DE2724836A1

DE2724836A1 - Insbesondere fuer hochdruck-stroemungssysteme geeignetes rueckschlagventil

Info

Publication number: DE2724836A1
Application number: DE19772724836
Authority: DE
Inventors: John Rogan
Original assignee: Dart Industries Inc
Current assignee: Dart Industries Inc
Priority date: 1976-07-01
Filing date: 1977-06-02
Publication date: 1978-01-05
Also published as: FR2356860A1; JPS535433A; US4076043A; GB1520719A; FR2356860B1

Description

PATENTANWÄLTE 2 7 2 A 8 3

Dipl-lng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK DipL-mg. G. DANNENBERG - Dr. P. WEINHOLD Dr. D. GUDEL

S-

281134 - « β FRANKFURT AM MAIN

TELEFON (0611)

287014 GR. ESCHENHEIMER STRA8SE 3·

26. ilai 1977 RP-1376-11029

DART Industries Inc. Los Angeles, CaI. USA

Insbesondere für Hochdruck-Strömungssysteme geeignetes Rückschlagventil

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein insbesondere für Hochdruck-Strömungssysteme geeignetes Rückschlagventil nach Art eines Kugelventils mit einen eine durchgehende Längsbohrung aufweisenden Ventilkörper, in dem ein federbelastetes Kugelelement eine begrenzte axiale Bewegung ausführen kann.

Die Erfindung bezieht sich generell auf Rückschlagventile nach Art von Kugel ventilen, die im Aufbau robust sind, sowie von verläßlicher Arbeitsweise und Dauerhaftigkeit auch unter Hochdruck und harten Betriebsbedingungen. Die erfindungsgemäßen Ventile sind hervorragend hinsichtlich ihres Widerstands gegen Ermüdungsrisse und diesbezügliches strukturelles Versagen, wenn sie in S trömungs systemen verwendet, die Belastungen durch zyklische Druckschwankungen ausgesetzt sind, wie sie beispielsweise durch Kolbenverdichter, Tauchkolben-Drucksteigerungspumpen und dergl. hervorgerufen werden.

Rückschlagventile des Kugeltyps haben einen weiten Anwendungsbereich zum Unterbinden der Rückströmung bei den verschiedensten Vorrichtungen und Systemen. Keine der zahlreichen bisher bekannten Ausführungsformen hat jedoch hinsichtlich der betrieblichen Lebensdauer unter starken zyklischen Belastungen infolge sich wiederholender starker Druckschwankungen befriedigt. Solche ständige zyklische Belastungen können an jedem schv/achen Punkt oder Bereich zu Erinüdungsbrüchen führen. Die meisten derartigen Schaden treten jedoch an oder nahe verschiedenen Kanten oder sonstigen abrupten Änderungen der geometrischen Gestalt oder Oberfläche auf, wie etwa an mit Gewinde versehenen Segmenten und vertieften Sitzen oder abgestuften Schulterteilen, insbesondere innerhalb

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des eigentlichen Ventilkörpers sowie zugehöriger, dein vollen Strömungsdruck unmittelbar ausgesetzter Teile.

Hauptaufgabe der Erfindung ist daher, ein einfaches Rückschlagventil des Kugeltyps zu schaffen, das unter Hochdruck-Betriebsbedingungen zuverlässig arbeitet und frei von Ermüdungserscheinungen eine außergewöhnlich lange strukturelle Lebensdauer aufweist. Weiter wird angestrebt, das Ventil aus einer begrenzten Anzahl primärer Bauteile zusammenzusetzen, die einfache, kompakte Formen haben, die leicht herstellbar sind und wobei alle inneren Oberflächen, Sitze und Dichtungszonen für eine Oberflächenbearbeitung leicht zugänglich sind, die den erforderlichen Widerstand gegen Hochdruckbeanspruchung verleiht.

Bei einem erfindungsgemäßen Ventil sollen auch die Unterhaltungskosten herabgesetzt werden,, dadurch, daß das Ventil nicht nur dauerhaft in Hochdruck-Strömungssystemen arbeitet, sondern auch leicht und unmittelbar zusammengebaut v/erden kann, so daß für eine wirtschaftliche Wartung alle Teile bequem zugänglich sind.

Die gestellte Aufgabe mit ihren Vorteilen wird erfindungsgemäß durch ein Rückschlagventil gelöst, das von einem blockartigen Ventilkörper mit einer durchgehenden Längsbohrung ausgeht, deren mittlerer Abschnitt als glatte zylindrische Bohrung für die Aufnahme eines Kugelelements nit den zugehörigen, bewegbaren Teilen in geeigneter Gleitpassung bemessen, aber von geringerem Querschnitt ist als irgendeiner, der damit zu beiden Enden des Ventilkörpers in Verbindung stehenden Abschnitte, die solchermaßen einen einfachen Zugang zum Inneren des Ventils ermöglichen. Dieser einfache Zugang zum innersten Teil der

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zylindrischen Bohrung innerhalb des Ventilkörpers ermöglicht seine saubere Oberflächenbearbeitung durch Honen, Härten, Autofrettage oder evtl. sonst'erforderliche Maßnahmen, um einen den zu erwartenden Betriebsbedingungen entsprechenden Ermüdungswiderstand zu gewährleisten.

Desgleichen können die inneren Teile der beiden in Verbindung stehenden äußeren Abschnitte von jedem Ende des blockartigen Ventilkörpers her in einfacher V/eise als gegengebohrte zylindrische Kammern fertiggestellt werden, die beiderseits des mittleren Abschnitts eine im wesentlichen flache, ringförmige Schulter bilden. Einfach gestaltete und glatt bearbeitete, gegen Ermüdung beständige Zwischenkörper (allgemein zylindrisch) können dann durch Einschieben in die betreffenden Kammern beiderseits des mittleren Abschnitts eingepaßt und mittels in geeigneter Weise außen gesicherter Abstützeinrichtungen positiv abdichtend gegen geeignete angepaßte Bereiche der flachen ringförmigen Schultern in den Kammern angepreßt werden. Jeder Zwischenkörper weist natürlich einen im wesentlichen geradlinigen Strömungskanal auf, der sich in Längsrichtung durch ihn hindurch erstreckt. Der Ventilaufbau wird dadurch vervollständigt, daß das innere Ende des Strömungskanals am stromaufwärts gelegenen Zwischenkörper als Sitz für ein Kugelelement des Ventils geformt wird, während das innere Ende des stromabwärts gelegenen Zwischenkörpers ein Widerlager für die dem Kugelelement zugeordnete Federbelastung bildet.

Der vorstehenden allgemeinen Erläuterung ist zu entnehmen, daß ein Rückschlagventil nach der Erfindung ztir Verwendung unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen hervorragend geeignet ist, weil alle seine wesentlichen, dem vollen Strömungsdruck ausgesetzten Bauteile einfach gestaltete Elemente mit glatten Konturen sind, die ein-

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fach und zugleich wirtschaftlich so hergestellt werden können, daß sie hohen Qualitätsansprüchen genügen.

Für ein mehr ins Einzelne gehendes Verständnis der Erfindung und die Beziehungen beim Herstellen praktischer Betriebseinheiten für bestimmte besonders kritische Anwendungsgebiete folgt hier nachstehend eine detailliertere Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform eines Rückschlagventils nach der Erfindung. Diese Ausführungsform ist nachstehend beispielsweise anhand der Zeichnung näher beschrieben, und zwar zeigen

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein Rückschlagventil nach der Erfindung, bei dem die äußeren Enden der Zwischenkörper für unmittelbaren Anschluß an eine Standard-Hochdruckleitung ausgebildet sind; und

Fig. 2 einen der Fig. 1 ähnlichen Axialschnitt durch ein Hrflndungsgemäßes Rückschlagventil, bei dem jedoch einige Elemente etwas anders gestaltet sind, insbesondere hinsichtlich der Abdichtzonen.

Gemäß Fig. 1 ist der Ventilkörper 10 aus einem durchgehenden festen Block von geeignetem symmetrischem Querschnitt, beispielsweise quadratisch, rund oder sechseckig, geformt mit einer durchgehenden Längsbohrung konzentrisch zu seiner Achse 12. Der mittlere Abschnitt dieser Längsbohrung ist eine glatte zylindrische Bohrung 14 von kleineren Querschnitt als irgendein anderer Abschnitt der Längsbohrung. Die Bohrung 14 ist speziell so bemessen, daß sie die beweglichen Teile des Ventils, nämlich ein Kugeleleraent 20, eine dieses belastende Feder 22 und eine Federführung 24 aufnimmt.

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Zur Bohrung 14 beiderseits benachbarte Teile der Längsbohrung sind gegengebohrt und glatt bearbeitet, um Kammern 16' und 16" zu bilden, die in im wesentlichen flachen ringförmigen Schultern 17' und 17" enden, die im wesentlichen rechtwinklig zur Achse 12 liegen. Die Kammern 16' und 16" sind so bemessen, daß sie verbreiterte Kopfteile von Zwischenkörpern 26· und 26" aufnehmen, deren Stirnseiten 27' und 27" derart gestaltet sind, daß sie unmittelbar abdichten! gegen die Schultern 17* und 17" anliegen, wenn entsprechender Druck auf sie ausgeübt wird. Diese Druckkraft wird von äußeren Abstützeinrichtungen 30· und 30" ausgeübt, die mit spannfutterartigen Fortsätzen 32· und 32" hülsenartige Körper 28· und 28" der Zwischenkörper umgreifen und sich gegen ringförmige Schultern 29* und 29" an der Rückseite der verbreiterten Kopfteile abstützen. Die Fortsätze 32' und 32" sind vorzugsweise mit Außengewinde 31' und 31" versehen, so daß sie mit entsprechenden Innengewinden 18* und 18" an Abschnitten der Längsbohrung des Ventilkörpers 10 in Eingriff gebracht werden können, um auf diese Weise die Druckkraft zu erzeugen.

Die Zwischenkörper 26' und 26" sind in axialer Richtung mit Strömungskanälen 25' und 25" versehen. Die äußeren Teile 21 · und 21" dieser Strömungskanäle haben jeweils kegelstumpfförmige Gestalt, die für das Zusammenwirken mit dem Dichtkonus der (nicht gezeigten) Armatur eines Hochdruckschlauchs in der Weise geeignet ist, daß (gleichfalls nicht gezeigte) zugeordnete Kontermuttern im Innengewinde aufweisende Aussparungen 33' und 33" eingeschraubt werden. Der innere Teil 23' des Strönungskanals 25' ist exakt derart erweitert, daß er eine Dichtung mit dem Kugelelement 24 ergibt, während der innere Teil 19 des Strömungskanals 25" nur leicht erweitert ist derart, daß am Zwischenkörper 26" stirnseitig ein flacher Bereich als Abstützung für die 709881/0687

Feder 22 verbleibt.

Kleine Luftöffnungen führen von den inneren Enden aller mit Innengewinde versehenen Teile nach außen zur Atmosphäre, nämlich Öffnungen 34' und 34" an den Aussparungen 33' und 33" sowie Öffnungen 15' und 15" an den Abschnitten 18' und 18" des Ventilkörpers 10. Auf diese V/eise wird ein übermäßiger Druckaufbau innerhalb dieser Teile verhindert, falls an einer der unmittelbar in Berührung stehenden Dichtungszonen an einem der Enden der Zwischenkörper 26· und 26" ein Leck entstehen sollte. Es ist also ersichtlich, daß die einzigen Teile des Ventils der Fig. 1, die unmittelbar dem Strömungsdruck ausgesetzt sind, die Zwischenkörper 26* und 26" sowie die glatte zylindrische Bohrung 14 im mittleren Abschnitt des Ventilkörpers 10 sind.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform ist in der gesamten Anordnung der Einzelteile derjenigen nach Fig. 1 sehr ähnlich, aber zeigt einige Abwandlungen in den Formen der Hauptdichtungszonen, insbesondere an den Zwischenkörpern. Auch hier ist der Ventilkörper 10 mit einer durchgehenden Längsbohrung konzentrisch zu seiner Achse 12 versehen. Auch das Kugelelement 20, die Belastungsfeder 22 und ihre Führung 24 sind gleitbar im mittleren Abschnitt der Längsbohrung gelagert. Bei Fig. 2 ist jedoch der mittlere Abschnitt dieser Längsbohrung von einer glatten zylindrischen Bohrung 14* mit nach außen erweiterten kegelstumpfformigen Abschnitten 13' und 13" 'an beiden Enden ausgebildet. Die gegengebohrten Kammern 16· und 16", die zur Aufnahme verbreiterter Kopf teile von Zwischenkörpern 36' und 36" bemessen sind, treffen somit auf die kurzen erweiterten Abschnitte 13' und 13" und bilden solchermaßen die im wesentlichen flachen, ringförmigen Schultern 17* und 17".

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Um eine bessere Hochdruckdichtung gegen die Schultern 17' und 17" zu ergeben, sind die Stirnseiten 37' und 37" der verbreiterten Kopiteile an den Zwischenkörpern 36' und 36^!! leicht vorspringend mit im wesentlichen sphärischer Kontur bzw. nach Art einer konvexen Linse gestaltet. ',Venn daher die Abstützeinrichtungen 30' und 30" in die Innengewinde tragenden Abschnitte 18· und 18" eingeschraubt werden, und über ringförmige Schultern 39' und 39" an den Kopfteilen auf die Zwischenkörper drücken, wird örtlich eine umlaufende Linie abdichtender Berührung zv/i sehen jeweils der Schulter 17' bzw. 17" und der angrenzenden Stirnseite 37' bzw. 37" des betreffenden Zwischenkörpers gewährleistet.

Der Ströinungskanal 45' in stromaufwärts gelegenen Zwischenkörper 36' hat an jedem Ende einen kegelstumpf förrnigen Abschnitt, nämlich einen Abschnitt 43 am inneren Ende als Dichtungszone für das Kugelelement 22 und einen Abschnitt 41' zur Arpassung an die Armatur eines (nicht gezeigten) Hochdruckschlauchs. Der stromabvrärts gelegene Zwischenkörper 36" v/eist einen lediglich leicht erweiterten Abschnitt an jedem seiner Enden auf, so daß eine Zone unmittelbarer Berührungsdichtung an seiner stromabwärts gelegenen Stirnseite 40 gelegen ist. Die genaue Gestalt der Stirnseite 40 kann von im wesentlichen flacher Form bis zu der eines kegelstumpfförmigen Vorsprungs mit stumpfem Winkel, wie in Fig. 2 gezeigt, variieren, wobei dieser Winkel eine neigung- von wenigstens 10° relativ zu einer rechtwinklig zur Achse 12 verlaufenden Ebene hat. Dadurch ergibt sich eine gute unmittelbare Berührungsdichtung zwischen der Stirnseite 40 und einer angrenzenden Armatur, die eine gleichartig stumpfkonvex oder aber annähernd flach ausgebildete Stirnseite aufweist, wobei der Kontakt durch eine in das Gewinde der Aussparung 33" ein-

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greifende Kontermutter gewährleistet wird. Diese Lage der unmittelbaren Kontaktdichtungsfläche an der äußeren Stirnseite 40 des Zvischenkörpers hat einen überraschend hohen Anstieg der Ermüdungsfestigkeit bei sich v/iederholenden Druck Schwankungen hohen Ausmaßes ergeben.

Die vorstehend beschriebenen beiden Rückschlagventile stellen zur Zeit bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar, insbesondere vom Standpunkt eines einfachen konstruktiven Aufbaus und eines zuverlässige Wartung gewährleistenden Zusammenbaus. Neben bereits erwähnten Abwandlungen sind jedoch natürlich auch weitere Änderungen in Anordnung, Gestalt und Anpassung der zusammenwirkenden Bauteile möglich, ohne über den Rahmen der Erfindung hinauszugehen.

Zum Beispiel kann statt der Verbindung der Abstützeinrichtungen 30' und 30" mit dem Ventilkörper über die Gewinde tragenden Abschnitte 18' und 18" die Ausführung auch so sein, daß die Abschnitte 18' und 18" als glattwandige Bohrungen ausgebildet sind und die äußeren Oberflächen der Fortsätze 32' und 32" gleichfalls glatt und frei gleitbar in den Abschnitten 18' und 18" ausgebildet sind. Die erforderliche Druckkraft zum Erzielen der Abdichtungen zwischen den einzelnen Bauteilen des Ventils kann dann durch andere Eingriffsmittel zwischen den Abstützeinrichtungen und dem Ventilkörper geschaffen werden, etwa durch Bolzen, die auf einen Flansch außen an den Abstütze inr ichtun ,"en Zug ausüben, indem sie in angepaßte Gev.'indebohrungen an den Enden des Ventilkörpers eingreifen.

Auch kann bei der Ausführung nach Fig. 2 anstelle von konvexen oder vorspringenden Stirnseiten 37' und 37" am verbreiterten Kopf jedes der Zwischenkörper 36* und 36" eine flache Ausbildung der Stirnseiten im wesentlichen

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rechtwinklig zur Hauptachse des Ventils vorgesehen v/erden, während die ringförmigen Schultern 17' und 17" abgeschrägt oder profiliert sind, wodurch wiederum eine einheitlich wirkende Abdichtungskraft gewährleistet ist, die auf einen schmalen, aber konzentrisch zur Berührungsfläche zv/lschen den betreffenden Bauteilen liegenden Bereich konzentriert ist, um eine zuverlässige Dichtung zu ergeben.

Die Erfindung schafft also ein Rückschlagventil von einfacher, robuster Bauweise, das in einfacher ¥eise hergestellt und an seinen Oberflächen bearbeitet werden kann, um ausgezeichnete Ermüdungsfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen 'iechselbelastungen unter Druckschwankungen zu ergeben. Wesentlich für das Ergebnis ist der aus einem einzigen 31ock augebildete Ventilkörper, dessen Längsbohrung in einem mitHsren Abschnitt als glatte zylindrische Bohrung zur Aufnahme des Kugelelements ,seiner Federbelastung und der zugeordneten beweglichen Teile ausgebildet ist, während die angrenzenden Abschnitte der Längsbohrung beiderseits größeren Querschnitt haben. Der Aufbau des Ventils wird durch die in diese angrenzenden Abschnitte stromaufwärts und stromabwärts eingesetzten Zwischenkörper vervollständigt, die in unmittelbarem abdichtenden Kontakt mit ringförmigen Schulterbereichen beiderseits des mittleren Abschnitts mit Hilfe von am Ventilkörper gehaltenen Abstutζeinrichtungen gehalten sind.

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Claims

26. Mai 1977 272A836 Da/f DART Industries Inc. Patentansprüche

1. Insbesondere für Hochdruck-Strömungssystenie geeignetes Rückschlagventil nach Art eines Kug'elventils mit einem eine durchgehende Längsbohrung aufweisenden Ventilkörper, in dem ein federbelastetes Kugelelement eine begrenzte axiale Bewegung ausführen kann,

dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (10) einstückig aus einem blockartigen Teil geformt ist und daß seine Längsbohrung einen als

glatte zylindrische Bohrung (14) ausgebildeten mittleren Abschnitt von kleinerem Querschnitt als die übrigen Teile der Längsbohrung aufweist, die ; beiderseits dieses mittleren Abschnitts durch Gegenbohren zu Kammern (16', 16") von wesentlich größerem Querschnitt als der des mittleren Abschnitts erweitert ist und damit an beiden Enden der Bohrung (14) ringförmige Schultern (17^f, 17") bildet; daß weiter eine Führung (24) für das mit einer Feder (22) belastete Kugelelement (20) gleitbar innerhalb des mittleren '■ Abschnitts gelagert ist; daß ein länglicher Zwischenkörper (26', 26") mit einem in seiner Längsrichtung verlaufenden axialen Strömungskanal (25*, 25") und verbreitertem Kopfteil beiderseits des mittleren Abschnitts vorgesehen und jeweils mit seinem Kopfteil in die Kammer (16', 16") eingepaßt ist, wobei die Stirnseiten (27\ 27") der Kopfteile für gleichförmige, unmittelbare Anlage gegen Abdichtungsbereiche der jeweils benachbarten ringförmigen Schulter (17'» 17") geformt und der Strömungskanal (25*) am Kopfende des stromaufv/ärts gelegenen Zwischenkörpers (26') als Ventildichtung (23) für das Kugelelement (20), der Strömungs-

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kanal (25") am Kopfende des stromabwärts gelegenen Zwischenkörpers (26") dagegen so geformt ist, daß ein Teil der Stirnseite (27") als.Widerlager für die Feder (22) dient; und daß gegen die Rückseite jedes Zwischenkörpers (26·, 26") eine Abstützeinrichtung (30·, 30") fest anliegt, die mit dem Ventilkörper (10) derart in Eingriff steht, daß die Stirnseite (27¹, 27") jedes Kopf teils in abdichtende Berührung mit der betreffenden benachbarten ringförmigen Schulter (17·, 17") gepreßt ist.

2. Ventil nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Zwischenkörper (26·, 26") einen hülsenartigen Körper (28¹, 28") von wesentlich kleinerem Querschnitt als der Kopfteil aufweist und damit auf der Rückseite jedes Kopfteils eine ringförmige Schulter (29\ 29") bildet.

3. Ventil nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Abstützeinrichtungen (30¹, 30") einen spannfutterartigen Fortsatz (32*, 32") aufweist, der um den hülsenartigen Körper (28^f, 28") des betreffenden Zwischenkörpers paßt und der ringförmigen Schulter (29', 29") an der Rückseite des betreffenden Kopfteils auflagert.

4. Ventil nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Fortsätze (32», 32") ein Außengewinde (31·, 31") aufweist, das in entsprechendes Innengewinde (18', 18") an der Längsbohrung des

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Ventilkörpers (1Ο) eingreift, wodurch jede der beiden Abstützeinrichtungen formschlüssig iait dem Ventilkörper (10) verbunden ist.

5. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite (17*, 17") des Kopfteils jedes der beiden Zvischenkörper (26¹, 26ⁿ) im wesentlichen eben ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite (27*, 27") des Kopfteils jedes der beiden Zwischenkörper (36·, 36") im wesentlichen konisch mit großem stumpfem Konuswinkel geformt ist.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite (37¹, 37") des Kopfteils jedes der beiden Zwischenkörper (36·, 36") eine im wesentlichen sphärische Kontur, ähnlich der einer konvexen Linse hat.

8. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am äußeren Ende jedes Zwischenkörpers (26·, 26") der Strömungskanal (25', 25") eine nach außen divergierende konische Gestalt aufweist, die derjenigen des Dichtungskonus der Armatur eines Hochdruckschlauchs angepaßt ist, und daß jede Abstützeinrichtung eine mit dem betreffenden Strömungskanal fluchtende, mit Innengewinde versehene Vertiefung (33¹, 33") für den Eingriff mit einer solchen Armatur aufweist.

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9. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am äußeren Ende des stromaufwärts gelegenen Zwischenkörpers (36¹) der Strömungskanal, zu einer sich nach außen erweiternden, kegeistumpfförmigen Aussparung (41·) ausgebildet ist, die eine einheitliche Abdichtfläche bildet, während demgegenüber die Breite des Strömungskanals am äußeren Ende des stromabwärts gelegenen Zwischenkörpers (36")geringer erweitert ist, so daß sich eine einheitliche Dichtfläche an dessen äußerer Stirnseite (40) bietet.

10. Ventil nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Stirnseite (40) als stumpfwinkliger, kegelstumpfförmiger Vorsprung mit einem Neigungswinkel von mindestens 10° gegenüber einer senkrecht zur Hauptachse (12) des Ventils verlaufenden Ebene ist.

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