Erzielung

die umso größerer Schließgeschwindigkeiten, je stärker/ankommende

Stoßwelle ist.

Ein weiteres bereits erwähntes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß eine sehr gute Abdichtung bei geschlossenem Ventil sichergestellt ist. Zu diesem Zweck ist der Ventilschieber 13 nicht starr mit dem Kolben 5 verbunden, sondern mit einem gewissen Spiel auf einen Zapfen 25 aufgekeilt, mit dem der Kolben 5 auf seiner Vorderseite endet, iirobei zwischen dem Ventil— schieber 13 und dem Kolben 5 ein Tellerfederpaket 26 angeordnet ist. Zufolge des bestehenden Spiels zwischen dem Ventilschieber 13 und dem Zapfen 25 sowie den Federn 26 kann sich der Ventilschieber in allen Richtungen beschränkt bewegen,"bei-

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spielsweise neigen und gegenüber dem Kolben 5 aussermittig anordnen. Auf diese Weise wird es dem Ventilschieber gestattet, sich im Augenblick der Berührung mit dem Sitz am Gehäuse 1 möglichst gut an diesen anzupassen. Zur Verbesserung der Berührung ist am Ventilschieber I3 in der Berührungszone mit dem Sitz eine künstliche Gummischicht 29 aufvulkanisiert, welche nicht nur eine bessere Abdichtung gestattet, sondern auch zusätzlich die Wirkungen des Auftreffens des Ventilschiebers auf seinem Sitz herabsetzt.

Im Fall von Ventilen mit grösseren Abmessungen kann der Raum 28 zwischen dem mittleren Teil und dem Umfang der Habe 3 zur Anordnung von elektronischen, elektrischen und hydraulischen Einrichtungen verwendet werden, welche den Betrieb des, Ventils steuern. Bei einer derartigen Lösung braucht man lediglich durch entsprechende Durchbrüche in den Rippen 2 die Speisekabel und die Steuerkabel einleiten. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die elektrischen, elektronischen und hydraulischen Kreise vor Stoßwirkungen geschützt werden, wenn das Ventil elastisch an festen Teilen aufgehängt ist, und diese* Stössen, Schwingungen u.dgl. ausgesetzt sind. Ferner sind die elektronischen und elektrischen Einrichtungen gegenüber den schädlichen Wirkungen etwaiger elektromagnetischer Störungen beliebiger ^TTatur abgeschirmt, welche an der Stelle der Anordnung des Ventils auftreten können.

Der Diffusor 27, welcher dazu bestimmt ist, die seitens des Strömungsnlediums in dem verengten'Querschnitt des Ventils an-

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genommene kinetische Energie wieder in Druckenergie zu verwandeln, um die Strömungsverluste des Ventils möglichst gering zu halten, kann in herkömmlicher Weise als Kegel mit
kleinem Oeffnungswinkel an der Spitze oder in Form von konzentrischen Kegeln ausgebildet sein, welche es gestatten,
die gleichen Zwecke mit sehr beschränktem Längsabmessungen
zu erreichen.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung nur " an Hand eines Ausfuhrungsbeispiels erläutert wurde versteht es sich, daß in ihrem Rahmen zahlreiche Abänderungen und
Varianten möglich sind.

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P ATErITA .'!SPRUCHE

( Ij Rasch schließendes Ventil, dessen Schließen unabhängig mittels Fernsteuerung Über elektrische, elektronische, hydraulische Kreise oder unmittelbar durch das Eintreffen einer Stoßwelle steuerbar ist, welche sich längs der Leitung fortpflanzt, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Ventilschieber aufweist, welcher mit dem Kolben eines Druckölzylxnders derart verbunden ist, daß er einen beweglichen Ventilteil bildet, wobei er durch den Druck in diesem Druckölzylinder entgegen einer ständig wirkenden Kraft, vorzugsweise der elastischen Kraft einer oder mehrerer verformter Federn, in der offenen Lage gehalten wird und wobei sowohl durch Fernsteuerung betätigbare Hauptablassmittel des im Zylinder herrschenden Druckes als auch zusätzliche Druckablassmittel vorgesehen sind, die unmittelbar durch die Ankunft einer Stoßwelle in der Leitung gesteuert werden, in welchem zweiten Fall die Betätigungsorgane der zusätzlichen Ablassmittel gleichzeitig den Fernsteuerkreis steuern.

2. Elektroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungshub des beweglichen Ventilteils eine Phase der freien Beschleunigung unter der Wirkung der Antriebsfedern und eine ßremsphase mit kontrollierter Gesetzmäßigkeit umfasst.

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3. Rasch schließendes Ventil nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesetzmäßigkeit der Bremsung derart gewählt ist, daß einerseits eine niedrige Auf treff geschwindigkeit des Ventilschiebers auf seinen Sitz und anderseits die Herabsetzung der Beanspruchungen der beweglichen Organe des Ventils zufolge der Bremsung auf einen minimalen Wert sichergestellt ist.

4. Rasch schließendes Elektroventil nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Verwirklichung der genannten Bremsgesetzmäßigkeit der Druckölzylinder mit einer Reihe von Durchlässen für den Ablass des^ OeIs aus dem Zylinder versehen ist, welche Durchlässe zweck— mäßigen Durchmesser besitzen und in zweckmäßiger Anzahl und gegenseitigen Abständen angeordnet sind und durch den bewegten Kolben aufeinanderfolgend abgedeckt werden.

5. Rasch schließendes Ventil nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schließen des Ventils unter der unmittelbaren Wirkung der Stoßwelle innerhalb des Hauptkolbens ein weiterer Kolben angeordnet ist, welcher durch eine ankommende Stoßwelle verschiebbar ist und durch welchen zusätzliche Ablassöffnungen des Zylinders geöffnet werden, welche von den genannten Hauptablassöffnungen unabhängig sind.

6. Rasch schließendes Ventil nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß am Hauptkolben ein Anschlag vorgesehen ist, gegen den der von der Stoßwelle be-

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tätigte innere Kolben nach dem Oeffnen der zusätzlichen Ablass-Öffnungen zur Anlage kommt, so daß der seitens der Stoßwelle ausgeübte Druck denjenigen der Antriebsfedern unterstützt, um die Bewegung des beweglichen Ventilteils zu beschleunigen.

7. Rasch schließendes Ventil nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schalter oder eine sonstige geeignete Einrichtung umfasst, welche dem elektrischen, elektronischen, hydraulischen Kreis des Ventils ein analoges Signal zur Steuerung des Schliessens des Ventils zusendet, wie das Signal der Fernsteuerung, für welche der elektrische, elektronischen, hydraulische Kreis vorgesehen ist, wobei der Schalter od.dgl. durch den seitens der ankommenden Stoßwelle bewegten Kolben betätigt wird.

8. Rasch schließendes Ventil nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventilkörper ein Anschlag vorgesehen ist, gegen welchen der innere Kolben, über den die ankommende Stoßwelle den beweglichen Ventilteil in Bewegung setzt, nach einem kurzen Bewegungshub zur Anlage kommt, so daß der bewegliche Ventilteil daraufhin bis zum Schließen des Ventils seine Bewegung allein fortsetzt und die zusätzlichen Ablassöffnungen geschlossen werden, um die Bremswirkung nicht zu beeinflußen, welche durch die zunehmende Verringerung des Ausflußquerschnittes für das OeI aus dem Hauptzylinder hervorgerufen wird.

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9· Rasch schließendes Ventil nach den vorhergehenden Αηψ Sprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber gelenkig mit dem restlichen beweglichen Ventilteil verbun-" den und mit einem gewissen Spiel auf einem Zapfen aufgekeilt und vom Hauptkolben durch ein Federpaket im Abstand gehalten ist, so daß er eine gewisse Bewegungsfreiheit besitzt, die es ihm gestattet, am Ventilsitz satt zur Anlage zu kommen.

10. Rasch schließendes Ventil nach den vorhergehenden An- ψ Sprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber in der Zone, in welcher er mit dem Ventilsitz in Berührung kommt, mit einer vulkanisierten künstlichen Gummischicht versehen ist.

11. Rasch schließendes Ventil nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in den freien inneren Zonen des Ven-

. tilkbrpers die entsprechend klein ausgebildeten elektronischen, elektrischen, hydraulischen Bestandteile untergebracht sind, um sie durch das Metallgehäuse gegen die Wirkungen von äußeren elektromagnetischen Impulsen abzuschirmen und sie vor Stössen und Erschütterungen zu schützen, wenn das Ventil elastisch an ' festen Bauteilen aufgehängt ist.

12. Rasch schließendes Ventil nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen den innerhalb des Ventils angeordneten und den äußeren Einrichtungen durch abgeschirmte elektrische Kabel hergestellt ist, welche durch Durchbrüche in den Tragrippen des mittleren Ventilkörpers hindurchgefUhrt sind, mittels welcher der mittlere Ventilkörper innerhalb

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der Leitung gehalten wird.

13· Rasch schließendes Ventil nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ventilgehäuse aus einem zylindrischen Eintrittsabschnitt, der den gleichen Durchmesser wie die Leitung besitzt, an die das Ventil angeschlossen ist, einen darauffolgenden verengten Abschnitt und schließlich einen darauffolgenden Diffusor bestehend aus konzentrischen Kegeln gebildet ist.

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