DE2354889A1

DE2354889A1 - Durchflussregelventil

Info

Publication number: DE2354889A1
Application number: DE19732354889
Authority: DE
Inventors: Charles Dunlap Orth
Original assignee: Controls Company of America
Current assignee: Controls Company of America
Priority date: 1972-11-10
Filing date: 1973-11-02
Publication date: 1974-05-16
Also published as: GB1445999A; ES420414A1; AU6148773A; FR2206466A1; JPS49135241A; IT999294B; FR2206466B3; US3817053A

Description

Patentanwälte , '

DipL-tng. A. OrSnecker Dr.-ing. H. !(hBimy · ₂. November 1973

8 Aftvjc.'ir.-T.?.i', h!uxini,iön?t'. 43

CONTROLS COMPANY Oi¹ AMERICA.

9655 West Soreng Avenue,

Schiller Park, Illinois 60176, USA

Durchflußreg.e !ventil

Dio vorliegende Erfindung bezieht sich auf Durchflußregelventile, und im einzelnen auf Kühlaggregate der Art, bei der ein Kompressor, ein Kondensator, ein Verdampfer, ein temperaturregelndes Entspannungsventil zur Regulierung des Zuflusses zum. Verdampfer und ein Durchflußregelventil zur Regulierung des Abflusses vom Verdampfer vorhanden sind.

In Fahrzeug-Klimaanlagen übersteigt die Kompressorleistung größtenteils die Verdämpferkapazität (Belastung), sodaß Vorkehrungen gegen eine Vereisung der Verdampferschlangen (was eins Verringerung des Kühleffekts nach sich zieht) getroffen werden. Die DT-OS 2 134 409 zeigt ein System, das ein gegen-

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geladenes temperäturregelndes Ent spannungsventil enthält, das derart angeordnet ist, daß seine den Druclc und die Temperatur fühlenden Punkte stromabwärts eines Verdampferauslaß-Regelventils gelegen sind. Verdampferauslaß—Regel— ventile können auf Druck oder Temperatur (die miteinander ' zusammenhängen) im Verdampfer ansprechen. Die vorliegende Erfindung wendet sich an ein Steuerventil der erstgenannten Art, das Teil eines Kühlaggregates ist und als Verdampfer— auslaß-Steuerventil dienen soll, aber als temperaturregelndes Entspannungsventil, als Kondensatornebenschlußventil oder zur Regelung von anderen Medien als Kühlflüssigice it verwendet werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein ICühlaggregat vorgesehen, das einen Kompressor*, einen Kondensator, einen mit Rippen versehenen Verdampfer und ein temperaturregelndes Entspannungsventil zur Regulierung des Zuflusses zum Verdampfer enthält und außerdem eine Regülierventilanordnung aufweist, mit dessen Hilfe der Abfluß vom Verdampfer reguliert wird, um Eisbildung am Verdampfer zu verhindern, Xirenn die Kompressorleistung die Verdampferbelastung übersteigt, und weiterhin Mittel aufweist, die auf die Temperatur an einer Stelle der Verdampferrippen ansprechen, bei dem die Eisbildung wahrscheinlich zuerst auftritt, und die Ventilanordnung bei einer bestimmten Ansprechtemperatur schließen, bei der die Bedingungen für die Eisbildung erfüllt sind. Die Ventilanordnung ist derart ausgeführt, daß in geschlossenem

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Zustand dennoch ein begrenzter Durchfluß möglich ist, damit der Kompressor noch ausreichend Kühlflüssigkeit zu seiner Kühlung und Schmierung erhält» Die auf Temperatur ansprechenden Mittel enthalten eine Sensoranordnung·, die im Fluß.-weg zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor angeordnet sind und auf abnorm niedrige KÜhlmitteitemperatureh ansprechen, damit die erwähnte Ansprechtempsratur angehoben und.die Ventilanordnung geschlossen wird* um der Eisbildung an der erwähnten Stelle vorzubeugen» '

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Regelventil vorgesehen, das eine festmontierte Hülse mit einer Durchlaßöffnung zum Durchfluß aus ihrem Innenraum und eine Kappe zum Verschließen ihres einen Endes aufweist» In der festen Hülse sind verschiebbar ein Kolbenschieber, der an der der erwähnten Verschlußkappe zugewandten Seite einen.ihn verschließenden Ventilkopf aufweist, und Anschläge zur Begrenzung der Kolbenschieberbewegung in der Auf- und der Geschlossen-Stellung angeordnet, Weiterhin ist in der Hülse eine Federanordnung vorgesehen, die den Kolbenschieber in die eine der Endsteilungen drückt, sowie ein Durchlaßkanal in der Verschlußkappe angebracht. Das Regelventil enthält außerdem ein Steuerventil, das den Durchfluß durch den erwähnten Durchlaßkanal vom Zwischenraum zwischen dem Ventilkopf und der Verschlußkappe regelt, und eine kleine Öffnung im Ventilkopf, durch die ein Fluß aus dem Innönraum des

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Kolbenschiebers in den genannten Zwischenraum mit einer Plußrate ermöglicht wird, die kleiner als diejenige durch das Steuerventil in seiner geöffneten Stellung ist. Im Inneren des Kolbenschiebers ist eine Barometerdose angeordnet, die das Steuerventil betätigt, deren Innenraum "über ein Eapillarrohr mit einem Sensorkolben verbunden ist, Barometerdose, Kapillarrohr und Sensorkolben sind mit einer Flüssigkeit gefüllt,.die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufxtfeist, der von jenem des Sensorkolbens verschieden ist, sodaß sich die Barometerdose entsprechend , der Temperaturänderungen bewegt. Der Kolbenschieber wird durch die Kraft der erwähnten Federanordnung in die eine der Endstellungen gedrückt, wenn kein Druckunterschied am Ventilkopf herrscht, wird jedoch in die andere Endstellung gedrückt, wenn das Steuerventil öffnet und die Druckdifferenz am Ventilkopf groß genug wird, um die Vorspannung der erwähnten Federanordnung zu überwinden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Ventil vorgesehen, bestehnd aus einem Ventilköprer, einem beweglichen Ventilelement zur Regelung des Durchflusses durch den Ven— tillcörper, einer Barometerdose, die für Be tätigungs zwecke mit dem Ventilelement zu dessen Bewegungssteuerung verbunden ist, einem Sensorkolben, der mit dem Innenraum der Barometerdose über ein Kapillarrohr verbunden ist, wobei Barometerdoee, Sensorkolben und Kapillarrohr mit einer Flüssigkeit

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gefüllt sind, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der von, jenem des Sensorkolbens verschieden ist und einem festen Massenkörper im Inneren der Barometerdose,der deren freien Iiinenraum auf ein Minimum reduziert, wodurch die Temperatüränderungen an dem Sensorkolben '' bei der Betätigung der Ventilanordnung im Vordergrund stehen.

Die Erfindung soll nun nachfolgend im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden»

Fig. 1 zeigt einen schematischen Überblick über die Ventilanordnung in einem Kühlsystem,

Fig. 2 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch das*vorliegende Ventil und ein temperaturregelndes Entspannungs— ventil.

Fig·» 3 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus der Kühlschlange mit der gegenseitigen Anordnung von Sensorkolben Und Kühlrippen» . "''-.,.-

Fig» 4 zeigt einen Querschnitt durch Fig. 3 entlang der Linie k-k»

Die Zeichnungen zeigen ein von den Kühlrippen her ferngesteuertes Regelventil 10 und ein temperaturregelndes Ent-

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, spannungsventil 12, die vorzugsweise miteinander kombiniert sind, vie hier dargestellt ist, die aber auch voneinander getrennt sein können. Kühlflüssigkeit fließt vom Kompressor 14 über den Kondensator 16 zum Behälter 18 und dann zum Einlaß 20 des temperaturregelnden Entspannungsventils* Eine Querbohrung 22 führt vom Einlaß 20 in die Kammer 2k, die eine Feder 26 enthält, die zwischen einem Ventilträger und einer Einstellschraube 30 eingeklemmt ist. Das Ventil regelt den Fluß durch seine Öffnung und wird durch einen Stoßstift 3k betätigt, der seinerseits von einem auf ihm aufsitzenden Stift 3δ betätigt wird, der an einem an einer Membran 52 angeordneten Puffer 38 befestigt ist. Der Fluß vom

über
Auslaß kO läuft/die Verdampferschlange kZ zum Einlaß kk des Regelventils 10. Im normalen Betriebsfall ist das Regelventil offen und zur Vereinfachung dieser Beschreibung sollen die Einzelheiten des Regelventils an dieser Stelle nicht betrachtet werden. Der Fluß durch das Regelventil läuft am aufsitzenden Stift 36 vorbei zum Auslaß.kS und die Kompressoransaugleitung 48, Der Druck im Rücklaufkreis kann im Ent— Spannungsventil mit der Kammer 50 unterhalb der Membran 52 durch eine Dur chi aß Öffnung 5^ in der oberen Wand 56 des Ven— tilkörpers in Verbindung treten, welche Öffnung einen gewünschten Durchtritt zwischen dem aufsitzenden Stift und der Wand 56 erlaubt. Die Membran 52 ist zwischen einer Domkuppel 5S und einem Iragteller 60 befestigt, wobei letzterer im oberen Ende des Ventilkörpers eingeschraubt ist und. diesen

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mit Hilfe eines Dichtungsringes verschließt. Die Domkammer ist von einer Kapillarrohre her, die nachfolgend .abg«schmolzen wurde, mit einer Gegenladung aus einem temperaturempfindlichen Medium versehen.

Der Ausdruck "Gegenladung" kennzeichnet, daß das verwendete Medium eine andere Temperatur-'/Druck-Kurve hat als das Kühlmittel. In diesem Beispiel ist es so gexvah.it;, daß eine Überhitzung des temperaturregelnden Entspannungsventils bei 0 erreicht wird bei einem Druck in der Saugleitung von ungefähr 0 a tu, .

Es soll hervorgehoben werden, daß der aufsitzende Stift 36 mit einem Sackloch 66 versehen ist, das ungefähr in der Mitte des Rückflußweges durch den oberen Teil des Ventilkörpers endet. Das Sackloch bildet im Inneren des aufsitzenden Stiftes eine kleine Temperaturfühlkammer 6B₉ die im .Rückfluß sys tem stromabwärts des Verdampferauslaß-Regelventils 10 gelegen ist. Die Kammer 68 im Stift 36 ist immer kalter als ^ä die Domkammer 64, sodaß die K..hlmittelladung versucht, in der Kammer 68 zu kondensieren und der Stellort an diesem Platz ideal gelegen ist. Da in dem aufsitzenden Stift nicht viel Kasse enthalten ist, wird das Ventil versuchen, zu schnell zu reagieren. Um den'Pendeleffekt zu dämpfen,ist eine Hülse aus dem schlecht wärmeleitenden Material Delrin (das selbstschmierende Eigenschaften hat) über dem aufsitzenden Stift befestigt, .-.-". - 409820/0321 - - β -

Damit das Ventil in allen Richtungen eingebaut Tirerden kann, ist im oberen Ende des aufsitzenden'Stiftes eine kapillare Verengung 69 angeordnet. Hierdurch wird ein sehr enger kapillarer .Durchtritt zwischen der Kammer 68 im Stift und der Domkammer 64 gebildet. Dieser ist ausreichend, um Druckän— derungen zu übertragen, setzt aber den Durchtritt von kondensiertem Kühlmittel in der Kammer 68 zur Domkammer 64 auf ein Minimum herab, sofern das Ventil umgekehrt herum eingebaut wird. Ohne dieser Verengung könnte ein solches Eindringen von Kühlflüssigkeit in die Domkammer (die wärmer ist) stattfinden mit der Folge, daß sie dort Verdampft (womit der Druck steigt) und dann sofort in der Kammer 68 wieder kondensiert. Hierdurch würde ein Pendeln im System hervorgerufen. Durch die Verengung wird das Pendeln auf ein Minimum hei-abg-edrüclct,

Die Einzelheiten des ■ tempera.turregelnden Entspannungsventils und seine Betriebsweise sind ausführlich in der DT-OS 2 134 4O9 beschrieben.

Das Regelventil kann unter bestimmten Umständen das normale !Funktionieren des Systems übersteuern. Dieses Ventil enthält eine zylindische Hülse 70, die im Reglerkörper befestigt ist, deren Träger zwischen ihr· und dem Einlaß 44 befestigt' ist. Der Träger hat eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen 7^· für den Durchfluß von Kühlflüssigkeit in dem Zwischenraum zwi—

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sehen die Hülse 70 und eine Barometerdose 76, die auf einen Körper 78 montiert ist, der am Träger J2 befestigt ist. Eine Kapillarröhre 80 ist mit dem Körper 78 und über dessen inneren Kanal mit dem · Innenraum der Barometerdose 76 verbunden. Die Barometerdose 76, die Kapillarröhre 80 und ein Fühler oder Sensorkolben 82 sind mit einer Flüssigkeit vollgefüllt, di-e einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der größer ist als derjenige des .Sensorkolbens. Da der Körper 78 beinahe völlig den freien Raum innerhalb der Barometerdose einnimmt, wird der Temperatureinfluß auf den Kolben und die Füllung im Kolben dominierend, d.h. wird zum regelnden Faktor. Die KoIbentemperatür regelt daher normalerweise die BarometerdosenbewegurLg. Ifenn die Kolbentemperatur fällt, fließt Flüssigkeit von der Barometerdose zum Kolben und die Länge der Barorneterdose wird kleiner und umgekehrt. Dieses ist die regelnde Bewegung,

Das rechte Ende der Hülse 70 trägt die Kappe 84, in der das Steuerventilgehäuse 86 einschraubbar befestigt ist» Im Gehäuse 86 ist eine zusammengedrückte Feder 88 angeordnet, die das Kugelventil 90 in seine Aufnahme 92 drückt. Ein Stift 94 überträgt die Bewegung der Barometerdose 76 zum Steuerventil 90. In die Hülse 7O ist ein Kolbenschieberventii 96 eingepaßt, das innerhalb von Grenzen axial beweglich ist, die von einem innerhalb der Hülse 70 angebrachten Anschlag und einem an der Kappe 84 angebrachten Anschlag 100 vorgegeben

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sind» Zwischen der Kappe 84 und dem Kopf 103 des Ventils 96 ist sine Feder 102 eingeklemmt, die das Ventil gegen den Anschlag 96 drückt, sodaß es einen Auslaßkanal 104 in der· -Hülse 70 bis auf einen begrenzten Durchfluß durch die Öffnung 10E in der Seitenwand des Kolbenschiebers verschließt. Der Kopf 103 des Ventils 96 ist mit einer kleinen Öffnung 104 versehen, das den Durchfluß in den Zwischenraum 105 zwischen dem Ventilkopf 103 und die Kappe 84 erlaubt» Der Durchfluß zur Öffnung 104 wird durch ein Sieb I06 gefiltert. Der Stoßstift 94 gleitet im Endteil des Ventils 96, wobei die Stiftführung durch eine Dichtung 108 abgedichtet ist,

Fenn das Steuerventil 90 offen ist, fließt Flüssigkeit vom Zwischenraum 105 zwischen dem Ventilkopf 103 und der Kappe schneller ab als sie durch die kleine Öffnung 104 zufließen kann. Daher stellt sich über dem Ventilkopf eine Druckdifferenz ein. Diese Druckdifferenz ist groß genug, um die Kraft der Feder 102 zu überwinden,und den Kolbenschieber nach rechts gegen, den Anschlag 100 zu bewegen, sodaß der Kanal 104 in der Hülse 70 völlig freigelegt wird und ein normaler Durchfluß durch das ganze System ermöglicht wird. Wenn sich, das Steuerventil 90 schließt, baut sich im Zwischenraum I05 ein Druck auf und die Feder 102 bewegt das Ventil 96 wieder nach links, wodurch der Durchfluß durch den Kanal 104 auf den verringerten Fluß herabgesetzt wird, womit noch genügend Kühlflüssigkeit zum Kompressor· gelangt, um eine Beschädigung desselben zu. vermeiden*

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Der Fühlerkolben 82 1st in den Kühlrippen 110 an einer Stelle angebracht, wo wahrscheinlich die.Eisbildung zuerst auftritt, Seine Befestigung- geschieht am besten in der ¥ei— se, indem man die Rippen mit einem Werkzeug geeigneter Größe durchbohrt und den Kolben dort hineinsetzt» Der Kolben fühlt daher die Rippentemperatur, an denen Eisbildung am ehesten auftritt. Im Gegensatz zum üblichen Verdampferauslaß-Regelventil, das dazu neigt, das Herunterkühlen von einer warmen Startbedingung aus zu verzögern, sichert dieses Ventil ein schnelles Herunterkühlen, da es auf die Kühlrippentemperatur anspricht und nicht auf den Verdampferdruck oder die Verdampf ertemperatur. Es reduziert den Durchfluß so lange nicht, wie nicht eine Eisbildung auftritt. Bei einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage (d,h, einer Klimaanlage, die in vielen Fällen eine zu große Kompressorleistung hat) wird beim Starten an sehr heißen Tagen eine schnelle Abkühlung verlangt. Das Regelventil gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt· einen vollen Durchfluß so lange bis die Kühlrippentemperatur die Bedingungen der Eisbildung erreicht haben. Andere Regelventile wurden den Durchfluß frühzeitig drosseln. Das Ventil gemäß der. vorliegenden Erfindung sichert eine schnellere Herunter— kühlung, Während des Abkühlens stellt das vorliegende tempe— raturregelnde Entspannungsventil·eher den vollen Durchfluß sicher als es ihn drosselt. Das Letztere ist bei konventionellen temperaturregelnden Entspannungsventilen charakteristisch. Das vorliegende Steuerventil kombiniert mit diesem

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temperaturregelnden Entspannungsventil ermöglicht daher eine optimale Arbeitsweise während des Kühlvorgangs, ¥enn Vereisungsbedingungen vorherrschen, danir wird der Durchfluß mittels der Öffnung 102 reduziert, um noch einen genügenden Fluß sicherzustellen, der den Kompressor kühlt und schmiert." Dabei spricht das temperaturregelnde Sntspannungsventil auf den niedrigen Ansaugdruck und die Ansaugtemperatur an, versucht aufgrund seiner erwähnten Gegen—Füllung eine weniger große Überhitzung zu erhalten. Dadurch wird ein größer werdender Fluß zum Verdampfer hervorgerufen, die Temperatur in der Barometerdose wird jedoch niedriger als normal gehalten» Die Auswirkung der Temperaturreduzierung in der Barometerdose ist, daß die Ansprechtemperatur im Regelventil um einige Gra.de angehoben wird. Dies ist ein Gegensteuereffekt und wird zum Aufwärtswandem der Regeleinstellung bei sehr niedrigen Kühlmitteltemperaturen gewünscht, um einer Eisbildung zuvorzukommen. Unter normalen Bedingungn erlaufet dieses Ventil eine normale Betriebsweise und die Überhitzungseins teilung des 'temperaturregelnden Entspannungsven tils wandert bis zur Normalstellung aufwärts, das bedeutet, daß der Fühlerlcolben das Regelventil auf seine normal eingestellte Temperatur steuert.

Durch Verändern der Durchtrittsöffnungen gegenüber der Hülse kann das Kolbenschieberventil auch dazu gebracht werden, daß es in umgekehrtem Sinne gegenüber dem Steuerventil öffnet

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Und schließt. Andere Steuersignalquellen könuen je nach ¥unsch verwendet werden» '

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Claims

Patentansprüche

1.yDurcliflußregeleinrichtung, insbesondere zur Steuerung des Durchflusses von einem Verdampfer über ein temperatur— regelndes Entspannungsventil zu einem Kondensator bei Kühlaggregaten zur Verhinderung· von Eisbildung am Verdampfer, /wenn die Kompressorleistung die Verdampferbelastung übersteigt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Re'gutdarventil (1O) zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor eingeschaltet ist, das zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen stellung· bewegt werden kann, um einen begrenzten Strömungsquerschnitt zu bilden, um den Durchfluß

auf ein zur Schmierung und Kühlung des Kompressors ausreichendes Maß zu reduzieren, daß weiterhin ein temperaturem-V

pfindliches Bauteil (82) vorgesehen ist, das auf die Temperatur der Verdampferschlangen an einer Stelle anspricht, an der die Eisbildung aller Wahrscheinlichkeit nach beginnt, und das Ventil in seine geschlossene Stellung bewegt, wenn eine Temperatur wie bei Eisbildungsbedingungen registriert wird, daß außerdem ein. Temperaturfühler (76) für die Kühlmitteltemperatur im Flußweg zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor vorgesehen ist, das auf abnorm niedrige Kühlmitteltemperaturen anspricht und die Ansprechtemperatur nach oben verschiebt und d.as Ventil zum Vorbeugen einer Eisbildung schließt.

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2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Bauteil einen Kolben enthält, der in den Verdampferrippen angeordnet ist, daß der Temperaturfühler eine Barometerdose enthält, daß eine Kapillarrohre den Innen-

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raum der Barometerdose mit dem Inneren des Kolbens verbindet, daß Kolben, Kapillarrohre und Barometerdose mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der von jenem des Kolbens verschieden ist, wodurch die Temper atur änderungen am Kolben die Flüssigkeit zum Sin— oder Ausfließen in oder aus der Barometerdose bringen und dadurch eine Bewegung der Barometerdose erzeugen, und daß die Barometerdose mit dem Ventil dureh eine die Bewegung übertragende Kopplung verbunden ist,

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum der Barometerdos.e einen festen Massenkörper enthält, der den Innenraum größtenteils ausfüllt, um die Einflüsse von Temperatüränderungen von außerhalb der Barometerdose herabzusetzen.

k. Einrichtung nach Anspruch 3₉ dadurch gekennzeichnet ₉ daß die Barometerdose im Kühlmittelfluß zwischen dem Verdampfer und dem Ventil.gelegen ist, wodurch eine abnorm niedrige Temperatur an der Barometerdose die Gesamt~Anspreclrbemperatur von Kolben, Kapillarröhre und Barometerdose zum Ansteigen bringt.

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5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Ventil ein Steuerventil und ein Hauptventil angeordnet sind, daß die Barometerdose das Steuerventil betätigt, und daß das Hauptventil in Abhängigkeit von der Betätigung des Steuerventils betätigbar ist,

6. Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptventil ein kolbenschieberartiges Ventilteil enthält,-das in einer am Ende geschlossenen Röhre in Abhängigkeit von der Druckdifferenz am Kolbenboden beweglich ist, daß das Steuerventil den Fluß vom Zwischenraum zx-rf-schen Kolbenboden und geschlossenem Ende der Röhre steuert, daß eine kleine Öffnung zwischen dem Innenraum des Kolbenschiebers und dem Zwischenraum vergesehen ist, die eine geringe Durchflußleistung aufweist als das Steuerventil, und daß eine Feder den Kolbenschieber in eine Stellung drückt, die derjenigen entgegengerichtet ist, bei der eine Druckdifferenz am Kolbenboden den Kolbenschieber zu bewegen versucht,

7» Einrichtung nach, einem der voiriaeargeliendGn Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturregelnde Entspan.-nungsventil (12) gegengeladen ist und auf Temperatur und Druck stromabwärts vom Segulierventil (1O) anspricht«, .

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