DE2623906A1

DE2623906A1 - Metallische dichtvorrichtung, insbesondere hochvakuumventil

Info

Publication number: DE2623906A1
Application number: DE19762623906
Authority: DE
Inventors: Siegfried Schertler
Original assignee: VAT AG fuer Vakuum Apparate Technik
Current assignee: VAT Group AG
Priority date: 1976-05-28
Filing date: 1976-05-28
Publication date: 1977-12-01

Description

Patentanwalt Dipl- Ing. H. J. Hübner

βββο Kempten/AII₀Ou 2673906

MoMrtstraB· 21 - Tel. 0831/2»291 26. Mai 1976

ζ Χ 1124

Patentinhaber: VAT Aktiengesellschaft für Vakuum-Apparate-Technik, 9499 Haag (Schweiz)

Gegenstand: Metallische Dichtvorrichtung, insbesondere Hochvakuumventil

Angemeldet am:

Erfinder: Schertier, Siegfried, Ing. (grad.)»

9499 Haag (Schweiz)

Druckschriften, die zur Abgrenzung vom Stand der Technik in Betracht gezogen wurden :

Vakuum Sealing Techniques - A. Both - 1966, Seiten 585> 602, 615

HE 4582 9/sa/34

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Die Erfindung bezieht sich auf eine metallische Dichtvorrichtung, insbesondere Hochvakuumventil mit mindestens einem ersten, eine umfangsgeschlossene, ringförmige Kante aufweisenden Dichtorgan und mindestens einem zweiten, eine längs eines Kreises verlaufende Dichtfläche aufweisenden Dichtorgan, wobei bei geschlossener Dichtvorrichtung die Kante des ersten Dichtorganes an der Dichtfläche des zweiten Dichtorganes unter Druck anliegt.

Es sind zahlreiche Ganzmetallventile bekannt, bei denen der Ventilteller oder der "Ventilsitz als Ringschneide ausgebildet ist, wobei einer der beiden Dichtpartner aus einem duktilen Metall hergestellt ist. Beim Schließen des Ventils paßt sich der weichere Dichtpartner plastisch an den härteren an, wodurch die Abdichtung erzielt wird. Das Maß der plastischen Verformung hängt vom Anpreßdruck und von der Genauigkeit der Dichtpartner ab, vor allem auch von der Oberflächenbeschaffenheit. Diese plastische Anpassung der Dichtpartner muß mit jeder neuerlichen Schließung erreicht werden, was aber nur möglich ist, wenn der Schließdruck mit jeder Schließung erhöht wird. Die Standzeit des Ventils, das ist die Anzahl der Schließungen, bei welchem das Ventil noch dicht wird, wird durch die ständige Erhöhung der Schließkraft begrenzt und sie ist dann erreicht, wenn die Schließkraft so groß ist, daß sie aus Festigkeitsgründen nicht mehr erhöht v/erden darf oder einfach

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nicht mehr aufgebracht werden kann. Als Richtwert ist bekannt, daß ein Ventil dieser Ausführung normalerweise über 1OO_t in Ausnahmefällen maximal über 500 Schließungen dichtzubringen ist, wobei ein Leck von kleiner als 1.10"*^Torrl/sec mit Helium gemessen als dicht gilt.

Es versteht sich von selbst, daß es sehr schwierig ist, mit jeder Schließung den Dichtdruck so zu ernöhen, daß die gewünschte Dichtheit erzielt wird.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Ganzmetallventile zeigt sich bei Temperaturänderung des Ventils im geschlossenen Zustand. Durch eine Temperaturänderung können an der Kontaktstelle der Dichtpartner Verschiebungen auftreten, die eine Beschädigung der Dichtflächen zur Folge haben. Diese Verschiebungen sind die Folge unterschiedlicher Wärmeausdehnung der Dichtpartner, die 3a aus verschiedenen Materialien bestehen müssen. Dieselben Beschädigungen können auch bei Temperaturdifferenzen innerhalb der Partner auftreten. Ein markanter Nachteil sind die hohen Schließkräfte, welche bei diesen Ventilen aufgebracht werden müssen.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine aus Metall bestehende Dichtvorrichtung an einem Hochvakuumverschluß zu schaffen, die es erlaubt, über eine wesentlich höhere Anzahl

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von Schließungen eine bessere Dichtheit ohne Erhöhung der Schließkraft in Abhängigkeit von bereits erfolgten Schließungen zu erzielen, die erforderliche Schließkraft herabzusetzen sowie nachteilige Folgen von Temperaturänderungen an der Dichtvorrichtung auszuschließen.

Erfindungsgemäß ist die Dichtvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß das erste Dichtorgan scheibenartig, vorzugsweise nach Art einer ringförmigen Scheibe ausgebildet ist, deren mit der Dichtfläche zusammenwirkende Kante abgerundet ist und die Dichtfläche als sphärische oder konische Rotationsfläche ausgebildet ist und bei geschlossener Dichtvorrichtung die Kante des scheibenartigen Dichtorganes mindestens angenähert senkrecht auf die sphärische oder konische Rotationsfläche drückt. Es zeigt sich, daß sich mit der erfindungsgemäßen Dichtvorrichtung eine Dichtheit von 1.10 Torrl/sec, gemessen mit Helium, über mehrere tausend Schließungen erreichen läßt, ohne daß die Schließkraft erhöht werden müßte. Hierbei ist die Dichtkraft verglichen mit den bekannten Dichtkonfigurationen bis zu zehnmal kleiner. Es zeigt sich, daß lemperaturänderungen die Dichtvorrichtung in keiner Weise nachteilig beeinflussen.

Ausführungsbeispiele werden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt

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einer ersten Dichtvorrichtung, und zwar in schematiseher Darstellung; Pig. 2 die Anwendung des aus Fig. 1 ersichtlichen Dichtungsprinzips bei einem Butterfly-Ventil.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Dichtvorrichtung (die Fig, 1 stellt einen Längsschnitt dar) besitzt als erstes Dichtorgan eine ringförmige Scheibe 1, die aus einem ebenen, inneren Bereich 2 und einem kegelig geformten, äußeren Bereich 3 besteht. Der innere, ebene Bereich 2 der ringförmigen Scheibe 1 ist mit einem verstellbaren Dichtteller 4- in geeigneter Form fest verbunden, beispielsweise verspannt oder verschweißt. Der äußere Bereich des Dichtorganes 1 stellt eine Art Dichtlippe dar, deren äußere Kante 5_? die die eine Dichtfläche bildet, genau abgerundet ist. Dies ist aus Fig. 1 erkennbar.

Als zweites Dichtorgan, das in der Schließlage des Ventils mit dem erstbeschriebenen Dichtorgan in Berührung steht, dient die innere Fläche 6 des Gehäuses 7* die als Kugel- oder Kegelzonenfläche ausgebildet ist. Der Dichtteller 4· ist über ein Betätigungsgestänge 8, zum Beispiel eine Gewindespindel in achsialer Richtung des Gehäuses 7 zu verschieben. Damit die abgerundete Kante 5 der Dichtlippe 3 mindestens annähernd senkrecht auf die Fläche 6 des Gehäuses 7 drückt, wenn der Dichtteller 4- in die Ventilöffnung eingeführt ist und in der Richtung des Pfeiles 9 ein Druck ausgeübt wird, ist die

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Neigung dei? Kegelzonenfläche 6 bzw. der Radius der Kugelzonen*- fläche und die Neigung bzw. die radiale Länge 1 der kegelig geformten Dichtlippe entsprechend aufeinander abgestimmt. Zweckmäßigerweise beträgt der Winkel «£ des kegelförmig geformten Teiles des ersten Dichtorganes ca. 10 bis 20°.

Da die Dichtlippe 3 auf der Brührungsseite, d.h. an der Kante 5 genau abgerundet ist, ist die Berührungslinie zwischen der Dichtlippe 5 und der Dichtfläche 6 ein Kreis. Diese Berülmngslinie ist gleichzeitig die DichtÜiinie der vorliegenden Dichtvorrichtung. Die Dichtheit der Torrichtung hängt davon ab, daß sich die beiden Dichtorgane, die Dichtlippe 3 und die Dichtfläche 6 durchgehend berühren. Die geometrische Voraussetzung hierfür ist durch die kreisförmige Berührungslinie gegeben. Es kommt in der Praxis deshalb in erster Linie darauf an, unvermeidliche Fertigungsungenauigkeiten zu überbrücken. Dies ist bei der vorliegenden Dichtvorrichtung in vorteilhafter Weise dadurch möglich, daß einerseits grobe Ungenauigkeiten unter dem hohen Dichtdruck durch die verhältnismäßig flexible ringförmige Dichtlippe ausgeglichen werden und daß andererseits eine Mikroungenauigkeit, welche von Unebenheiten auf den beidseitigen Dichtflächen herrührt, durch eine elastische Verformung der für beide Dichtorgane verwendeten Materialien weitgehend kompensiert werden kann.

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Ein wesentlicher Unterschied gegenüber den bekannten Dichtvorrichtungen ist bei der vorliegenden Dichtvorrichtung darin zu sehen, daß Verformungen der beiden Dichtorgane elastisch sind und eine dauernde, plastische Verformung ausgeschlossen wird. Dadurch läßt sich die Standzeit der Dichtvorrichtung bzw. des Ventils, das diese enthält, wesentlich erhöhen, weil im Laufe aufeinanderfolgender Schließungen die Schließkraft nicht erhöht werden muß, wie dies bei den bekannten Dichtvorrichtungen der Fall ist. Es hat sich gezeigt, daß sich mit der vorliegenden Dichtvorrichtung eine

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Dichtheit von 1.10 Torrl/sec, gemessen mit Helium, ohne Erhöhung der Schließkraft über mehrere tausend Schließungen erzielen läßt.

Als Material für die beiden Dichtorgane, die Dichtlippe 3 und die Dichtfläche 6, wird ein harter Werkstoff mit hoher Elastizität bevorzugt. Die ringförmige Scheibe 1 mit der Dichtlippe 3 kann beispielsweise aus einer Titanlegierung, aus einem insbesondere hartgewalzten hochnickellegierten Stahl oder aus Pederstahl bestehen, während die Dichtfläche 6 aus einem hochresistenten, kobalt- oder wolframlegierten Stahl ("Stellite") oder sonst einem Edelstahl, Hartbronze oder einem anderen glasharten Material bestehen kann.

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Um beim Anpressen der Dichtorgane gegeneinander die erwähnte elastische Verformung zu erzielen, sind an sich hohe Dichtkräfte erforderlich. Bei der vorliegenden Dichtvorrichtung hat dies aber nicht eine entsprechend hohe Schließkraft zur Folge, weil, wie aus Fig. 1 ersichtlich, die Lage der Dichtlippe 3 gegenüber der Dichtfläche 6 eine reibungslose Übersetzung der Schließkraft bewirkt. Die längs des Pfeiles 9 ausgeübte Schließkraft ist größenordnungsmäßig um den Faktor

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kleiner als die in der Fläche der Dichtlippe 3 liegende

Dichtkraftkomponente, so daß beim vorliegenden Ausführungsbeispiel für eine bestimmte erforderliche Dichtkraft bloß eine bis zu 10 mal kleinere Schließkraft aufgebracht werden muß.

Beim Anpressen der Dichtorgane gegeneinander rollt die Dichtlippe bzw. deren abgerundete Kante 5 auf der Dichtfläche 6 des Gehäuses 7 ab, ohne daß eine nachteilige Verschiebung der Kante 5 auf der Oberfläche 6 auftreten würde. Dieser Abrollvorgang tritt auch in umgekehrter Richtung auf, beispielsweise dann, wenn sich die Temperatur der vorliegenden Dichtvorrichtung erhöht und demnach thermische Löngenausdehnungen entstehen. Eine Beschädigung der Dichtflächen bei Temperaturänderungen ist also ausgeschlossen.

Die ideale geometrische Form der Dichtfläche 6 ist die Kugelfläche, wobei sowohl eine konkave Kugelzonenfläche wie auch

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eine konvexe Kugelfläche vorgesehen werden kann. Eine solche Kugelfläche als Dichtorgan ist deshalb von Vorteil, weil sie selbstzentrierend ist. Nachteilig dagegen ist, daß die Fertigung einer geometrisch exakten Kugel bzw. Kugelfläche aufwendig ist. Um solchen fertigungstechnischen Schwierigkeiten aus dem Weg zu gehen, ist es jedoch möglich, die Kugel- oder Kugelzonenfläche durch die Oberfläche eines anderen Rotationskörpers zu ersetzen, wobei der als Dichtfläche vorgesehene Oberflächenbereich in Richtung der Rotationsachse von dieser einen veränderlichen Abstand aufweist, insbesondere durch die Oberfläche eines Kegelstumpfe, die beispielsweise durch Schleifen ohne besonderen Aufwand geometrisch genau ausgebildet werden kann.

Beim gezeigten Ausführungsbeispiel nach I¹Xg. 1 ist das ringförmige, scheibenartige Dichtorgan an einem Ventilteller 4-befestigt und zusammen mit diesem Ventilteller in Richtung der Achse 10 des Gehäuses 7 verschiebbar gelagert. Das zweite Dichtorgan, nämlich die Kegel- bzw. Kugelzonenfläche 6 ist räumlich feststehend als Teil des Gehäuses 7 gestaltet. Es ist durchaus denkbar und es liegt im Rahmen der Erfindung, dieses Dichtungsprinzip sozusagen kinematisch umzukehren, nämlich das scheibenförmige Dichtorgan im Gehäuse des Ventiles einzuspannen und gegen seine in diesem Falle innere Öffnung

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ein Dichtorgan mit Kugel- oder Kegelzonenflächen zu verschieben.

Eine zweckmäßige Anwendung des vorstehend beschriebenen Dichtt*ngsprinzipes zeigt nun 3?ig. 2 in Verbindung mit einem Butterfly-Ventil. Butterfly-Ventile in der Hochvakuumtechnik sind bekannt. Zur Abdichtung bei solchen bekannten Butterfly-Ventilen dienen in Nuten des Ventiltellers eingelegte O-Ringe, die jedoch die Tendenz zeigen, daß sie beim Schließen des Ventiles aus der Nut herausgequetscht werden, aus welchem Grund man dazu überging, diese O-Ringe mit Vakuumfett zu schmieren. Dies ist jedoch eine technisch völlig unbefriedigende Lösung.

Das Butterfly-Ventil nach der Erfindung und nach Fig. 2 besitzt ein zwei Anschlußflanschen 10 aufweisendes Gehäuse 11, mit zwei paarweise spiegelsymmetrisch angeordneten Dichtflächen 12, welche als Kugelzonenflächen oder als Kegelzonenflächen ausgebildet sein können. Der um die vertikale Achse 13 schwenkbare Ventilteller 14 besitzt folgenden Aufbau: Die hier paarweise und spiegelsymmetrisch vorgesehenen scheibenartigen Dichtorgane 15 sind randseitig an den Ringen 16 befestigt und überragen diese etwas in radialer Richtung. Die Ringe 16 sind mit Schalen 17 verschweißt, die ebenfalls spiegelsymmetrisch und paarweise hier vorgesehen sind. In ihrer Mitte be-

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sitzen diese Schalen 17 eine Bohrung 18, durch welche ein Bolzen 19 ragt. Endseitige Verbreiterungen 20 dieses Bolzens dienen als Widerlager für Tellerfederpakete 21, die sich gegen die Schalen 17 abstützen. Die beiden das Dichtungsorgan 15 tragenden Ringe 16 begrenzen mit ihrer Innenseite eine nach außen offene U-förmige Nut 32, in welcher ein weiterer Ring 22 vorgesehen ist. Mit diesem Ring 22 sind die beiden erstgenannten Ringe 16 über metallische Bälge 23 verbunden. In seinem unteren Bereich besitzt dieser mittlere Ring 22 eine Bohrung zur Aufnahme eines im Ventilgehäuse 11 eingesetzten Lagerzapfens 24. Im oberen Bereich besitzt dieser Ring 22 eine durchgehende Bohrung 25. Mit dieser Bohrung ist eine nach außen geführte hohle Schwenkwelle 26 verbunden, an welcher das hier nicht dargestellte Verstellgestänge für die Verdrehung des Ventiltellers 14· angreift, das seinerseits dicht in einem Gehäuse 27 gelagert ist. Der Bolzen 19 und die Federn 21 sind jeweils von dichten Kappen 28 überdeckt, welche randseitig mit den Schalen 17 verschweißt sind. Die Federn 21 drücken die beiden Schalen gegeneinander.

In der Offenstellung ist der Ventilteller um 90° geschwenkt, liegt also in seiner Offenstellung in der Zeichenebene. Diese Stellung ist durch die strichlierte Linie 29 angedeutet. Zum Schließen wird der Ventilteller vorerst mit dem nicht darge-

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stellten Gestänge in die aus Fig. 2 ersichtliche Stellung geschwenkt, und zwar durch Betätigung der Schwenkwelle 26. In dieser aus Fig. 2 ersichtlichen Stellung wird nun zum Schließen des Ventils über die Hohlwelle 26 und die Bohrung der vom Ventilteller begrenzte Raum 30 mit einem geeigneten Druckmedium gefüllt und die beiden Ringe 16 mit den Dichtorganen 15 werden entgegen der Kraft der Federn 21 in Achsrichtung auseinandergepreßt, wodurch die Dichtorgane 15 an die Dichtflächen 12 gedrückt werden. Die Abdichtung erfolgt in der im Zusammenhang in Fig. 1 im Detail beschriebenen Weise und mit den daraus erzielbaren Vorteilen, auf welche hier um Wiederholungen zu vermeiden, verwiesen werden darf. Soll das Ventil geöffnet werden, so wird der Raum 30 über die Hohlwelle 26 vom Druck entlastet und die Federn 21 pressen die Schalen in die aus Fig. 2 ersichtliche Lage zurück und nunmehr kann der Ventilteller 14 wieder in seine Offenstellung um 90° in die Zeichenebene geschwenkt werden.

Es sind Schieberventile in der Hochvakuumtechnik bekannt geworden, bei welchen der Ventilteller zweiteilig ausgebildet ist und die beiden Hälften über elastische Glieder miteinander verbunden sind. Zwischen beiden Hälften ist ein über ein Gestänge schwenkbarer elliptischer Nocken angeordnet und beim Verdrehen dieses Organes werden die beiden Hälften des Ventil-

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tellers an je einen Dichtungssitz flach angedrückt. Diese Ventile sind nicht zweckmäßig, da für sie all Jene Nachteile anfallen, die eingangs erwähnt worden sind und weil hier darüberhinaus noch die ganze Dichtungskraft vom Ventilgehäuse aufgenommen werden muß, das aus diesem Grunde außerordentlich aufwendig gebaut werden muß, denn bei dieser uns bekannten Konstruktion wirken die Dichtkräfte in der achsialen Richtung des Gehäuses.

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Claims

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Patentansprüche :

ί I^ Metallische Dichtvorrichtung, insbesondere Hochvakuumventil mit mindestens einem ersten, eine umf ausgeschlossene, ringförmige Kante aufweisenden Dichtorgan und mindestens einem zweiten, eine längs eines Kreises verlaufende Dichtfläche aufweisenden Dichtorgan, wobei bei geschlossener Dichtvorrichtung die Kante des ersten Dichtorganes an der Dichtfläche des zweiten Dichtorganes unter Druck anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Dichtorgan (1, 15) scheibenartig, vorzugsweise nach Art einer ringförmigen Scheibe ausgebildet ist, deren mit der Dichtfläche zusammenwirkende Kante (5) abgerundet ist und die Dichtfläche (6; 12) als sphärische oder konische Rotationsfläche ausgebildet ist und bei geschlossener Dichtvorrichtung die Kante (5) des scheibenartigen Dichtorganes (1, 15) mindestens angenähert senkrecht auf die sphärische oder konische Rotationsfläche drückt.
2. Metallische Dichtvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das scheibenartige Dichtorgan (1, 15) zumindest im Bereich seiner mit der Dichtfläche (6, 12) in Wirkverbindung bringbaren, im Querschnitt eine halbkreisförmige Abrundung aufv/eisenden Kante (5) konisch ausgebildet ist.

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3. Metallische Dichtvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantellinien des konischen Bereiches (3) des scheibenartigen Dichtorganes (1) bei geschlossener Dichtvorrichtung zumindest angenähert senkrecht stehen auf der als Dichtfläche (6, 12) dienenden sphärischen oder konischen Rotationsfläche des zweiten Dichtorganes.
4·. Metallische Dichtvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Dichtfläche (6, 12) dienende sphärische oder konische Rotationsfläche Teil eines feststehenden Ventilgehäuses (7, 11) ist, in dessen Achse Oo, 13) das scheibenartige Dichtorgan (1, I5) verstellbar gelagert ist.
5. Metallische Dichtvorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich einer Mittelebene des Ventilgehäuses (11) in symmetrischer Anordnung zwei sphärische oder konische Rotationsdichtflächen (12) vorgesehen sind und zwischen diesen zwei scheibenartige Dichtorgane (15) in symmetrischer Anordnung vorhanden sind, welche zum Schließen der Dichtvorrichtung in entgegengesetzte Richtungen verschiebbar gelagert sind.
6. Metallische Dichtvorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß jedes der scheibenartigen Dichtorgane (15)

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randseitig an einem plattenartigen Träger gelagert ist
und die beiden plattenartigen Träger über in Achsrichtung (31) des Ventilgehäuses (11) dehnbare metallische Bälge
(23) miteinander verbunden sind.
7· Metallische Dichtvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenartigen Träger in ihrem Mittelbereich von einem Bolzen (19) durchsetzt sind, der als Führungsschaft für Federn (21) dient, welche sich einerseits an den Außenseiten der Träger, andererseits am Endbereich des Bolzens (19) abstützen.
8. Metallische Dichtvorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß Federn (21) oder Bolzen (19) von an den Trägern befestigten (angeschweißten) Kappen (28) überdeckt sind.
9. Metallische Dichtvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder plattenartige Träger aus einem das scheibenartige Dichtorgan (15) tragenden Ring (16) und
einer bezüglich der Symmetrieebene der Anordnung konvexen Schale (17) besteht.
10. Metallische Dichtvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenartigen Träger bzw. die bei-

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den Ringe (16) zwischen sich eine randseitig offene Nut (32) begrenzen, von der ein weiterer Ringkörper (22) aufgenommen ist, an welchem die metallischen Bälge (23) "befestigt sind.
11. Metallische Dichtvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (22) an zwei diametral liegenden Bereichen Bohrungen aufweist, ν; ob ei in die eine Bohrung ein im Ventilgehäuse (11) angeordneter Lagerzapfen (24) ragt und mit der anderen Bohrung (25) eine das Ventilgehäuse (11) durchdringende und in diesem verdrehbar gelagerte Welle (26) drehfest verbunden ist.
12. Metallische Dichtvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (26) und/oder der Lagerzapfen (24) mindestens eine in den von den Trägern begrenzten Raum (30) mündende Bohrung aufweist, durch welche dieser Raum (30) mittels eines gasförmigen oder hydraulischen Mediums gegen die Kraft der Federn (21) beaufschlagbar ist.

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Der Vertreter:

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