DE2818633A1

DE2818633A1 - Regelventil

Info

Publication number: DE2818633A1
Application number: DE19782818633
Authority: DE
Inventors: Vladimir Jonak
Original assignee: Alfa Laval AB
Current assignee: Alfa Laval AB
Priority date: 1977-05-20
Filing date: 1978-04-27
Publication date: 1978-11-30
Also published as: CA1089839A; US4208031A; GB1591485A; JPS6154986B2; SE411791B; FR2391408A1; DK221578A; JPS53145122A; DK154984B; DE2818633C2; DK154984C; SE7705951L

Description

Regelventil

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelventil, bei dem der verschiebliche Ventilkörper an einer Membranwandung aufgehängt ist, welche abdichtend eingeklemmt ist in dem Regelventilgehäuse und zwei Membranen voneinander trennt, die so gestaltet sind, daß sie während der Verwendung des Ventils zwei verschiedenen Drücken ausgesetzt sind.

Bei Ventilen dieser Art stellt die Ausgestaltung der oben genannnten Membranwandung ein Problem dar. Aus verschiedenen Gründen muß diese Membranwandung oft einen wesentlich größeren Durchmesser haben als der Teil des verschieblichen Ventilkörpers, welcher an der Membranwandung befestigt ist. Dies macht es schwierig j. eine hohe Regelgenauigkeit bei einem solchen Ventil zu erzielen. Genauer gesagt, besteht das Problem darin, daß die Membranwandung gleichzeitig zwei verschiedene Charakter ristika haben muß„ nämlich einerseits mechanische Festigkeit und andererseits flexible Nachgiebigkeit im Verhältnis zu kleinen Druck schwanken gea zwischen äaa swei Räumen auf jeder Seite der

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Ein zusätzliches Problem entsteht, wenn die Membranwandung in Kontakt stehen soll mit einem Prozeßfluid, wobei die Forderung nach einer hygienischen Konstruktion der Membranwandung und des gesamten Regelventils besteht, was bedeutet, daß die Prozeßfluidseite des Ventils keine Räume aufweisen darf, die für ein Reinigungsfluid schwer zugänglich sind. Außerdem darf praktisch keine Gefahr in Bezug auf ein Lecken von Prozeß» oder Steuerfluid durch diejenigen Teile der Membranwandung bestehen, wo diese an dem Ventilgehäuse und an dem Ventilkörper befestigt ist, insbesondere falls das Regelventil in der Lebensmittelindustrie verwendet werden soll.

Bei einem bekannten Druckregelventil besteht die Membran aus einer einzigen,, verhältnismäßig dicken Membran, wobei der zentrale Teil derselben einen verschieblichen Ventilkörper abstützt,, welcher ein Teil umfaßt, das dazu vorgesehen ist, einen Kanal durch einen Ventilsits su öffnen und zu schließen. Obwohl man große Mühen aufgewandt hat, um ein spesiellss Membranmaterial mit guten Festigkeitseigenschaften su findea„ und obwohl man eins verhältnismäßig dicke Membran verwendet hat, was ausserordentlich teuer wind, hat man bisher kein Regelventil vorsehen können, welches über eine lange Zeitdauer ohne die Ge= fahr von Brüchen infolge von Membranermüäung verwendet werden kann= Ein weiteres wenig sufriedenstellenäes Merkmal dieses bekannten Ventils besteht in einer ungenügenden DäEipfmg fer

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Bewegungen der Membran und in den großen Änderungen der Strömung durch das Ventil, was dazu führt, daß die Membran flattert, was weiter dazu beiträgt, die Betriebsdauer infolge von Materialermüdung zu verringern.

Vom hygienischen Standpunkt aus gesehen ist das bekannte Ventil keineswegs zufriedenstellend. Um einen Bruch der Membran selbst nach einer kurzen Betriebsdauer zu verhindern, muß die Ventilgehäusewand von der Stelle an, wo die Membran festgespannt ist, die Membran unter einem sehr kleinen Winkel verlassen, um in der Lage zu sein, bei bestimmten Druckverhältnissen einen beachtlichen Teil der Membran abzustützen. Die hier-

durch ausgebildeten engen Taschen zwisqhen der Membran und der Ventilwandung können nur äußerst schwer mit einem Reinigungsfluid erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird ein Regelventil vorgesehen, welches die oben erläuterten Nachteile vermeidet. Das erfindungsgemäße Ventil zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion und durch eine zuverlässige Wirkungsweise aus und ir>i in erster Linie durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruches Charakteri s i ort.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein

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besonders einfach und sicher arbeitendes Regelventil erhalten, wenn die Stutζelemente in dem Raum zwischen den zwei Membranen frei eingesetzt sind zwischen Nuten am Umfang des Ventilgehäuses und Nuten in dem verschieblichen Ventilkörper. Durch
diese Ausführungsform wird erzielt, daß die Stützelemente, die frei eingesetzt sind zwischen die Nuten ohne irgendwelche
Befestigungseinrichtungen, vollständig festgelegt sind mit
Bezug auf die umgebenden Membranen, da deren äußere und
innere Enden die Nuten an dem Umfang bzw. dem Zentrum der
Membranwandung nicht verlassen können.

Für jede der von der Membranwandung eingenommene Stellung wer den die beiden Membranen sich auf den Stützflächen abstützen,
welche von allen steifen Stützeleraenten zusammen gebildet wer den= Dadurch werden die beiden Membranen in effektiver Weise
entlastet, und das Ventil kann über lange Zeiträume in Betrieb bleiben, ohne daß die Gefahr eines Membranbruches besteht, und zwar selbst dann nicht, wenn dünne billige Membranen verwendet werden. Durch die Erfindung ist eine Membranwandung vorgesehen worden, die praktisch durch Deformation nicht beschädigt werden kann, aber dennoch einen zentralen Teil hat, in dem der
verschiebliche Ventilkörper aufgehängt ist und der leicht
verbiegbar ist in der Bewegungsrichtung des Ventilkörpers, um
so genau und schnell seine Position einzunehmen entsprechend

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den auf den beiden Seiten der Membranwandung vorherrschenden Drücken.

Da die verformenden Belastungen auf den Membranen durch die Stützelemente stark verringert werden, ist nur ein kleiner Umfangsteil einer jeden Membran notwendig zum Einklemmen zwischen beispielsweise zwei Teilen des Ventilgehäuses. Dank der Erfindung ist es nicht mehr notwendig, Teile der Ventilgehäusewandung dazu zu verwenden, irgendeinen ausgebeulten Teil der Membranwandung abzustützen. Somit kann ein beliebiger Winkel zwischen der Membran und der Gehäusewandung am Umfang der Membran zugelassen werden, und die oben erwähnten schwer zugänglichen Taschen können vermieden werden. Der Umstand, daß die Membranwandung nach der Erfindung doppelte Membranen umfaßt, bietet den weiteren Vorteil im Hinblick auf die Sicherheit und die Hygiene, nämlich den, daß bei einem Bruch der Membran ein Lecken nur in den Zwischenraum zwischen den Membranen geschieht, vorausgesetzt, daß die eine der Membranen vor der anderen versagt. In geeigneter Weise kann auch ein Abzugskanal aus dem Zwischenraum zwischen den Membranen vorgesehen werden, wobei dieser Abzugskanal gegebenenfalls mit einem Leckanzeiger verbunden werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Regelventils nach der Erfindung hat jedes Stützelement die Form eines Kreis-

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sektors mit abgeschnittener Spitze, wobei die Stützelemente so angeordnet sind, daß wenn sie sich in ein und derselben Ebene befinden, sie eine kreis- oder ,ringförmige Scheibe ausbilden. Die Stützelemente sind vorzugsweise frei in die Nuten in der Membranwandungsperipherie bzw. in den verschieblichen Ventilkörper eingesetzt.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere vorgesehen zur Anwendung bei sogenannten direkt wirkenden Druckregelventilen, hauptsächlich Konstantdruckventilen. Durch Anwendung der Erfindung für Ventile der zuletzt genannten Art sind bereits ausgezeichnete Resultate erzielt worden. Bei dieser Art von Ventilen, deren Zweck es ist, den Druck eines Prozeßfluids bei veränderlicher Strömung durch das Ventil konstant zu halten, ist eine Seite der Membran dem Druck des in Rede stehenden Prozeßfluids ausgesetzt, während die andere Seite der Membran dem Druck des Regelfluids ausgesetzt ist. Das Regelfluid kann sowohl aus einem Gas als auch aus einer Flüssigkeit bestehen.

Die Erfindung kann auch bei anderen Arten von Ventilen verwendet werden, beispielsweise bei Konstantströmungsventilen.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen

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Fig. 1 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Druckregelventils zeigt,

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Stützelemente und der durch diese gebildeten Stützfläche zeigt, wenn diese sich in einer Ebene befinden,

Fig. 3 die entsprechende Stützfläche in einer ausgebeulten Stellung zeigt,

Fig. 4 eine bevorzugte Membrankonstruktion und

Fig. 5 . eine Schnittansicht der Membran der Fig. 4 zeigt.

In der Ausführungsform nach der Fig. 1 ist die Membranwandung zwischen dem Ventilgehäuse 1, welches einen Einlaß 18 und einen Auslaß 19 für ein Prozeßfluid hat, und dem Ventilgehäusedeckel 2 eingeklemmt, der eine Verbindungsöffnung 17 für ein Steuerfluid besitzt. Die Membranwandung ist in der ebenen Stellung gezeigt, die einer mittleren Position für den verschieblichen Ventilkörper 11, 20 entspricht, der darin aufgehängt ist. Die Membranwandung umfaßt eine obere Membran 6, die in Kontakt mit dem Steuerfluid ist, eine untere Membran 5, die in Kontakt mit dem Steuerfluid ist, eine Anzahl von Stützelementen 3, deren Stützfläche 4 am besten in der Fig. 2 gezeigt ist sowie zwei ringförmige elastische Abstandselemente 9, die die Zwischen-

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räume zwischen den Stützelementen und den Membranen 5 bzw. 6 ausfüllen. Diese Zwischenräume entstehen dadurch, daß die Membranen 5, 6 zwischen den beiden Seiten eines äußeren Ringes 7 und dem Ventilgehäuse 1 bzw. dem Deckel 2 sowie zwischen den beiden Seiten eines inneren Ringes 8 und einem Ansatz 10 der Ventilkörperachse 11 bzw. einem Ring 12 festgeklemmt werden. Zum Abführen und eventuellen Anzeigen eines Lecks in dem Raum zwischen den Membranen 5 und 6 ist ein Kanal 16 in dem äußeren Ring 7 vorgesehen, wobei der Kanal sich in einer Linie erstreckt mit einem entsprechenden Kanal 22, der an der Verbindungsstelle zwischen dem Ventilgehäuse 1 und dem Deckel 2 vorgesehen ist. Der verschiebliche Ventilkörper schließt ein Teil 20 ein, welches im Zusammenwirken mit einem Ventilsitz 21 dazu vorgesehen ist, die Verbindung zwischen dem Einlaß 18 und dem Auslaß 19 zu öffnen und zu schließen. Gleichzeitig dienen das Teil 20 und der Sitz 21 als Führung für den verschieblichen Ventilkörper ο Auch auf der anderen Seite der Membranwandung ist eine Führung vorgesehen für den Ventilkörper, wobei diese Führung aus einem Kolben 13 besteht, der auf die Ventilkörperachse 18 aufgeschraubt ist, um mit einem Zylinder 15 zusammenzuwirken, der in dem Deckel 2 ausgeibldet ist. Ein Dichtring 14 dient als Dichtung zwischen dem Kolben und dem Zylinder, wobei oben in dem Zylinder ein Luftkanal 23 vorgesehen ist. Durch geeignete Dimensionierung dieses Luftkanals 23 kann eine gewisse Dämpfung der Bewegung der Membranenwandung

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erzielt werden. Der Kolben 13 und der Ring 12 werden auch dazu verwendet, die Membranen 5 und 6 und den inneren Ring 8 gegen den Ansatz 10 der Ventilkörperachse 11 festzulegen.

Die Gestaltung der Stützelemente 3 und der durch diese gebildeten Stützfläche 4 in der Ausführungsform der Fig. 1 ist am bestehen in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Nach diesen Figuren sieht jedes Stützelement 3 eine Stützfläche vor, welche die Form eines Kreissektors mit abgeschnittener Spitze besitzt. Aus Herstellungs- als auch aus Betriebsgründen hat jedes Stützelement eine gleichförmige Dicke.

Die Fig. 3 zeigt eine relative Stellung zwischen den Stützelementen der Fig. 2_f wenn die Membranwandung eine ausgebeulte Stellung eingenommen hat, d.h. wenn der Ventilkörper 11, 20 aufwärts oder abwärts in Bezug auf die in Fig. 1 gezeigte Stellung bewegt worden ist. Hierbei ist festzuhalten, daß die oberste Position des Ventilkörpers bestimmt wird durch den Kontakt des Kolbens 13 mit der Oberseite des Zylinders 15, während die unterste Position bestimmt wird durch den Auflagekontakt zwischen dem Teil 20 und dem Sitz 21, wenn der Auslaß 19 völlig geschlossen ist. Ohne in der Lage zu sein, die zwei Nuten in den Ringen 7 bzw. 8 zu verlassen, werden die Stützelemente 3 daher in jeder Stellung des Ventilkörpers 11, 20 eine steife kreisförmige oder etwas konische Stützfläche für

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die Membranen in einem Stützsystem bilden, welches praktisch unabhängig von den Membranen 5 und 6 arbeitet. Damit die sektorförmigen Stützelemente frei in,den Nuten der zwei Ringe verschwenken können, sind die Ränder an den beiden Enden der Stützelemente in geeigneter Weise abgerundet.

Die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ermöglicht eine sehr sichere Betriebsweise des Regelventils, da alle Belastungen, die die Membranen verformen oder beschädigen könnten, durch die Stützelemente zu dem Ventilgehäuse und dem Ventilkörper übertragen werden. Die Vorteile im Hinblick auf die Hygiene und die Sicherheit gegen Lecken sind bereits herausgestellt worden. Schließlich solJ.te noch festgehalten werden, daß das Regelventil der Fig. 1 über eine lange Zeit getestet worden ist, wobei es sehr zufriedenstellend als ein Konstantdruckventil in einem Srömungssystem gearbeitet hat, welches eine große Variationsbreite in der hindurchtretenden Fluidmenge aufwies. Diese Vorteile sind sogar noch bedeutender, wenn die sehr einfache Ventilkonstruktion berücksichtigt wird.

Die Abstandselemente 9, die zwischen den Membranen 5 und 6 und den Stützelementen 3 angeordnet sind, sind vorzugsweise aus einem elastischen Material hergestellt, um mit den anderen Teilen der Membranwandung zusammenzuwirken, um ein kombiniertes Dämpfungssystem auszubilden. Andererseits und vorzugsweise

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können Membranen, die Ansätze auf einer ihrer Seiten besitzen, durch diese Ansätze in direktem Kontakt mit den Stützelementen angeordnet werden.

Eine derartige bevorzugte Membranenkonstruktxon ist in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Die Membran 30 besitzt eine äußere ringförmige ebene Oberfläche 31 und eine innere ringförmige ebene Oberfläche 33, die jeweils gegen die oben erwähnten äußeren und inneren Ringe 7 bzw. 8 geklemmt werden. Zwischen den Oberflächen 31 und 33 besitzt die Membran auf einer ihrer Seiten eine Anzahl von dünnen Rippen 32, die konzentrisch mit Bezug zueinander angeordnet sind. Diese Membrankonstruktion bringt verschiedene Vorteile mit sich. Da eine gewisse elastische

Ausdehnung der Membran notwendig ist, da die Stützfläche zunimmt, wenn sie sich von einer ebenen Stellung in eine ausgebeulte Stellung bewegt, besteht die Gefahr, daß die elastische Deformation der Membrane lokalisiert wird auf das Zentrum und den Umfang der Membran, wo sie eingeklemmt ist. Die Rippen sorgen jedoch infolge eines Gleitens oder möglicherweise eines Verbiegens gegen die Stützelemente für eine gleichförmige Verteilung der elastischen Deformation über die Membran. Außerdem wird die Membran durch die Rippen verstärkt, ohne ihre Flexibilität zu verlieren. Schließlich trägt die Reibung infolge der gegenseitigen Einwirkung zwischen den Rippen und der Stützfläche dazu bei, gute Dämpfungseigenschaften für das bewegliche System des Ventils vorzusehen.

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Die steifen Stützelemente können aus jedem ausreichend steifen Material hergestellt werden. So kann metallisches Material, wie Messing, Bronze oder rostfreier StahJ. verwendet werden, jedoch auch steifes Kunststoffmaterial, insbesondere Kunststoffe mit verstärkenden Fasern wie Glasfasern. Falls kreisSektorförmige Stützelemente ausgewählt werden, ist zu beachten, daß ein kleiner Zwischenraum zwischen jedem einzelnen Element notwendig ist, selbst wenn die Stützelemente in ein und derselben Ebene angeordnet sind.

Die Membranen können aus jedem flexiblen Material hergestellt sein. Eine interessante Membranart, die zusätzlich zu der Dichtungsfunktion auch zu der Dämpfungi der Membranwandung beiträgt, ist eine Membran aus einer gefalteten Platte, etwa einer rostfreien Platte. Die Membran ist dann so ausgeführt, daß sie einen ebenen ümfangsteil und einen gefalteten zentralen Teil besitzt, wobei die Faltung an die gewünschte Verformung im Betrieb angepaßt ist. Falls das durch das Regelventil hindurchzuführende Prozeßfluid von besonders korrodierender Art ist, kann die mit dem Prozeßfluid in Kontakt befindliche Membran mit einem schützenden Überzug versehen werden. Als Beispiel sei Polytetrafluoräthylen (Teflon) erwähnt.

Obwohl das erfindungsgemäße Regelventil eine sehr lange kontinuierliche Betriebsdauer ermöglicht, sollte zur Hervorhebung der Einfachheit der Ventilkonstruktion erwähnt werden, daß das

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Ventil beispielsweise für Inspektionen oder zum Ersetzen der Membran sehr leicht auseinandergenommen werden kann. Zunächst wird der Deckel 2 von dem Ventilgehäuse 1 abgenommen, beispielsweise indem eine ringförmige Klemmeinrichtung gelöst wird, welche die Flansche des Deckels 2 und des Ventilgehäuses 1 aneinander klemmt und gleichzeitig die Membranen 5, 6 gegen jede Seite des äußeren Ringes 7 klemmt. Dann ist nur noch der Kolben 13 abzuschrauben, wonach sämtliche im Ventil befindlichen Einzelteile voneinander gelöst sind. Die Stützelemente 3 können einfach entfernt werden, da die relative Bewegung zwischen den zwei Ringen 7 und 8 in der axialen Richtung nicht mehr beschränkt ist.

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Claims

Patentansprüche

/I J Regelventil mit einer Membranwandung, die dichtend eingeklemmt ist in einem Ventilgehäuse, wo sie zwei Kammern voneinander trennt, die mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagbar sind, und mit einem Ventilkörper, welcher an einem zentralen Teil der Membranwandung befestigt und dazu eingerichtet ist, unter Einwirkung auf einen Ventilsitz der axialen Bewegung der Membranwandung zu folgen, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranwandung zwei separate Membrane (5, 6), d.h. eine auf jeder Seite der Wandung angrenzend an die entsprechende Kammer, und eine Anzahl von steifen Stützelementen (3) umfaßt, die mit Bezug aufeinander frei oder leicht verbiegbar sind und die zwischen den Membranen (5, 6) angeordnet sind, wobei ein Ende
verschwenkbar mit dem Ventilgehäuse (1, 2) und das gegenüberliegende Ende verschwenkbar mit dem Ventilkörper (11, 20) verbunden ist, so daß axiale Belastungen auf den Membranen (5, 6)

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ORIGINAL INSPECTED

durch die Stützelemente (3) zu dem Gehäuse (1, 2) und dem Ventilkörper (11, 20) übertragen werden.
2. Regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Stützelement (3) die Form eines Kreissektors mit vorzugsweise abgeschnittener Spitze besitzt und daß die Stützelemente (3), wenn sie sich in ein und derselben Ebene befinden zusammen eine kreisförmige oder ringförmige Scheibe (4) ausbilden.
3. Regelventil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet? daß die Stützelemente (3) frei in Nuten eingesetzt sind, die am Umfang der .Membranwandung bzw. im Zentrum vorgesehen sind.
4. Regelventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (3) eingesetzt sind zwischen einer kreisförmigen Nut, die in einem äußeren Ring (7) vorgesehen ist, welcher auf beiden Seiten von den Membranen (5, 6) umgeben ist und in Anlage gegen diese eingespannt ist im Ventilgehäuse (1, 2), und daß eine kreisförmige Nut vorgesehen ist in einem inneren Ring (8), der in entsprechender Weise im Ventilkörper (11, 20) vorgesehen ist.

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5. Regelventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Abstandselemente (9) aus einem elastischen Material zwischen den Stützelementen (3) und jeder Membran eingesetzt sind.
6. Regelventil nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Membran (5, 6) Ansätze (32) auf einer seiner Oberflächen besitzt und daß die Membranen über diese VorSprünge (32) in direktem Kontakt mit den Stützelementen (3) stehen.
7. Regelventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze (32) aus dünnen, vorzugsweise kreisförmigen Rippen bestehen.
8. Regelventil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanal (22, 16) vorgesehen ist, um den Raum zwischen den Membranen (5, 6) mit dem Äußeren des Gehäuses zu verbinden.
9. Regelventil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (5, 6) und eine zwischen den Membranen angeordnete Trageinrichtung (8) für die Stützelemente (3) gegen einen Ansatz (10) auf dem verschieblichen Ventdlkörper (11, 20) mit Hilfe eines Kolbens (13) ge-

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klemmt sind, der an dem Ventilkörper befestigt ist, wobei der Kolben auch im Zusammenwirken mit einem in dem Ventilgehäuse ausgebildeten Zylinder (15) als Führung für den Ventilkörper (11, 20) dient.

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