DE2904810A1

DE2904810A1 - Drei- oder mehrwegventil

Info

Publication number: DE2904810A1
Application number: DE19792904810
Authority: DE
Inventors: Torgny Larsson; Goesta Mundt; Hans Paamertz; Rolf Strand
Original assignee: Tour and Andersson AB
Current assignee: Tour and Andersson AB
Priority date: 1978-02-09
Filing date: 1979-02-08
Publication date: 1979-10-04
Also published as: SE414960B; DE2904810C2; SE7801507L

Description

PATENTANWALT DIPL. ING. H. ST3OHSCHÄNK 8OCC MÜNCHEN 60 · MUSÄUSSTRASSE 5 ■ TELEFON (0 89) 881608

8.2.1979-SSe(6) 188-1530P

TOUR & ANDERSSON AKTIEBOLAG

Drei- oder Mehrwegventil

Die Erfindung bezieht sich auf ein der Gattung des Patentanspruchs 1 entsprechendes Drei- oder Mehrwegventil.

Es ist bekannt, daß alle üblichen Strömungsventile einen verhältnismäßig eng begrenzten Regelbereich besitzen, der als das Verhältnis zwischen dem in der Regel bei am weitesten geöffnetem Ventil erreichten größtmöglichen Durchsatz und dem bei nahezu geschlossenem Ventil noch zuverlässig regelbaren kleinstmögliehen Durchsatz definiert ist. Der noch regelbare Minimalwert stimmt somit nicht mit dem bei ganz geschlossenem Ventil bewirkten Durchsatz Null überein, denn innerhalb eines zu Beginn der Öffnungsbewegung bzw. am Schluß der Schließbewegung des Ventils vorhandenen Bereiches strömt bereits eine entsprechend kleine Menge des Strömungsmediums durch das Ventil, die aber in ihrer Größe nicht mehr zuverlässig regelbar ist. Erst oberhalb eines bestimmten, nachstehend anhand eines Diagrammes noch erläuterten Durchsatzes ist eine zuverlässige Mengenregelung des Durchsatzes möglich.

Da häufig die Aufgabe besteht, die Durchströmung eines Ventils auch bis zu einem sehr kleinen Durchsatz herab genau re-

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geln zu können, sind für einfache Durchgangs- oder Absperrventile bereits verschiedene Maßnahmen bekanntgeworden, um einen bis in einen sehr kleinen Durchsatzbereich hin vergrößerten Regelbereich zu ermöglichen. So kann man beispielsweise zwei unterschiedlich große Ventile parallel schalten, von denen das kleinere so klein bemessen ist, daß es sich in der gewünschten Weise auch bei einem entsprechend kleinen Durchsatz noch zuverlässig regeln läßt. Von einer solchen praktisch ausgeführten Ventilanordnung betrug der maximale Durchsatz des größeren Ventils beispielsweise 10m /min, während der maximale Durchsatz des kleineren Ventils nur 1 m /min betrug. Damit konnte der bei einem üblichen einfachen Absperrventil etwa 1 : 25 betragende Regelbereich also im Verhältnis 1 : 10 vergrößert werden. Abgesehen davon, daß eine zwei parallelgeschaltete Ventile aufweisende Ventilanordnung aufwendig und sowohl bezüglich der Installation als auch bezüglich der Bedienung umständlich ist, besteht auch die Gefahr, daß der Regelverlauf durch infolge der notwendigen Strömungsverzweigungen bedingte Wirbelbildungen gestört wird, überdies weisen die bekannten Maßnahmen zur Erzielung eines vergrößerten Regelbereiches den weiteren Nachteil auf, daß sie sich nicht für die hier betroffenen Drei- oder Mehrwegventile eignen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein der Gattung des Patentanspruchs 1 entsprechendes Drei- oder Mehrwegventil so zu vervollkommnen, daß auch bei ihm ein vergrößerter Regelbereich erzielt wird.

Die gestellte Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 wiedergegebene Maßnahme gelöst.

Bei einem so ausgebildeten Drei- oder Mehrwegventil ergibt sich der vergrößerte Regelbereich bei der axialen Regelbewegung der einzigen Ventilspindel nahe deren Schließstellung ganz von selbst. Zu Beginn ihrer Öffnungsbewegung wird zunächst der

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zugleich einen Ventilsitz für das zweite Ventil bildende erste Teil des Abschlußkörpers von dessen zweitem Teil im Sinne einer Eröffnung des zweiten Ventils wegbewegt, woraufhin dann im Verlaufe der weiteren Öffnungsbewegung der Ventilspindel erst der zweite, den Äbschlußkörper des ersten Ventils bildende Teil des Abschlußkörpers vom zugeordneten Ventilsitz entfernt wird, und umgekehrt.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet .

Durch die US-PS 750 321 ist zwar bereits ein Abschlußkörper eines einfachen Absperrventils bekanntgeworden, der in sich ein kleineres zweites Ventil aufnimmt. Dieses Ventil dient jedoch nicht zu einer Vergrößerung des Regelbereiches, sondern lediglich zur Druckentlastung gegenüber einem erheblichen Differenz-Dampfdruck im Augenblick der ersten Öffnungsbewegung des Ventils.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigen:

Fig. 1 ein den Regelbereich eines üblichen Ventils veranschaulichendes Diagramm;

Fig. 2 ein als Dreiwegeventil mit vergrößertem Regelbereich ausgebildetes Ventil in einem Axialschnitt;

Fig. 3 einen den Abschlußkörper des Ventils veranschaulichenden vergrößerten Teilausschnitt der Fig. 2.

Das in Fig. 1 dargestellte Diagramm zeigt in einem kartesischen Koordinatensystem eine logarithmische Regelung entlang einer Kurve 10, wobei die Abszisse nach rechts den zunehmenden Abstand des iii seine öffnungsstellung bewegten Abschlußkörpers vom zugeordneten Ventilsitz mid die Koordinate den mit .zunehmender öffnung zunehmenden Durchsatz des Ventils veranschaulicht.

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Wie ersichtlich, läuft die logarithmische Kurve 10 von ihrem Maximalwert 11 aus nach unten links bis zu einem Minimalwert 12, bis zu dem hin gerade noch eine zuverlässige Regelung möglich ist. Unterhalb des Minimalwertes 12 fällt die Kurve 10 entlang einer gegenüber zuvor umgekehrten Krümmung 13, der ein nicht mehr zuverlässig regelbarer Durchsatzbereich Q . zugeordnet ist, bis zum Nullpunkt des Koordinatensystems ab. Als Regelbereich des Ventils ist das Verhältnis des vorgenannten minimalen Durchsatzes Q . zum maximalen Durchsatz ζ) „ an der vorgenannten

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Stelle des Maximalwertes 11 der Kurve 10 definiert. Wenn dieser Regelbereich bei üblichen Ventilen auch von der Ventilkonstruktion und insbesondere von der Herstellungsgenauigkeit des Ventils sowie von weiteren Umständen abhängt, insbesondere vom Leitungsverlauf vor und nach dem Ventil, der infolge von Krümmungen, Änderungen der lichten Weite und dergl. zu störenden Wirbelbildungen führen kann, so daß ein und dasselbe Ventil in einer unterschiedlichen Anordnung recht unterschiedliche Regelbereiche aufweisen kann, so kann man bei üblichen Ventilen doch hinreichend angenähert von einem durchschnittlichen Regelbereich von 1 : 25 ausgehen. Indessen ist ein so kleiner Regelbereich nicht nur bei einfachen Absperrventilen, sondern auch bei Drei- und Mehrwegventilen häufig unzureichend und es mangelte bisher insbesondere an letztgenannten Ventilen, die einen vergrößerten Regelbereich zulassen wurden.

Ein nunmehr vorgeschlagenes Dreiwegeventil mit vergrößertem Regelbereich weist gemäß Fig. 2 ein übliches Ventilgehäuse 20 mit drei Anschlußstutzen 21, 22 und 23 sowie mit einer Nabe 24 auf, in der eine aus dem Ventilgehäuse 20 in üblicher Weise herausführende Ventilspindel 25 längsverschiebbar geführt ist.

Dabei verlaufen die beiden Anschlußstutzen 21 und 23 in einer Querrichtung zur Ventilspindel 25,, während der Anschlußstutzen 22 von der der Nabe 24 gegenüberliegenden Seite des Ventilgehäuses 20 ausgeht. Am inneren Ende der Ventilspindel 25 ist ein -Teil 2-6 eines Sbschlu&körpers starr festgelegt. Dieser Abschluß-

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körper ist zur besseren Veranschaulichung seiner Wirkungsweise in den Fig. 2 und 3 jeweils auf seiner linken Seite in der vollständigen Abschlußstellung des Ventils und auf seiner rechten Seite in einer nachstehend noch näher erläuterten Stellung dargestellt, bei der ein zwischen dem Teil 26 und einem weiteren Teil 33 des Abschlußkörpers gebildetes kleineies zweites Ventil gerade ganz geöffnet ist. Wegen seiner rechts und links unterschiedlich dargestellten Lage ist die rechte Hälfte des Teils 26 mit 26' und die linke Hälfte desselben mit 26" sowie die rechte Hälfte einer den Teil 26 an der Ventilspindel 25 festliegenden Rohrniete mit 27' und deren linke Hälfte mit 27" bezeichnet. Dabei geht aus den Fig. 2 und 3 hervor, daß der zweite Teil 33 des Abschlußkörpers 26, 33 den eigentlichen, über einen Außenflansch 32 mit einem an einem Ventilsitzring 28 befindlichen Ventilsitz 31 zusammenwirkenden Abschlußkörper bildet. Der Ventilsitzring 28 ist mittels eines Außengewindes 29 in eine entsprechende Gewindebohrung einer das Ventilgehäuse schräg durchsetzenden Zwischenwand 30 eingeschraubt, so daß der mit dem Anschlußstutzen 21 verbundene Raum des Ventils bei ganz abgeschlossenem Abschlußkörper 26, 33 gegenüber den weiteren, mit den Anschlußstutzen 22 und 23 verbundenen Räumen des Ventils abgesperrt ist.

Weiterhin ist aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, daß der erste Teil 26 des Abschlußkörpers 26, 33 an seinem freien Ende selbst einen Abschlußkörper bildet, der mit einem am inneren Ende des Anschlußstutzens 22 befindlichen Ventilsitz 43 zusammenwirken kann. An sich ist die Durchströmung des beschriebenen Ventils in ganz beliebiger Weise möglich. Es hat sich jedoch gezeigt, daß etwa auftretende Klappergeräusche dann am besten vermieden werden, wenn das zugeführte Strömungsmedium durch den Anschlußstutzen 21 zugeführt wird. Je nach der Stellung des Abschlußkörpers 26, 33 wird das an der Stelle des Ventilsitzringes 28 hindurchströmende Strömungsmedium dann entweder allein dem Anschlußstutzen 23 oder in einer von der Stellung des Abschluß-

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körpers 26, 33 abhängigen Abstufung zunehmend auch dem Anschlußstutzen 22 zugeführt. Indessen ist es aber auch möglich, durch den Anschlußstutzen 22 ein weiteres Strömungsmedium zuzuführen, welches dann je nach der Stellung des Abschlußkörpers 26, 33 durch den Anschlußstutzen 23 abströmen kann und bei mehr oder weniger geöffneter Stellung des mit dem Ventilsitzring 28 zusammenwirkenden Abschlußkörpers 26, 33 mit dem vom Anschlußstutzen 21 zuströmenden Strömungsmedium vermischt wird.

Wie insbesondere aus Fig. 3 hervorgeht, ist der Teil 33 des Abschlußkörpers 26, 33 auf der Ventilspindel 25 zwischen dem Teil 26 und einem in einer Ringnute 35 derselben festgelegten Sprengring 34 längsverschiebbar. Von den einander zugekehrten Stirnseiten der beiden Teile 26 und 33 geht jeweils eine in dieselben hineinführende konzentrische Ringnute 36 bzw. 37 aus und in diesen miteinander fluchtenden Ringnuten 36 und 37 ist eine als Schraubendruckfeder ausgebildete Feder 38 geführt, durch welche der Teil 33 in der aus Fig. 3 rechts ersichtlichen Weise nach dem Sprengring 34 hin vorgespannt wird.

Weiterhin ist insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, daß in der Ventilspindel 25 von der Ringnute 35 aus nach dem freien Ende der Spindel hin über deren Umfang verteilt einige Längsnuten 39 vorgesehen sind, von denen in Fig. 3 die beiden Längsnuten 39' und 39" sichtbar sind. Dabei sind die Längsnuten 39 etwas kürzer als die axiale Länge des Teils 33, der an seiner dem Teil 26 zugekehrten Stirnseite radial einwärts der Ringnute 37 einen die Ventilspindel 25 mit Abstand umgebenden konzentrischen Zylindermantel 40 bildet, der mit seinem freien Ende etwas über die dortige Stirnfläche des Teils 33 hinausragt. An der zugekehrten Stirnfläche des Teils 26 befindet sich eine zugeordnete, innerhalb des Zylindermantels 40 etwas nach dem Teil 33 hin abgesetzte Ringfläche 41, die als Ventilsitz in der in den Fig. 2 und 3 links dargestellten Abschlußstellung eine zuverlässige Abdichtung gegenüber dem durch den Zylindermantel 40 gebildeten Ab-

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schlußkörper eines zweiten kleinen Ventils herbeiführt, das die durch die Längsnuten 39 und den Ringraum 42 gebildete enge Durchströmungsöffnung steuert.

Das beschriebene Dreiwegeventil arbeitet folgendermaßen:

Wenn sich die Ventilspindel 25 in ihrer (nicht dargestellten) inneren Endstellung befindet, dann sitzt der am äußeren Ende der Ventilspindel 25 am Teil 26 gebildete Abschlußkörper am Ventilsitzring 43 auf und schließt damit die Verbindung zum Anschlußstutzen 22 ab. Sugleich befindet sich das durch den Teil 33 des Abschlußkörpers 26, 33 und den Ventilsitz 31 am Ventilsitzring 28 gebildete erste Ventil in seiner vollen Öffnungsstellung, da der am Sprengring 34 (vgl. die rechte Seite der Fig. 2 und 3) abgestützte Teil 33 mit der Ventilspindel 25 vom Ventilsitz 31 am weitesten abgehoben ist. Das durch den Anschlußstutzen 21 zuströmende Strömungsmedium strömt damit ganz dem Anschlußstutzen 23 zu, wobei der größte Teil des Strömungsmediums zwischen dem Außenumfang des Teils 33 und dem Ventilsitzring 28 hindurchströmt. Wegen der gleichzeitigen Öffnungsstellung des kleinen zweiten Ventils kann ein kleiner Teil des Strömungsmediums aber auch entlang den Längsnuten 39 sowie durch den Ringraum 42 und den zwischen den beiden Teilen 26 und 33 vorhandenen Spalt 44 nach dem Anschlußstutzen 23 hin strömen.

Man hat es in der Hand, durch die Formgebung des äußeren Umfanges der Teile 26 und 33 die gewünschte Regelcharakteristik zu erreichen, die sich bei einer Bewegung der Ventilspindel 25 aus deren vorgenannter inneren Endstellung bis zu deren in den Fig. 2 und 3 links dargestellten äußeren Endstellung (und umgekehrt) ergibt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der äußere Umfang des Teils 33 derart sphärisch gekrümmt, daß sich an dem ersten, gegegenüber dem Ventilsitzring 28 gebildeten Ventil die in Fig. 1 dargestellte logarithmische Regelcharakteristik ergibt.

Wird die Ventilspindel 25 aus der vorgenannten inneren Endstellung nach außen verschoben, dann entfernt sich damit der

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Teil 26 des Abschlußkörpers 26, 33 vom Ventilsitz 43, während zugleich der zwischen dem Teil 33 und dem Ventilsitzring 28 vorhandene Durchströmungs-Ringquerschnitt verkleinert wird. Der aus den Fig. 2 und 3 rechts ersichtliche Durchströmungsquerschnitt des zunächst noch in seiner ganz geöffneten Stellung befindlichen kleinen Ventils wird an den äußeren Enden der Längsnuten 39 lediglich durch die Abstützung des Teils 33 am Sprengring 3 4 beeinträchtigt. Von dem Augenblick ab, wo der Teil 33 mit seinem Außenflansch 32 am Ventilsitz 31 aufsitzt, wird der Sprengring 3 4 mit der weiteren Auswärtsbewegung der Ventilspindel 25 jedoch vom Teil 33 entfernt, womit dann für die Durchströmung des kleinen Ventils zunächst der volle Durchströmungsquerschnitt der Längsnuten 39 zur Verfügung steht. Gewünschtenfalls können die äußeren Enden der Längsnuten 39 auch so erweitert werden, daß der Sprengring 34 keine Drosselung der Durchströmung verursacht.

Wenn die Ventilspindel 25 nach dem Aufsitz des Außenflansches 32 auf dem Ventilsitz 31 weiter nach außen verschoben wird, dann nähert sich damit auch die abgesetzte Ringfläche 41 der Stirnfläche des Zylindermantels 40, so daß bei der weiteren Auswärtsbewegung der Ventilspindel 25 an dieser Stelle eine zunehmende Drosselung entsteht. Aber auch diese, im Bereich Q . der Fig. 1 vor sich gehende Drosselung bleibt zum größten Teil zuverlässig regelbar, so daß sich dadurch insgesamt für die Durchströmung des Ventilsitzringes 28 ein gegenüber üblichen einfachen Ventilen erheblich vergrößerter Regelbereich ergibt. Geschlossen ist auch das kleine zweite Ventil dann, wenn der Teil 26 bei der fortlaufenden Auswärtsbewegung der Ventilspindel 25 mit der Ringfläche 41 schließlich am Zylindermantel 40 dicht aufsitzt, womit zugleich der Auswärtshub der Ventilspindel 25 beendet und die Durchströmung des Ventilsitzringes 28 ganz abgesperrt ist.

Beim öffnen des Ventils verbleibt der Teil 33 aufgrund der

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— ^ —

SlA

Kraft der Feder 38 mit seinem Außenflansch 32 zunächst dicht am Ventilsitz 31 und es beginnt sich zunächst lediglich das kleine Ventil in genau umgekehrter Weise zu öffnen, wie es vorstehend für dessen Schließbewegung beschrieben wurde. Infolgedessen ergibt sich auch zu Beginn der öffnung des Ventils zunächst eine zuverlässige Regelbarkeit kleinster Durchströmungsmengen im Bereich Q . gemäß Fig. 1.

Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, daß selbst der bei ganz geschlossenem ersten Ventil an demselben auftretende Differenzdruck nicht dazu in der Lage ist, auch nur einen der beiden Teile 26 und 33 aus der in den Fig. 2 und 3 links dargestellten Schließstellung herauszubewegen. Durch die Ventilspindel 25 bleibt nämlich stets der durch die Rohrniete 27 starr mit ihr verbundene Teil 26 dicht gegen den einen starren Bestandteil des Teiles 33 bildenden Zylindermantel 40 gepreßt, während der Teil 33 hierbei mit seinem Außenflansch 32 am Ventilsitz 31 abgestützt ist.

Besonders vorteilhaft ist, daß das beschriebene Ventil mit vergrößertem Regelbereich so konstruiert ist, daß ein im übrigen völlig unverändert bleibendes Ventilgehäuse 20 eines Dreiwegeventils verwendet werden kann. Durch den Einbau des aus den beiden Teilen 26 und 33 zusammengesetzten Abschlußkörpers ergibt sich auch keine etwaige Verkleinerung der bei Verwendung eines üblichen einteiligen Abschlußkörpers gegebenen Durchströmungskapazität. Auch ändert sich nichts an der Bedienung des Ventils, so daß eine das Ventil von Hand über die Ventilspindel 25 betätigende Person gar nicht spürt, wenn beispielsweise beim öffnen des Ventils erst nach voller öffnung des kleinen zweiten Ventils das große erste Ventil zu öffnen beginnt. Trotzdem ist ein Regelbereich ermöglicht worden, der gegenüber dem üblichen Regelbereich von etwa 1 : 25 bis zu einem Regelbereich von etwa 1 : 300 vergrößert ist. Zudem ist die ganze Ven-

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ti!konstruktion auffallend einfach und leicht herstellbar geblieben.

Bei der Beschreibung des Ausführungsbexspiels wurde davon
ausgegangen, daß in der Ventilspindel mehrere Längsnuten 39
vorgesehen sind. Entsprechend dem gewünschten Durchströmungsquerschnitt kann unter Umständen aber auch schon eine einzige Längsnute ausreichen, die, wie auch die übrigen Längsnuten
selbstverständlxch statt in der Ventilspindel 25 auch im Teil 33 entlang deren Bohrung verlaufen könnte. Ebenso könnte der
Außenumfang der Teile 26 und 33 zur Bildung irgendeiner anderen gewünschten Regelcharakteristik des Ventils anders als dargestellt und beschrieben ausgebildet sein.

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(f.)Drei- oder Mehrwegventil, mit dem sowohl die Menge des das Ventil durchsetzenden Mediums durch eine erste Kombination von Ventilöffnungen als auch die Verteilung dieses Mediums zwischen zwei oder mehr Ein- bzw. Auslassen steuerbar ist und das einen Abschlußkörper aufweist, der am inneren Ende einer den zugeordneten Ventilsitz durchsetzenden und auf der dem Abschlußkörper abgelegenen Seite durch das Gehäuse hindurch nach außen ragenden Ventilspindel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , daß der in an sich bekannter Weise in sich ein kleineres zweites Ventil aufnehmende Abschlußkörper (26, 33) außer einem mit dem Ende der Ventilspindel (25) starr verbundenen ersten Teil (26) einen auf derselben längsverschiebbaren und durch eine am ersten Teil (26) abgestützte Feder (38) nach dem zugeordneten Ventilsitz (31) hin vorgespannten zweiten Teil (33) aufweist, der um einen ihn achsparallel durchsetzenden engen Durchströmungskanal (39, 42) herum zugleich einen Abschlußkörper (Zylindermantel 40) bildet, der bei einer Schließbewegung der Ventilspindel (25) aus ihrer Öffnungsendstellung nach Abstützung des zweiten Teils (33) am Ventilsitz

(31) auf dem mit der Ventilspindel (25) mitbewegten, zugleich den Ventilsitz (Ringfläche 41) des zweiten Ventils bildenden ersten Teil in seiner bei der äußeren Endstellung der Ventilspindel (25) eingenommenen Abschlußstellung dicht aufsitzt.

2, Ventil nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß der er-

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2 :-· ι ,·. ρ. ι ο

ste Teil (26) auf seiner dem zweiten Teil (33) abgelegenen Seite zugleich einen zweiten, mit einem weiteren, am Gehäuse (20) des Ventils angeordneten Ventilsitz (43) zusammenwirkenden Abschlußkörper bildet.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (38) als in je einer konzentrischen Ringnute (36 bzw. 37) der beiden Teile (26 und 33) geführte Schraubendruckfeder ausgebildet ist.

4. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der enge Durchströmungskanal aus mindestens einer entlang der Ventilspindel (25) verlaufenden, in derselben oder im zweiten Teil (33) vorgesehenen Längsnute (39) und aus einem dieselbe nach dem ersten Teil (26) hin verlängernden inneren Ringraum (42) des zweiten Teils (33) besteht.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (42) einen gegenüber dem Durchströmungskanal größeren Durchströmungsquerschnitt aufweist.

6. Ventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (26) als Ventilsitz des zweiten Ventils eine axial abgesetzte, innen passend in den Ringraum (42) eingreifende und außen zur Abstützung eines den Abschirmkörper des zweiten Ventils bildenden Zylindermantels (40) des zweiten Teils (33) dienende Ringfläche (41) aufweist.

7. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungshub des ersten Teils (26) gegenüber dem zweiten Teil (33) durch einen an der Ventilspindel (25) befindlichen Anschlag (Sprengring 34) begrenzt ist.

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