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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil mit den oberbegrifflichen Merkmalen von Anspruch 1. Ein solches Ventil ist allgemein bekannt.
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Die bekannten Ventile haben den Nachteil, dass zur Verringerung eines Strömungswiderstandes des Ventils ein einheitlicher Ventilkörper vorgesehen ist, der entgegen des Fluiddrucks an bzw. in den Ventilsitz gedrückt werden muss, wobei aufgrund des Druckverlustes hinter dem Ventilsitz beim Schließen des Ventils die Bedienkräfte zum vollständigen Absperren des Ventils auf ein Vielfaches der anfänglichen Bedienkraft bei einer Offen-Stellung des Ventils anwachsen können. Die Absolutwerte der Bedienkräfte zum Absperren des Ventils liegen nicht selten in einem Bereich, der nur durch große Handräder oder entsprechend ausgelegte Antriebe bewerkstelligt werden kann. Bei mit Handrädern handbetätigten Ventilen kann das aufzubringende Drehmoment zum Schließen des Ventils durch ein Spindelgewinde mit geringerer Steigung reduziert werden. Jedoch erhöht sich durch ein Spindelgewinde mit geringerer Steigung auch die Anzahl an Umdrehungen, die zum vollständigen Absperren des Ventils erforderlich sind.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Ventil anzugeben, das mit möglichst wenig Krafteinsatz geschlossen werden kann. Vorzugsweise soll eine Schließbewegung des Ventilkörpers mit gleichbleibender Betätigungskraft vollzogen werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabenstellung gibt die vorliegende Erfindung ein Ventil mit den Merkmalen von Anspruch 1 an.
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Das erfindungsgemäße Ventil umfasst ein Ventilgehäuse mit einer Eingangsöffnung und einer Ausgangsöffnung, das in seinem Inneren einen Strömungsweg von der Eingangsöffnung zu der Ausgangsöffnung und einen zwischen der Eingangsöffnung und der Ausgangsöffnung vorgesehenen Ventilsitz ausbildet. Darüber hinaus umfasst das erfindungsgemäße Ventil eine Stellhülse und einen Ventilkolben, wobei die Stellhülse relativ zu dem Ventilsitz in dem Ventilgehäuse beweglich ist, der Ventilkolben innerhalb der Stellhülse angeordnet, umfänglich gegenüber der Stellhülse abgedichtet und zumindest teilweise in einem Abstand zu dem Ventilsitz gehalten ist und wobei die Stellhülse relativ zu dem Ventilkolben beweglich ist. Der Begriff „beweglich“ ist hier und im Folgenden im Sinne von „sich bewegen lassend“ zu verstehen. Die Stellhülse ist insbesondere in Richtung ihrer axialen Erstreckung beweglich. Die Kombination aus Stellhülse und Ventilkolben entspricht bei dem erfindungsgemäßen Ventil der üblicherweise als Ventilkörper bezeichneten Baugruppe, die relativ zu dem Ventilsitz beweglich ist, um den Strömungswiderstand des Ventils zu variieren, gegebenenfalls auch das Ventil vollständig abzusperren.
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So hat die vorliegende Erfindung einen im Grunde variabel auszubildenden Ventilkörper, der zumindest ein relativ zu dem Ventilsitz bewegliches Teil umfasst, wobei dieses Teil üblicherweise durch die Stellhülse gebildet ist.
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Da der Ventilkolben gegenüber der Stellhülse abgedichtet ist, genügt es, die Stellhülse relativ zu dem Ventilkolben und in Richtung des Ventilsitzes zu bewegen, um den Strömungswiderstand durch das Ventil zu erhöhen. Dabei muss lediglich die Stirnseite des freien Endes der Stellhülse entgegen des Fluiddrucks bewegt werden und die Bedienkraft zur Stellung des Ventilkörpers bleibt auf einem annehmbaren Niveau. Darüber hinaus können Strömungsverluste vermieden bzw. die Durchtrittsflächen für das Fluid möglichst groß gehalten werden, indem die den Strömungswiderstand verändernde bewegliche Stellhülse bezogen auf den Ventilkolben außen vorgesehen ist.
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Für gewöhnlich ist zumindest der den Ventilkolben in sich aufnehmende Abschnitt der Stellhülse hohlzylindrisch ausgebildet. Das freie Ende der Stellhülse bildet in der Regel eine Öffnung für diesen hohlzylindrischen Abschnitt aus, wobei die Öffnung in Richtung des Ventilsitzes zeigt. Üblicherweise hat der Ventilkolben entsprechend eine zylindrische Form.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist ein freies Ende der Stellhülse in einer Geschlossen-Stellung des Ventils gegenüber dem Ventilsitz abgedichtet. Dadurch ist in der Geschlossen-Stellung des Ventils das Ventilgehäuse mit der Eingangsöffnung fluidisch von der Seite des Ventils mit der Ausgangsöffnung getrennt. Das freie Ende der Stellhülse kann in der Geschlossen-Stellung des Ventils unmittelbar an einer Dichtung des Ventilsitzes anliegen oder dichtend an einem Abschnitt eines anderen Bauteils anliegen, wobei dieser Abschnitt des anderen Bauteils gegenüber dem Ventilsitz abgedichtet ist. Die Stellhülse kann aber auch selbst mindestens eine Dichtung zur Abdichtung gegenüber dem Ventilkolben und/ oder dem Ventilsitz tragen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist eine Querschnittsfläche des Ventilkolbens parallel zu einer durch den Ventilsitz begrenzten Querschnittsfläche des Strömungswegs angeordnet. Dabei ist für gewöhnlich die Querschnittsfläche des Ventilkolbens diejenige auf Höhe der Abdichtung gegenüber der Stellhülse. Anhand dieser Anordnung wird eine möglichst einfache Konstruktion des Ventils ermöglicht.
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Weiter bevorzugt entspricht die Querschnittsfläche des Ventilkolbens im Wesentlichen der durch den Ventilsitz begrenzten Querschnittsfläche. Der hohlzylindrische Abschnitt der Stellhülse kann daher gerade ausgebildet sein. Die Bedienkraft bei einer Schließbewegung der Stellhülse bleibt bei dieser bevorzugten Ausgestaltung im Wesentlichen konstant.
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Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist der Ventilkolben an dem Ventilgehäuse befestigt. Dadurch kann die Kraft, welche aus dem an der anströmbaren Fläche des Ventilkolbens angreifenden Druck resultiert, über das Gehäuse abgetragen werden. Dieser Kraftaufwand entfällt gegenüber vorbekannten Ventilen insofern bei einer Schließbewegung des Ventilkörpers, d. h. einer Bewegung der Stellhülse in Richtung des Ventilsitzes.
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Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung bildet der Ventilkolben einen scheibenförmigen Boden aus, der umfänglich gegenüber der Stellhülse abgedichtet ist. Der Boden ist für gewöhnlich von dem Fluid anströmbar und in einem Abstand zu dem Ventilsitz gehalten. Das Ventil ist insbesondere derart ausgebildet, dass Fluid zwischen dem Ventilsitz und dem Boden des Ventilkolbens in einer Offen-Stellung des Ventils hindurchfließen kann.
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Weiter bevorzugt ist der scheibenförmige Boden des Ventilkolbens mittels Stegen mit einem Ring verbunden, wobei der Ring zumindest in der Geschlossen-Stellung des Ventils zusammen mit der Stellhülse gegenüber dem Ventilsitz abgedichtet ist. Die Zwischenräume zwischen den Stegen bilden in der Regel Durchtrittsöffnungen für den Durchtritt des Fluids in einer zumindest teilweise geöffneten Stellung des Ventilkörpers. Üblicherweise werden diese durch zumindest zwei Stege, den Ring und den Boden des Ventilkolbens begrenzten Durchtrittsöffnungen durch eine Bewegung der Stellhülse in Richtung ihrer axialen Erstreckung verschlossen oder freigegeben.
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Bevorzugt sind die Stege in Strömungsrichtung strömungsgünstig geformt, d.h. bewirken einen möglichst geringen Strömungswiderstand. In der Regel sind die Stege für eine radiale Strömung vom Inneren des Ventilkolbens nach radial außen optimal ausgebildet, d.h. sie sind im Querschnitt elliptisch, und/oder weisen eine strömungsgünstige Profilierung auf.
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Besonders bevorzugt ist der Ring in den Ventilsitz eingepresst. Für gewöhnlich wird dabei eine Dichtung, beispielsweise ein O-Ring, zwischen einer Außenseite des Rings und dem Ventilsitz verpresst. Die bevorzugte Anzahl der Stege liegt zwischen 2 und 8, bevorzugt zwischen 3 und 5. Der Ventilkolben kann aber auch einstückig mit bzw. von dem Gehäuse ausgeformt sein.
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Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist der Ventilkolben und/oder die Stellhülse einen Flansch auf, an welchem der Ventilkolben und die Stellhülse in axialer Richtung aneinander anlegbar sind und mittels welchem der Ring durch axiale Bewegung der Stellhülse in das Ventilgehäuse hinein in den Ventilsitz einpressbar ist. Sollte der Flansch an dem Ventilkolben vorgesehen sein, überragt dieser die Stellhülse in radialer Richtung vorzugsweise nicht. Dies hat den Vorteil, dass der Ventilkolben bei der Montage des Ventils zusammen mit der Stellhülse durch die für die Stellhülse vorgesehene Öffnung in dem Gehäuse eingeführt werden kann. In der Regel sind der Ventilsitz und der Ring des Ventilkolbens derart ausgebildet, dass der Ring nicht durch den Ventilsitz hindurchgedrückt werden kann. Für gewöhnlich sind entsprechende Anlageflächen zwischen dem Ventilsitz und dem Ring des Ventilkolbens vorgesehen. Denkbar ist auch, dass die Stellhülse innenseitig einen Flansch zur Anlage an dem Boden oder an dem Ring des Ventilkolbens aufweist.
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Zumindest in einer Geschlossen-Stellung des Ventils ist das freie Ende der Stellhülse üblicherweise zwischen dem Ring des Ventilkolbens und einer von dem Gehäuse ausgebildeten Anlageschulter geführt. So kann der auf das freie Ende der Stellhülse wirkende Druck in der Geschlossen-Stellung über die Anlageschulter des Gehäuses abgetragen werden und eine Verformung der Stellhülse vermieden werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist die Stellhülse auf der dem Ventilsitz abgewandten Seite des Ventilkolbens in dem Ventilgehäuse gehalten und gegenüber dem Ventilgehäuse abgedichtet. Weiter bevorzugt hat das erfindungsgemäße Ventil ein mit dem Ventilgehäuse verbundenes Ventiloberteil.
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Das Ventiloberteil kann ein Gewinde aufweisen, in das ein an der Stellhülse ausgebildetes Gegengewinde eingreift, sodass die Stellhülse selbst als Spindel ausgebildet ist, wodurch auf eine zusätzliche Spindel zur axialen Stellung der Stellhülse verzichtet werden kann. Die Stellhülse bzw. die Spindel ist üblicherweise mit einem Handrad zur manuellen Stellung der Stellhülse gekoppelt, wobei das aufzubringende Drehmoment zum Schließen des Ventils durch ein Spindelgewinde mit geringerer Steigung reduziert werden kann.
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Besonders bevorzugt weist das erfindungsgemäße Ventil eine nicht-steigende Stellspindel zur Stellung der Stellhülse auf. Die nicht-steigende Stellspindel ist in der Regel in dem Ventiloberteil derart drehbar gehalten, dass ein üblicherweise mit der Stellspindel gekoppeltes Handrad bei Betätigung seine Position in der Höhe nicht verändert. Ein von der Stellspindel ausgebildetes Gewinde wirkt für gewöhnlich mit einem an der Stellhülse vorgesehenen Gegengewinde zusammen. Eine Drehbewegung der nicht-steigenden Stellspindel bewirkt so eine translatorische Bewegung der Stellhülse. Für gewöhnlich ist das Gegengewinde der Stellhülse an einer Bohrung an einem dem Ventilsitz abgewandten Ende der Stellhülse ausgebildet, wobei die nicht-steigende Stellspindel und die Stellhülse üblicherweise koaxial angeordnet sind. Nach dieser besonders bevorzugten Weiterbildung dient das Ventiloberteil für gewöhnlich zur Führung der Stellhülse in deren axialer Richtung und steht in der Regel nicht in Gewindeeingriff mit der Stellhülse. Reibungskräfte werden mit dieser besonders bevorzugten Weiterbildung reduziert.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist das Ventil einen Motor zur Erzeugung einer die Stellhülse nach Art oder mittels eines Stößels translatorisch verschieblichen Vorschubkraft oder zur Erzeugung eines an der Stellhülse oder der Stellspindel angreifenden Drehmoments auf.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:
- 1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ventils,
- 2 eine perspektivische Seitenansicht eines Ventilkolbens,
- 3 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ventiloberteils und
- 4 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ventils.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ventils, das ein Ventilgehäuse 2 aufweist, welches eine Eingangsöffnung 4 und eine Ausgangsöffnung 6 ausbildet. Zwischen der Eingangsöffnung 4 und der Ausgangsöffnung 6 bildet das Gehäuse 2 einen Ventilsitz 8 aus, in welchem ein Ring 10 eines Ventilkolbens 12 eingepresst ist. Ein O-Ring 14 ist zwischen einer Außenseite des Rings 10 und dem Ventilgehäuse verpresst, sodass der Ring 10 des Ventilkolbens 12 gegenüber dem Ventilsitz 8 außenseitig abgedichtet ist. Das Fluid kann durch den Ring 10 hindurchfließen und einen Boden 16 des Ventilkolbens 12 anströmen, der über Stege 18 mit dem Ring 10 verbunden ist.
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Der Ventilkolben 12 ist innerhalb einer Stellhülse 20 angeordnet, wobei der Boden 16 des Ventilkolbens 12 umfänglich mittels einem O-Ring 22 gegenüber der Stellhülse 20 abgedichtet ist. Die Stellhülse 20 ist in axialer Richtung relativ zu dem Ventilsitz 8 bewegbar. Auf der dem Ventilsitz 8 gegenüberliegenden Seite des Ventilkolbens 12 ist die Stellhülse 20 in dem Gehäuse 2 gehalten und mittels einem O-Ring 24 gegenüber dem Gehäuse 2 abgedichtet. Die 1 stellt eine Geschlossen-Stellung des Ventils dar. Ein freies Ende 26 der Stellhülse 20 ist bis auf Höhe des Rings 10 des Ventilkolbens 12 auf denselben aufgeschoben und mittels einem O-Ring 28 innenumfänglich gegenüber dem Ring 10 abgedichtet. Diese Art der Abdichtung wird üblicherweise als radiale Abdichtung bezeichnet. Genauso gut oder zusätzlich ist eine axiale Abdichtung durch eine Dichtfläche, beispielsweise in Form eines Dichtrings, möglich, gegen die die Stirnseite des freien Endes 26 der Stellhülse 20 in der Geschlossen-Stellung anliegt. In der Geschlossen-Stellung des Ventils kann das in den Ventilkolben 12 einströmende Fluid den Ventilkolben 12 nicht durch die Zwischenräume zwischen den Stegen 18 verlassen, da diese Zwischenräume nach außen hin von der Stellhülse 20 dicht verschlossen sind. Bei einer zumindest teilweise geöffneten Stellung des Ventils gibt die Stellhülse 20 je nach axialer Stellung diese Zwischenräume zwischen den Stegen 18 teilweise oder in der voll geöffneten Stellung ganz frei, sodass das Fluid von der Eingangsöffnung 4 durch die Zwischenräume hindurch zu der Ausgangsöffnung 6 fließen kann. Die axiale Stellbarkeit der Stellhülse 20 ist dabei derart begrenzt, dass auch in der voll geöffneten Stellung des Ventils der Boden 16 des Ventilkolbens 12 umfänglich gegenüber der Stellhülse 20 abgedichtet ist.
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Die O-Ringe 22, 28 (bzw. die Dichtfläche) können jeweils wie in 1 dargestellt an dem Ventilkolben 12 oder (nicht dargestellt) an der Stellhülse 20 vorgesehen sein.
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Eine von dem Ventilsitz 8 umschlossene Fläche entspricht vorliegend der Fläche des Bodens 16 des Ventilkolbens 12. Die beiden Flächen sind parallel zueinander ausgerichtet. Die Achse der Stellhülse 20 ist schräg zu der Achse durch die Eingangsöffnung 4 und die Ausgangsöffnung 6 angeordnet. Vorliegend beträgt der zwischen diesen beiden Achsen eingeschlossene Winkel 45°. Die erfindungsgemäße Lösung kann aber genauso gut in einem Geradsitzventil verwirklicht sein. Zwischen den O-Ringen 14 und 28 bildet der Ring 10 des Ventilkolbens 12 einen Flansch 30 aus, der einen Anschlag für das freie Ende 26 der Stellhülse 20 bildet. Bei der Montage des Ventils kann der Ring 10 des Ventilkolbens 12 mittels der an dem Flansch 30 anliegenden Stellhülse 20 in axialer Richtung in den Ventilsitz 8 eingepresst werden. Die radiale Erstreckung des Flanschs 30 entspricht der der Stellhülse 20, sodass der Ventilkolben 12 zusammen mit der Stellhülse 20 in das Gehäuse 2 einführbar ist. Im Betrieb kann der Flansch 30 als Anschlag dienen, der dem Benutzer signalisiert, dass eine Endstellung erreicht ist.
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Die 2 zeigt eine perspektivische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Ventilkolbens. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der Ventilkolben 12 hat einen Boden 16, der durch vier Stege 18 mit einem Ring 32 verbunden ist.
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Die 3 zeigt eine Schnittansicht eines Ventiloberteils 34 nach einer bevorzugten Ausführungsform. Das Ventiloberteil 34 ist an dem Gehäuse 2 befestigt, welches über die Dichtung 24 gegenüber der Stellhülse 20 abgedichtet ist. Eine weitere Abdichtung des Oberteils 34 zum Gehäuse 2 ist aufgrund der Dichtung 24 nicht notwendig. Auf Höhe des Ventiloberteils 34 ist die Stellhülse 20 als Gewindespindel mit einem Gewinde 36 ausgebildet, das in ein am Ventiloberteil 34 ausgebildetes Gegengewinde 38 eingreift. Ein stiftförmiger Abschnitt 40 der Stellhülse 20 ist durch das Ventiloberteil 34 hindurchgeführt, wobei an dem durch das Ventiloberteil 34 herausstehenden Ende des stiftförmigen Abschnitts 40 ein Handrad 42 zur manuellen Betätigung der Stellhülse 20 befestigt ist. An den in dem Ventiloberteil 34 vorgesehenen Abschnitt der Stellhülse 20 weist diese Durchtrittsöffnungen 44 auf, die mit einer zwischen dem stiftförmigen Abschnitt 40 der Stellhülse 20 und dem Ventiloberteil 34 vorgesehenen Durchtrittsöffnung 46 kommuniziert, sodass an der dem Ventilsitz 8 gegenüberliegenden Seite des Ventilkolbens 12 Atmosphärendruck anliegt. Bei einer Bewegung der Stellhülse 20 in Richtung des Ventilsitzes 8 muss lediglich die Stirnseite des freien Endes 26 entgegen des Fluiddrucks bewegt werden, wodurch sich die Bedienkraft beim Verbringen der Stellhülse von einer voll geöffneten Stellung in die Geschlossen-Stellung im Wesentlichen konstant bleibt.
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Direkt benachbart zu dem Ventilsitz 8 bildet das Gehäuse 2 eine Anlageschulter 48 aus, die das freie Ende 26 der Stellhülse 20 zumindest in der Geschlossen-Stellung des Ventils zwischen sich und dem Ring 10 führt. Dabei wird in der Geschlossen-Stellung des Ventils auch ein radiales Aufspreizen des freien Endes 26 durch die Anlageschulter 48 verhindert.
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Die 4 zeigt eine Schnittansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Ventils. Gleiche Bauteile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Das in 4 dargestellte Ventil unterscheidet sich jedoch von den voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen einerseits dadurch, dass der Ventilkolben 12 integral von dem Ventilgehäuse 2 ausgebildet ist (O-Ring 14 entfällt hier), und andererseits dadurch, dass in einer Bohrung der Stellhülse 20 an einem ventilsitzfernen Ende der Stellhülse 20 eine nicht-steigende Stellspindel 50 vorgesehen ist. Der von dem Ventilgehäuse 2 ausgebildete Ring 10 bildet hierbei den Anschlag für das freie Ende 26 der Stellhülse 20.
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Die Stellspindel 50 weist ein Gewinde 52 auf, das mit einem an der Bohrung der Stellhülse 20 vorgesehenen Gegengewinde in Eingriff steht, und ist mit einem Handrad 42 gekoppelt. Das Ventiloberteil 34 hält die Stellspindel 50 drehbar, wobei eine Betätigung des Handrads 42 zu keiner Veränderung der axialen Position der Stellspindel 50 führt. Zwischen dem Ventiloberteil 34 und der Stellspindel 50 ist auch hier eine Durchtrittsöffnung 46 vorgesehen.
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Da die Stellhülse 20 axial verschieblich in dem Ventiloberteil 34 gehalten ist, hat eine Drehbewegung der Stellspindel 50 eine translatorische Bewegung der Stellhülse 20 zur Folge. Nach diesem Ausführungsbeispiel stehen die Stellhülse 20 und das Ventiloberteil 34 nicht in Gewindeeingriff (Gewinde 36 und Gegengewinde 38 entfallen hier), sodass die Relativbewegung zwischen Stellhülse 20 und Ventiloberteil 34 rein translatorisch ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel liegt an der dem Ventilsitz 8 gegenüberliegenden Seite des Ventilkolbens 12 Atmosphärendruck an, da Luft durch die Gewindegänge des Gewindes 52 und die Durchtrittsöffnung 46 entweichen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Ventilgehäuse
- 4
- Eingangsöffnung
- 6
- Ausgangsöffnung
- 8
- Ventilsitz
- 10
- Ring
- 12
- Ventilkolben
- 14
- O-Ring
- 16
- Boden
- 18
- Stege
- 20
- Stellhülse
- 22
- O-Ring
- 24
- O-Ring
- 26
- freies Ende der Stellhülse
- 28
- O-Ring
- 30
- Flansch
- 32
- Ring
- 34
- Ventiloberteil
- 36
- Gewinde
- 38
- Gegengewinde
- 40
- stiftförmiger Abschnitt
- 42
- Handrad
- 44
- Durchtrittsöffnungen
- 46
- Durchtrittsöffnung
- 48
- Anlageschulter
- 50
- Nicht-steigende Stellspindel
- 52
- Gewinde der nicht-steigenden Stellspindel
