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n Gasdruckregler n
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Die Erfindung betrifft einen Druckregler, der zur Steuerung des Druckes
eines gasförmigen Mediums dient, das einem Behälter entnommen wird, in dem es unter
hohen Drücken und zwar oberhalb von 35 kg/cm2 aufbewahrt wird. Solche Gasdruckregler
werden im allgemeinen zum ZufUhren des Mediums zu einem Verwendungspunkt benutzt,
beispielsweise zum Zuführen von Sauerstoff aus einer
Sauerstofflasche
zu einer Sauerstoffmakse oder zu einem Schweißbrenner, wobei die Zuführungsdrücke
unterhalb von 10 kg/ cm2 liegen. Die bekannten Gasdruckregler umfassen einen manuell
bedienbaren Steuerknopf zum Einstellen des gewünschten Zuführdruckes unabhängig
von dem im Behälter herrschenden Druck.
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Werden die bekannten Gasdruckregler zur Steuerung der Zufuhr von Sauerstoff
von einer Hochdruckquelle verwendet, deren Druck 35 kg/cm2 übersteigt, und sind
im Druckregler Verunreinigungen vorhanden, wie beispielsweise Fett, Rost oder Kohlenwasserstoff,
so werden diese Verunreinigungen bei der Anwesenheit von reinem Sauerstoff als Brennstoff
wirken. Ferner werden die Werkstoffe aus denen der Druckregler oder dessen Teile
bestehen, beispielsweise der elastomere Werkstoff, der zur Herstellung des Ventilsitzte
benutzt wird, sich unter gewissen Bedingungen entzünden und wie ein Brennstoff wirken.
Die Zündenergie kann beispielsweise durch Kompressionswärme erzeugt werden, die
durch die Expansion und plötzliche Kompression von Sauerstoff oder durch Schmutzpartikel
entsteht, die auf die inneren Oberflächen des Gasdruckreglers aufprallen. Diese
Bedingung kann dann entstehen, wenn ein Regulierventil sehr schnell geöffnet wird.
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Ist diese Bedingung eingetreten und die Zündung erfolgt, so wird der
Ventilsitz unter Explosion des Gasdruckreglers aufgezehrt werden. Obwohl derartige
Explosionen selten sind, können sie dennoch erfolgen.
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Es wurde festgestellt, daß es zur Schaffung eines verbesserten Gasdruckreglers
erforderlich ist, die Brennstoffquellen innerhalb des Druckreglers auf ein Minimum
zu reduzieren, indem besonders geeignete Werkstoffe zur Herstellung und insbesondere
zur Schaffung eines vielteiligen Ventilsitzes verwendet werden, bei dem brennbare
Werkstoffe, die zur Abdichtung des Ventiles erforderlich sind, auf einem absoluten
Minimum gehalten werden und in dem ferner ein Sicherheitsrückschlagventil, das auf
Druckanstiege und erhöhte Temperatur unabhängig von dem im Druckregler herrschenden
Druck anspricht, hilft, einen Brand im Inneren des Gasdruckreglers zu verhindern.
Ein solches Sicherheitsrückschlagventil wird dadurch geschaffen, daß es ein leicht
schmelzendes Element umfaßt, das das RUckschlagventil bei einer vorbestimmten Temperatur
unabhängig von dem im Druckregler herrschenden Druck öffnet.
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Die Erfindung bezweckt also in erster Linie einen verbesserten Gasdruckregler
zu schaffen, der eine Mindestmenge an Brennstoffquellen innerhalb des Druckreglers
umfaßt.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, einen Druckregler
zu schaffen, der ein doppeltwirkendes Sicherheitsrückschlagventil umfaßt, das eine
Innenverbrennung in sicherer Weise entlüften wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Gasdruckreglers dargestellt. In dieser Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht
des erfindungsgemäßen Gasdruckreglers; Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2
in Fig. 1; Fig. 3 einen Querschnitt durch das Gehäuse des Druckreglers in größerem
Maßstab, wobei die Druckmeßeinrichtung und das Rückschlagventil abgebaut sind; Fig.
4 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Ventilsitz; Fig. 5 einen Schnitt längs
der Linie 5-5 in Fig. 4; Fig. 6 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Sicherheitsrückschlagventil
und Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie 7-7 in Fig. 6.
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Gasdruckregler wie sie in der Zeichnung, insbesondere in Fig. 1 und
2 dargestellt sind, werden zur Zuführung eines Gases (Sauerstoff) zu einem Verwendungspunkt
benutzt, an dem das Gas mit
einem unterhalb von 10 kg/cm2 liegenden
Druck verwendet wird.
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Im medizinischen Bereich wird der Sauerstoff über einen solchen Druckregler
einer Makse oder einer anderen Beatmungseinrichtung für einen Patienten zugeführt.
Zum autogenen Schweißen wird der Sauerstoff gewöhnlich über einen Schlauch einem
Schweißbrenner zugeführt. Der Sauerstoff wird normalerweise bei Drücken in einem
Behälter gelagert, die oberhalb von 35 kg/cm2 liegen.
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Solche Behälter können einzelne SauerstoSflaschen oder große Vorratstanks
sein. Der Gasdruckregler dient dazu, den hohen Behälterdruck des Gases sicher zu
verringern und dieses mit einem niedrigen Gebrauchsdruck abzugeben.
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Um die Quellen eines möglichen Brennens zu verringern, wurde festgestellt,
daß gewisse Werkstoffe, üblicherweise Kunststoffe oder natürliche Elastomere, wie
sie im allgemeinen zur Herstellung von Dichtungen des drucksteuernden Ventiles benutzt
werden, in minimalen Mengen verwendet werden sollten, um die ausgelöste Energie
zu mindern, wenn ein Brand entsteht. Darüber hinaus sollte das Verbrennen dieses
Werkstoffes das Ventil nicht unbrauchbar machen, wodurch große Mengen von die Verbrennung
fördernden Gases, zum Beispiel Sauerstoff, zugeführt wird. Um die Sicherheit so
groß wie möglich und den Einfluß der inneren Verbrennung so klein wie möglich zu
gestalten, muß der Druckregler Mittel umfassen, durch die sich aufbauendes überschüssiges
Gas schnell abgeführt wird und durch die die inneren Teile des
Regulators
so kurz wie möglich höheren Temperaturen ausgesetzt werden, wodurch ein Ausbreiten
des Brennens verhindert wird.
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Dies kann durch ein Sicherheitsventil verhindert werden, das auf Verbrennungstemperaturen
und Druck anspricht.
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In Fig. 1 der Zeichnung ist ein als Ganzer mit 10 bezeichneter Druckregler
dargestellt, der zum Steuern der Entnahme von Sauerstoff aus einem Hochdruckbehälter
geeignet ist. Obwohl dieser Druckregler 10 besonders für Sauerstoff geeignet ist,
kann es für alle anderen normalerweise aus Gasdruckflaschen oder dergleichen entnehmbaren
Gasen verwendet werden.
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Der Druckregler 10 umfaßt ein Gehäuse 12 und eine Haube 14 (Fig. 2),
die auf dieses aufgeschraubt ist, um eine Kammer zu bilden. Der Druckregler 10 umfaßt
eine Einlaßleitung 16 mit einer Mutter 20, um die Einlaßleitung 16 mit einer Hochdruckgasquelle,
beispielsweise einer Druckgasflaschesverbinden zu können. Die Einlaßleitung 16 weist
einen gerundeten Nippel 18 auf, der mit einem entsprechend bemessenen Fitting der
Gasquelle zusammenpaßt. Ferner umfaßt die Einlaßleitung 16 ein poröses Filterelement
22, durch das Verunreinigungspartikel aus dem Gas herausgefiltert werden. Der Druckregler
10 weist einen Auslaß 26 auf, der einen Fitting28 zur Aufnahme eines Schlauches
oder einer anderen Ableitungseinrichtung umfaßt. Schließlich umfaßt der Druckregler
ein Sicherheitsrückschlagventil 31, einen Steuerknopf 15, eine Hochdruckmeßeinrichtung
24 und eine Niederdruckmeßeinrichtung
30.
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Das Gehäuse 12 und die Haube 14 sind durch eine biegsame Membrane
32 voneinander getrennt, die im allgemeinen aus Neoprengummi besteht. Eine Seite
der Membran 32 ist mit einem Ring 36 aus Metall, beispielsweise Messing versehen,
um den dichtenden Randbereich zu verstärken. Ferner ist diese Seite der Membrane
mit einer Rückhalteplatte 34 versehen, um eine Anlagefläche für die Feder 48 zu
schaffen. In der Haube 14 ist eine Rille 38 gelagert, die das Ende der Haube 14
überragt. Der Welle 38 ist ein Lager un 44, eine Lagerplatte 42 und eine Mutter
46 zugeordnet, die Spannung und Entspannung der Feder 48 verändern zu können.
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Das vorspringende Ende der Welle 38 trägt einen Knopf 15, der durch
eine Mutter 40 mit dieser verbunden ist. Wird der Knopf 15 gedreht, kann die Feder
gespannt werden, um die Membrane nach links in Fig. 2 der Zeichnung zu drücken.
Wird der Knopf 15 in die entgegengesetzte Richtung gedreht, so wird die Spannung
der Feder verringert und die Membrane 32 kehrt in ihre Ausgangsstellung zurück,
die in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt ist.
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Die Haube 14 weist Entlüftungslöcher 17 auf, so daß die durch die
Haube 14 und die Membrane 32 gebildete Kammer mit dem atmosphärischen Druck verbunden
ist.
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Das Gehäuse 12 des Reglers 10 und die Membrane 32 bilden eine Niederdruckkammer
19. Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, steht
mit dieser Niederdruckkammer
19 ein Rückschlagventil 31 in Verbindung, dessen Funktion später in Einzelheiten
beschrieben werden wird.
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Das Gehäuse 12 weist ein Fitting 21 zur Aufnahme der Hochdruckmeßeinrichtung
24 auf und trägt an dem der Membrane 32 abgewandten Ende einen Vorsprung 54, auf
den eine Kappe 56 aufgeschraubt ist. Das Niederdruckgas tritt, wie Fig. 2 zeigt,
in die Kammer 19 durch Kanäle 52 in einem Vorsprung 50 ein, der das vordere Ende
der Hochdruckkammer 64 des Reglers bildet und diese verschließt. Das Hochdruckgas
triazin die Hochdruckkammer 64, die im Gehäuse 12 durch den Vorsprung 50, den Vorsprung
54 und die Kappe 56 gebildet ist, durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten
Kanal in an sich bekannter Weise ein. Das eintretende Gas durchquert dabei den porösen
Filter 66, strömt in den den Ventilkolben 68 umgebenden Bereich, verläßt diesen
durch den Ventilsitz 65, strömt am Ventilstift 70 vorbei und durchquert die Kanäle
52, um in die Niederdruckksmmer 19 zu gelangen. Die Öffnung zwischen dem Ventilkolben
68 und dem Ventilsitz 65 steuert den Ausströmdruck des Gases. Wie Fig. 3 zeigt,
wird der Ventil stift 70 normalerweise durch eine Feder-72 zum. Ventilsitz 65 hingedruckt.
Der Ventilkolben wird vom Sitz abgehoben, in dem dieser durch den Ventil stift 70,
der den Vorsprung 50 durchdringt und an der RUckhalteplatte 34 der Membrane 32 anliegt,
nach links zur Kappe 5S hin bewegt wird.
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Auf diese Weise wird dann, wenn sich die Membrane 32 nach links bewegt,auch
der Ventilkolben 68 nach links gedrückt und das Hochdruckgas strömt in die Niederdruckkammer
19 ein.
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Die Kappe 56 ist gegenüber dem Gehäuse 12 durch einen Dichtungsring
25 abgedichtet, der in komplementären Ringnuten 60 und 62 liegt. Zwischen dem Vorsprung
54 des Gehäuses 12 und der Kappe 56 ist eine Gewindeverbindung vorgesehen, um die
Kappe zu Reinigungs- und Pflegezwecken vom Regler leicht abheben zu können. Der
Dichtungsring 25 besteht vorzugsweise aus einem Flourkohlenstoffkundststoff, wie
er unter dem Handelsnamen "KEL-F" vertrieben wird, und hat wegen der Ringlippe 27
am Vorsprung 54 nur eine sehr kleine Oberfläche, die vom Hochdruckgas beaufschlagt
ist, obwohl er eine wirksame Dichtung bildet.
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Demgegenüber ist die Kappe von bekannten Gasdruckreglern durch einen
O-Ring, der zwischen die Kappe 56 und die ebene Stirnfläche des Vorsprunges 54 geschaltet
ist, abgedichtet.
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Die Kappe 56 drückt den porösen Filter 66 gegen den Ventilsitz 65,
wodurch eine Dichtung zwischen dem Filter und dem Ventilsitz erreicht wird, so daß
das gesamte eintretende Gas den Filter durchströmen muß.
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Der Filter 66 drückt ferner den Ventilsitz 65 gegen den Boden der
Bohrung im Gehäuse 12, wobei die Abdichtung durch eine
Dichtung
108 (Fig. 5) erreicht wird, was verhindert, daß Gas um den Sitz 65 herum in die
Unterdruckkammer 19 zu lecken vermag.
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In Fig. 4 und 5 der Zeichnung ist der Ventilsitz 65 mit seinen konstruktiven
Einzelheiten dargestellt. Der Ventilsitz 65 besteht aus einer ersten flachen Unterlegscheibe
100, die eine Mittelbohrung 102 aufweist und einer zweiten Unterlegscheibe 104.
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Die zweite Unterlegscheibe 104 entspricht in ihrer Größe der ersten,
weist jedoch in ihrer äußeren Oberfläche eine Ringausnehmung 106 auf. Die Unterlegscheibe
104 hat einen inneren Durchmesser, der die maximale Reglerventilöffnung bestimmt,
der jedoch kleiner als der innere Durchmesser der Unterlegscheibe 100 ist. Ferner
umfaßt diese Unterlegscheibe einen erweiterten Bereich des inneren Durchmessers,
so daß der Querschnitt der Unterlegscheibe 104 etwa von z-förmiger Gestalt ist.
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Die Ausnehmung 106 dient zur Aufnahme der vorerwähnten Dichtung, die
ebenfalls aus dem unter dem Handelsnamen "KEL-F't vertriebenen Kunststoff gefertigt
ist. Ein aus dem gleichen Kunststoff bestehendes Dichtungselement 110 in Form eines
abgesetzten Flansches ist zwischen die beiden Unterlegscheiben 100 und 104 eingefügt
und bildet den eigentlichen Ventilsitz. Das Dichtungselement 110 hat einen Innendurchmesser,
der gleich dem Innendurchmesser der Unterlegscheibe 104 ist und kann ein abgeschrägtes
Ende 111 aufweisen, das dem schrägen Ende des Ventilkolbens 68 entspricht. Der Ventilsitz
65 ist in den Regler in der in Fig. 3
gezeigten Weise eingefügt,
so daß die Unterlegscheibe 104 in der Bohrung des Vorsprungs 50 des Gehäuses durch
die Dichtung 108 gasdicht liegt. Das Dichtungselement 110 ist dem Ventilkolben 68
zugewandt und bildet die Dichtung, wenn der Ventilkolben 68 gegen das Dichtungselement
110 gedrückt ist. Es ist erforderlich, dieses Element aus einem nachgiebigen Werkstoff
zu fertigen, da auch eine wirksame Abdichtung erreicht werden soll, wenn eine geringe
Abweichung in der Flucht des Ventilkörpers oder ein Verschleiß des Ventilkörpers
vor der normalen Verschleißzeit eintreten sollte.
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Bei dem in Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel
des Druckreglers sind das Gehäuse 12 und die Haube 14 des Reglers aus Messing gefertigt.
Versuche haben gezeigt, daß rostfreier Stahl leichter in der Anwesenheit von Hochdrucksauerstoff
erhitzt wird als andere Werkstoffe. Aus diesem Grunde ist der Ventilstift 70 aus
einer Eisen-Chrom-Nickel-Verbindung hergestellt, die unter dem Handelsnamen fINCONEIP
vertrieben wird. Der Ventilkolben 68 und der poröse Filter 66 sind aus einer Nickel-Kupferlegierung
gefertigt, die unter dem Handelsnamen "MONELn vertrieben wird, während die Feder
72 vorzugsweise aus der vorerwähnten Eisen-Chrom-Nickellegierung hergestellt wird.
Die Metallteile 100 und 104 des Ventilsitzes 65 sind aus Messing und die Dichtungsteile
106 und 110 sind aus dem vorbeschriebenen Kunststoff gefertigt.
Dieser
unter dem Handelsnamen 'tKEL-F" vertriebene Kunststoff wurde als feuerbeständiger
erkannt als die vorher verwendeten Werkstoffe wie Neoprengummi oder dergleichen.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Reglers werden die nachstehend
aufgeführten Vorteile erreicht. Der vier Teile umfassende Ventilsitz bietet dem
Sauerstoff nur die geringstmögliche Oberfläche an Kunststoff Mr, obwohl genügend
elastomerer Werkstoff vorgesehen ist, den Ventilkolben 68 abzudichten.
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Die zwei Messingteile 100 und 104 wirken als ausgedehnter Wärmenebenschluß.
Wenn die geringe Menge an Kunststoff, die im Dichtungselement 110 enthalten ist,
verbrannt und verbraucht ist, so kann sich der Ventilkolben 68 immer noch dicht
an das umgebende Messing oder das Metall der Unterlegscheiben 100 und 104 anlegen.
Darüber hinaus können dadurch, daß der weiche Dichtungswerkstoff 110 von dem Messing
getragen ist, geringere Deformierungen und ein längeres Leben erwartet werden. Der
aus Kunststoff bestehende Dichtungsring 108 ist völlig von Messing umgeben und wird
aus diesem Grunde nicht erhöhten Temperaturen ausgesetzt, da die aus Messing bestehenden
Unterlegscheiben 100 und 104 als Wärmenebenschluß dienen. Die Herabsetzung des Vorhandenseins
von verbrauchbarem Brennstoff (Kunststoff oder dergleichen) in dem Ventilsitz, verhindert
ein kontinüierliches Fließen von großen Strömen von Hochdrucksauerstoff
durch
den Regler, was Sekundärreaktionen bewirken würde. Bei dem in Fig. 1, 2 und 3 der
Zeichnung dargestellten Druckregler sind die größten, der Einwirkung ausgesetzten
Oberflächenbereiche aus Metall, wie Messing, das einen niedrigen Selbstentziindungspunkt
hat, der der Verbrennung widersteht. Ferner leiten die Messingteile des Ventilsitzes
die Hitze von dem Kunststoff weg.
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Wie bereits erwähnt wurde, kann selbst dann, wenn der Kunststoff deformiert
oder verbracht ist, der Ventilkolben 68 sich gegen das Metall legen, wodurch der
Strom des Sauerstoffes verzögert wird.
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In Fig. 6 und 7 der Zeichnung ist das Sicherheitsrückschlagventil
31 in Einzelheiten vergrößert dargestellt. Dieses Ventil umfaßt ein Ventilgehäuse
80 mit einer Endkappe 82, die durch ein Gewinde am Ventilgehäuse befestigt ist.
Die Endkappe 82 weist Entlüftungslöcher 84 auf, um Druckmedium von dem Ventil 31
abführen zu können. In dem Ventilgehäuse 80 und der Endkappe 82 ist ein Ventilkörper
85 vorgesehen, der einen Ventilstößel 86 und einen Ventilteller 83 umfaßt, die eine
Mittelbohrung 88 aufweisen.
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Der Ventilstößel 86 erstreckt sich durch eine Öffnung 87 in der Endkappe
82 hindurch. Der Ventilteller 83 liegt an einer erhabenen Lippe 93 des Kanals 89
an und ist durch ein elastomeres Element 90 verschlossen, das in einer Ausnehmung
91 des Ventiltellers 83 des Ventilkörpers 85 angeordnet ist. Der bevorzugte
Werkstoff
für dieses elastomere Element 90 ist Neoprengummi.
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Der Ventilteller 83 des Ventilkörpers 85, der am Kanal 89 anliegt
ist quadratisch oder sechskantig in einem Zylinder oder weist radiale Nuten oder
Schlitze auf, um einen Durchtritt des Gases von dem Kanal 89 zu den Entlüftungslöchern
84 zu ermöglichen.
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Der Ventilkörper ist durch eine Schraubenfeder 92 gegen den Kanal
89 gedruckt. Der Kanal 89 umfaßt, wie bereits erwähnt, eine erhabene Lippe 93 durch
die die Andruckkräfte gegen das Element 90 konzentriert werden, was eine verbesserte
Abdichtung bewirkt. Beim Auftreten einer großen Druckerhöhung im Kanal 89 wird der
Ventilkörper 85 nach rechts in der Zeichnung unter Zusammendrücken der Feder 92
bewegt, so daß Gas aus dem Kanal in das Ventil und durch die Löcher 84 ausströmen
kann. Im Falle einer inneren Verbrennung im Regler bei geringen Drücken würde dies
ein Öffnen des Ventiles bewirken, wobei das elastomere Element 90 verbraucht und
das Gas und die Verbrennungsprodukte durch die Bohrung 88 im Ventilkörper 85 aus
dem Regler herausbefördert werden. Wie in Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellt
ist, ist das Sicherheitsrückschlagventil 31 so angeordnet, daß gegebenenfalls austretende
Verbrennungsprodukte nach unten vom Ventil weggerichtet werden. In der normalen
Arbeitsstellung des Druckreglers 10 ist das Sicherheitsrückschlagventil zum Boden
hingerichtet, also weg von der Verbindung des Druckreglers mit der Hochdruckquelle.
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Das federbelastete Sicherheitsventil 31 ohne Schmelzelement 90 wird
nicht aktiviert, bis ein vorbestimmtes Druckniveau überschritten wird. Solche vorbestimmten
Drücke liegen für Sauerstoffe etwa in der Größe von 5 - 18 kg/cm2. Ist der Ventilsitz
durch eine im Inneren des Reglers auftretende Verbrennung verbraucht und der Druck
liegt unterhalb des Mindestdruckes, auf den das Sicherheitsrückschlagventil 31 zum
Öffnen eingestellt ist, wird das elastomere Element 90 verbraucht werden und die
Verbrennungsreaktion wird in die Atmosphäre entlüftet, so daß die Auswirkungen der
Reaktion dadurch verringert werden, so daß die Verbrennung erst im Regler erfolgt
und dann vom Regler weggerichtet wird. Beim normalen Geschehensablauf würde die
Auswirkung in der Hochdruckkammer beginnen und wenn sie sich zur Niederdruckkammer
hinbewegt, könnte die Membraierbrennen, was zum kataklysmischen Ausfall des Reglers
führen würde. Durch die Zwischenschaltung des Schmelzelementes 90 in das Sicherheitsrückschlagventil
31 wird sich das Ventil jedoch öffnen und somit die Verbrennung vom Regler wegführen
und damit die Membrane schützen.
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Um den Regler zu schützen, muß das Gas schnell von der Niederdruckseite
wegbewegt werden, um ein Brennen der Membrane durch vermindernde Einwirkzeit und
der Temperatur zu verhindern. Dies wird durch das aus Neoprengummi bestehende Element
90 erreicht, das verbrennt und die Verbrennungsprodukte und Gase aus dem
Regler
herausführt, also als Schmelzsicherung wirkt. Es ist selbstverständlich, daß andere
Werkstoffe als die beim Ausführungsbeispiel verwendeten benutzt werden können. Jedoch
bewirkt die Herabsetzung des brennbaren Werkstoffes auf eine Mindestmenge und die
Verwendung eines Schmelzelementes in dem Sicherheitsrückschlagventil zusammen, um
die Vorteile des Reglers zu erreichen.