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Hydraulische Stoßbremse für Rohrlei-
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tungssysteme Die Erfindung betrifft eine hydraulische Stoßbremse
für Rohrleitungssysteme, bestehcnd aus einem flüssigkeitsgeffillten, geschlossenen
Druckzylinder und einem darin verschiebbaren Hohlkolben, dessen Kolbenstange den
einen Deckel des Druckzylinders durchquert und mit der zu dämpfenden Rohrleitung
oder einem festen Widerlager zu verbinden ist, während der Druckzylinder an dem
Widerlager bzw. der Rohrleitung zu befestigcn ist, wobei die einander gegenüberstehenden
Stirnwä1-le
des Hohlkolbens Schließventile aufweisen, die eine Strömungsverbindung
des Kolbeninneren mit den beiden außerhalb des Kolbens liegenden Zylinderräumen
herstellen und Kriechbewegungen des Kolbens zulassen, rasche Kolbenbewegungen dagegen
hemmen und wobei die Kolbenstange von einem sie umgebenden, einerseits an dem genannten
Zylinderdeckel, andererseits am Kolben festgelegten Dichtungsbalg gegenüber der
Druckflüssigkeit abgedichtet ist, während der Ringraum zwischen Kolbenstange und
Dichtungsbalg mit der Atmosphäre in Verbindung steht.
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Derartige Stoßbremsen sind beispielsweise durch die DE-OS i7 21 890
bekannt. Sie dienen vor allem in Kraftwerken und kerntechnischen Anlagen dazu, Rohrleitungssysteme
mit den Gebäudeteilen dieser Anlagen zu verbinden. Die Funktion der Stoßbremsen
besteht darin, langsame, in der Regel wärmedehnungsbedingte Kriechbewegungen er
Rohrleitung ohne nennenswerte Behinderung zuzulassen, andererseits aber rasche,
stoßartige Bewegungen, beispielsweise aufgrund von Wasserschlag oder Erdbeben, zu
unterbinden und wie eine starre Halterung zu wirken, damit die Rohrleitiingen nicht
relativ zu den Gebäudeteilen schwingen und damit nicht Leitungsstöße unmittelbar
in das Gebäudeinnere, beispielsweise zu einem Reaktor, durchschlagen können. Soweit
im Zusammenhang mit stoßartigen Bewegungen von einem Blockieren gesprochen wird,
ist zu beachten, daß dabei langsame Kriechbewegungen des Kolbens zulässig sind,
insbesondere um einen Druckabbau bei unter Last stehender Stoßbremse zu ermögliciien.-An
diese Stoßbremsen werden insbesondere bei Eignung für kern technische Anlagen hohe
Ati1orci'.rungen gestellt. Dabei sind von entscheidender Bedeutung: Strahienfestigkeit
der verwendeten Werkstoffe,
Wartungsfreiheit bei hoher Lebensdauer
und eine Auslegungstemperatur von etwa 150 0C.
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Durch die DE-OS 27 21 890 werden diese Forderungen zwar erfüllt. Doch
erfordert diese Konstruktion vor allem bei großer Nennlast wegen des Dichtungsbalges,
der zum hermetischen Abschluß des Druckzylinders gegenüber der Atmosphäre notwendig
ist, eine große axiale Baulänge. Dementsprechend muß die Führung der Kolbenstange
und die Befestigung des Dichtungsbalges ein beträchtliches Stück vom eigentlichen
Zylinderraum weg nach außen versetzt werden.
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Hiervon ausgehend, liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,
Stoßbremsen, die auf dem eingangs beschriebenen Prinzip beruhen, dahingehend zu
verbessern, daß sie sich unter Beibehaltung der Wartungsfreiheit und der kostengünstigen
Konstruktion durch kompaktere Abmessungen (kleinere Baulänge und kleinere Durchmesser,
insbesondere bei größeren Nennlasten) auszeichnen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß zwei Konstruktionen
vorgeschlagen, deren Gestaltungsmerkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1
und 5 stehen. Beide Lösungen beruhen auf der Erkenntnis, daß bei gleicher Nennlast
der Stoßbremse dann wesentlich kleinere Dichtungsbälge für die Kolbenstange verwendet
werden können, wenn man den Balg gegenüber dem bei hoher Belastung der Stoßbremse
auftretenden Druck
der Hydraulikflüssigkeit abschirmt. Der Balg
wird dadurch druckentlastet, kann in dünnerer Wandsärke ausgefijhrt werden und verfügt
somit über eine wesentlich höhere Flexibilität, d. h., daß er bei wesentlich geringeren
Abmessungen dieselbe Hubbewegung der Stoßbremse aufzunehmen vermag. Er kann aufgrund
seiner Druckaistützung ohne Rücksicht auf den maximal auftretenden hydraulischen
Druck für höchste Flexibilität und damit kürzeste Baulänge der gesamten Stoßbremse
ausgelegt werden. Selbst die Verwendung eines hochflexiblen, relativ teuren Membranbalges
kann vorteilhaft sein, wenn die Kosteneinsparungen aufgrund verkürzter Baulänge
der Stoßbremse die Mehrkosten des Membranbalges übersteigen. Ein weiterer, insbesondere
für kerntechnische Anwendungen bedeutsamer Vorteil liegt darin, daß der Dichtungsbalg
aufgrund seiner geringeren Beanspruchung eine wesentlich höhere Bruchlastspielzahl
aufweist und damit die Lebensdauer der Stoßbremse verlängert und daß die Stoßbremse
gegen unvorhergesehene Uberlastungen weniger anfällig ist, da sich der Systemdruck
nicht auf den Balg auswirkt.
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Beim ersten Lösungsvorschlag, der sich an der bekannten Bauform des
Hohlkolbens orientiert, erfolgt die Druckabstützung des Dichtungsbalges durch ein
den Balg umgebendes Rohr, wobei der zwischen dem Rohr und dem Balg gebildete Ringraum
mit dem Innenraum des Kolbens in Verbindung steht. Die letztgenannte Maßnahme stellt
siclier, daß es auch dann zu keinem nennenswerten Druckaufbju am Dichtungsbalg kommen
kann, wenn
Druckflüssigkeit durch cile Gleitdichtung zwischen Zylinderdeckel
und Rohr hindurch in den Ringraum strömt. Denn aufgrund der Verbindung zwischen
Ringraum und Kolbeninnerem lfann sich im Ringraum praktisch kein Uberdruck einstellen.
Zwar führt eine Durchströmung längs der Gleitdichtung mit der Zeit zu einer minimalen
Kriechbewegung des Kolbens. Diese Kriechbewegung ist aber in der Praxis erwünscht,
da man einen allmählichen Druckabbau innerhalb der Stoßbremse anstrebt und lediglich
ein kurzzeitiges Blockieren verlangt wird.
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Für die Führung des Rohres in einer am Zylinderdeckel befestigten
Gleitdtchtung bestehen verschiedene M')g lichkeiten. So kann das Rohr beispielsweise
in einem Axialdichtring des Zylinderdeckels verschiebbar geführt sein. Es besteht
jedoch auch die im Anspruch 2 erwähnte Möglichkeit, indem mit teleskopartig zusammenfahrbaren
Rohren gearbeitet wird.
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Durch die Merkmale des Anspruches 4 ergibt sich vor allem ein herstellungstechnischer
Vorteil, da die Verwendung des Ringraumes zwischen Kolbenstange uiid Dichtungsbalg
zur Entlüf-ng des im Kolben angeorcneten Ausgleichsbalges billiger ist als eine
Längsbohrung durch die gesamtc Kolbenstange hindurch.
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Der zweite Lösungsvorschlag basiert ebenfalls auf dein Prinzip der
Druckabstützung des Dichtungsbalge 5.
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kommt bei einer Ausbildung des Hohlkolbens als Tandem-
Kolben
in Anwendung. Dabei dient das im Durchmesser gegenüber seinen Kolben reduzierte
Verbindungsrohr einerseits zur Bildung von zwei Druckräumen zwischen den Kolben-Stirnwänden
und einer als Lochscheibe ausgebildeten Zylinder-Trennwand, andererseits ::ur hermetischen
Abschirmung dieser Druckräume gegenüber dem Dichtungsbalg. Die Ausbildung des Hohlkolbens
als Tandem-Kolben hat gegenüber der vorbeschriebenen Lösung den Vorteil der Symmetrie,
d. h., daß in beiden Richtungen der Kolbenverschiebung gleiche Flüssigkeitsmengen
verdrängt werden und infolgedessen auch ff jr beide Richtungen Schließventile gleicher
Dimensionierung eingebaut werden können. Im Gegensatz dazu ist bei der Ausführung
mit einfachem Hohlkolben der <uerschnitt des von der Kolbenstange durchquerteN
Zylinderraumes geringer als der des anderen Zylinderraumes und infolgedessen sind
auch die bei Vorwärts-und Rückwärtsverschiebung des Kolbens verdrängten Flüssigkeitsmengen
ungleich. Zum Ausgleich müssen Ventile verwendet werden, deren Öffnungsquerschnitt
auf die unterschiedlichen Durchströmmengen abgestimmt sind, um in beiden Richtungen
die gleiche Kolbengeschwindigrkei U sicheræustellen.
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Die Merkmale des Anspruches 6 nützen den Raum innerhalb des als Tandern-Kolben
ausgebildeten Hohlkolbens optimal aus, da der Dichtungsbalg über einen Großteil
seiner Länge innerhalb des Hohlkolbens verläuft.
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Beiden Lösungsvorschlägen ist im übrigen noch der Vorteil gemeinsam,
daß durch die erfindungsgemäße Trennung der beiden Balfunktionen Drucklestigkeit
und Flexibilität mit we:entlich höherem :ystemdruck gearbeitet werden kann. Das
bedeutet, daß die Kolbendurchmesser verringert werden können und die erfindungsgemäßen
Stoßbremsen nicht nur axial, sondern auch radial kleiner baut. Schließlich ergibt
sich durch den dünnwandigeren Dichtungsbalg auch eine höhere Flexibilität, d. h.,
daß bei Auslenkung des Kolbens aus seiner Mittelposition heraus die Rückstellkräfte
geringer sind.
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Die Ansprüche 8 bis 10 betreffen eine besonders vorteilhafte Ausbildung
des Schließventiles. Es zeichnet sich dadurch aus, daß dieses Ventil auf die Strömungsgeschwindigkeit
der Hydraulikflüssigkeit anspricht und nicht, wie im Falle der Sitzventile, auf
Druckdifferenz.
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Durch die geringe Masse dieses Ventils ist seine Funktion lageunabhängig.
Dadurch wird der für das Schließen erforderliche Druckverlust gegenüber einem Plattenventil
erheblich reduziert, die Stoßbremse kornait mit einer kleineren Wegamplitude bis
zum L'rreichen der Nennbelastung aus und erreicht bei höheren Lastfrequenzen eine
gleichmäßigere Belastung in beiden Endlagen.
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Weitere Merkmale und Vorteile des Anmeldungsgegenstandes ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsheispiele anhand der Zeichnung;
dabei zeigt:
Fig. 1 eine Stoßbremse gemäß dem ersten Lösungsvorschlag;
Fig. 2 eine Stoßbremse gemäß dem zweiten Lösungsvorschlag; Fig. 3 die vergrößerte
Darstellung der Schließventile in Form von Zungenventilen im Schnitt und Fig. 4
einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3.
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Fig. 1 zeigt einen Druckzylinder 1 und einen darin axial verschiebbaren
Hohlkolben 2. Die Kolbenstange 3 des Hohlkolbens 2 ist in einer Verlängerung 4 ihres
zugeilörigen Zylinderdeckels 1a axial verschiebbar geführt. Sie ist von einem Dichtungsbalg
5 umgeben, der mit seinem einen Ende am Kolben 2, mit seinem anderen Ende an der
Verlängerung 4 flüssigkeitsdicht befestigt ist. Der Dichtungsbalg 5 schließt den
mit Flüssigkeit gefüllten Zylinder 1 hermetisch gegenüber der Atmosphäre ab.
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Der Hohlkolben 2 weist an seinen beiden Stirnwänden 2a und 2b Schließventile
6 bzw. 7 auf, die in an sich bekannter Weise entgegengesetzte Schließrichtung aufweisen
und derart funktionieren, daß bei einer langsamen Bewegung der Kolbenstange 3, beispielsweise
in Pfeilrichtung, Druckflüssigkeit aus dem rechten Zylinderraum 8 durch das Schließventil
7 hindurch in den
Hohlkolben 2 und von dort über das Schließventil
6 in den linken Zylinderraum 9 strömen kann. Findet Jedoch eine Bewegung des Kolbens
2 in Pfeilrichtung statt, die schneller ist, als die Schließgeschwindigkeit, so
wird das Schließventil 7 durch das aus dem Zylinderraum 8 abströmende Druckmittel
einerseits und durch seine Massenträgheit andererseits gegen den Ventilsitz gedrückt,
womit der Durchfluß versperrt wird. Entsprechendes gilt in umgekehrter Richtung
für das Schließventil 6. Der Konstruktion nach können die Schließventile als Rückschlagventile
oder als Plattenventile ausgebildet sein. Entscheidend ist jeweils, daß sie bei
einem bestimmten Durchflußvolumen, also bei einer bestimmten Kolbengeschwindigkeit,
schließen.
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Diese an sich bekannte Stoßbremse ist erfindungsgemäß mit einer Druckabstützung
des Dichtungsbalges 5 versehen. Sie besteht aus zwei teleskopartig ineinanderfahrbaren
Rohrstücken 10 und 11, die mit ihren äußeren Enden an der Stirnseite 2b des Hohlkolbens
2 bzw. an der Führung 4 flUssigkeitsdicht festgelegt sind. Im Uberlappungsbereich
der beiden Rohrstücke 10 und 11 kann zusätzlich eine Dichtung vorgesehen sein. Der
zwischen den Rohrstücken 10 und 11 einerseits und dem Dichtungsbalg 5 andererseits
gebildete Ringraum 12 ist über zumindest eine Bohrung 13 in der Kolben-Stinwand
2b an den mit Druckflüssigkeit gefüllten Hohlraum im Kolben 2 angeschlossen. Dadurch
ist der Rit raum 12 Slr den Mechanismus des cannillernd druckloseln Volumenausgleiches
einbezogen, d. h., es ist sichergestellt,
daß Lecköl, das vom Zylinderraum
8 zwischen den beiden Rohrstücken 10 und 11 hindurch in den Ringraum 12 gelangt,
dort keinen Druck aufbauen kann. Der Dichtungsbalg kann daher unabhängig vom Systemdruck,
also unabhängig von der Nennlast der Stoßbremse, für höchste Flexibilität und kleinste
Abmessungen ausgelegt werden.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, auf das Rohrstück 11 zu verzichten,
wenn stattdessen das Rohrstück 10 im Bereich des Zylinderdeckels ia mit an sich
bekannten Maßnahmen abgedichtet wird.
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Der zwischen dem Dichtungsbalg 5 und der Kolbenstange 3 befindliche
Ringraum 14 wird zur Entlüftung des an sich bekannten, im Hohlkolben 2 angeordneten
Ausgleichsbalges 15 verwendet. Hierzu steht der Ringraum 14 an seinem einen Ende
über Querbohrungen in der Kolbenstange 3 und eine Axialbohrung in der Kolben-Stirnwand
2b mit dem Innenraum des Ausgleichsbalges 15 in Verbindung, während er an seinem
anderen Ende zur Atmosphäre hin offen ist. -Der in Fig. 2 dargestellte Lösungsvorschlag
zeigt einen Druckzylinder 20, der etwa in seiner Mitte eine mit der Zylinderwand
fest verbundene, sich radial nach innen erstreckende Trennwand in Form einer Lochscheibe
21 aufweist. Im Zylinder 20 läuft ein Hohlkolben 22, der aus zwei Kolben-Stirnwänden
22a und 22b
besteht, die zu beiden Seiten der Lochscheibe 21 angeordnet
sind und durch ein Rohr 23 miteinander verbunden sind. Das Rohr 23 ist im Durchmesser
reduziert und durchquert im Gleitsitz die Innenbohrung der Lochscheibe 21, während
die beiden Kolbeii-Stirnwände 22a und 22b an der Zylinderwand des Druckzylinders
20 anliegen.
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Die linke Kolben-Stirnwand 22a ist in ihrem Zentrum mit einer Kolbenstange
24 verbunden, die den Hohlkolben 22 durchquert und axial verschiebbar an dem zugeordneten
Zylinderdeckel 20a des Druckzylinders 20 geführt ist. Zur hermetischen Abdichtung
der Kolbenstange gegenber der im Zylinder befindlichen Druckflüssigkeit dient wiederum
ein die Kolbenstange umgebender Dichtungsbalg 25, der mit seinem einen Ende an der
Kolben-Stirnwand 22a, mit seinem anderen Ende am Zylinderdeckel 20a bzw. an der
hieran angeordneten Führung der Kolbenstange befestigt ist.
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Durch die Tandem-Konstruktion des Kolbens 22 befinden sich innerhalb
des Kolbens zwei Ringräume 26 und 27, die durch die Lochscheibe 21 und einen längs
ihrer Innenbohrung laufenden Dichtring voneinander getrennt sind. Außerhalb des
Kolbens 22 befinden sich beidseits Zylinderräume 28 und 29, die durch Bohrungen
30 und 31 in den beiden Kolben-Stirnwänden 22a bzw. 22b und durch einen Ringraum
32, der sich zwischen den Rohr 23 und dem darin laufenden al 25 erstreckt,
miteinander
verbunden sind. Die Räume 26, 27, 28, 29 und 32 sind mit Druckflüssigkeit gefüllt,
wohingegen der Ringraum zwischen der Kolbenstange 24 und dem Dichtungsbalg 25 mit
der Atmosphäre in Verbindung steht.
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Die Funktion is; folgende: Bewegt sich die Kolbenstange 24 langsam
in Pfeilrichtung, etwa durch thermisch bedingte Verlagerung der Rohrleitung, so
verkleinert sich der Ringraum 26, während sich der Ringraum 27 vergrößert. Die hierzu
erforderliche Abströmung von Druckflüssigkeit aus dem Ringraum 26 und Zuströmung
in den Ringraum 27 erfolgt über ein Schließventil 35, das in der als Zylindertrennwand
fungierennen Lochscheibe 21 eingebaut ist. Zugleich fließt aufgrund der Kolbenverschiebung
Druckflüssigkeit aus dem Ringraum 29 über den Ringraum 32 in den Zylinderraum 28.
Da die Volumenverringerung des Ringraumes 29 geringer ist als die Volumenzunahme
des Zylinderraumes 28, längt sich der im Zylinderraum 28 untergebrachte Ausgleichsbalg
37.
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Das Schließventil 35 hat dieselbe Funktion wie die Ventile 6 und 7
in Fig. 1. Es kann beispielsweise ein doppelt wirkender, federbelasteter Steuerschleber
sein, der in einer Radialbohrung der Lochscheitie 21 versclliebbar geführt ist und
zwei endständige Ventilstempel aufweist, deren Position auf die Position der axialen
Verbindungsbohrungen in die Ringräume 26 und 27 abgestimmt ist. Stattdessen könnte
selbstverständlich
auch mit Sitzventilen gearbeitet werden.
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Erreicht die Geschwindigi eit der Kolbenstange 24 die vorgegebene
Ansprechgeschwindigkeit, so schließt das Schließventil 35, im Ringraum 26 kann sich
ein Druck aufbauen und es entsteht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Zylinder
20 und Kolbenstange 24.
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Mit 36 ist ein Drosselventil bezeichnet, das ein langer anhaltendes
Blockieren der Stoßbremse bei anstehender Kraft verhindern soll. Dieses Drosselventil
führt zu einem allmählichen Druckausgleich zwischen den Ringräumen 26 und 27, wodurch
das Schließventil 35 wieder öffnen kallrl.
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Ferner sind in den beider Kolbel-',tirnwanden 22a urld 22b Rückschlagventile
33 bzw. 3il eiiigebaui. Sie lassen jeweils eine Strömung aus dem Ringraum 26 bzw.
27 in die äußeren Zylinderräume 28 bzw. 29 zu, blockieren jedoch eine Strömung in
umgekehrter Richtung. Ihre Funktion besteht darin, das Auftreten von Unterdruck
in den Ringräumen 26 und 27 zu verhindern.
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Beiden Lösungsvorschlägen ist der Vorteil gemeinsam, daß der Dichtungsbalg
unabhängig vom Systemdruck unter von der Nennbelastbarkeit der S@oßbromse auf höchste
Flexibilität und kürzeste Baulänge ausgelegt werden kann und daß aufgrund der Trennung
der beiden 3alg
funktionen Druckfestigkeit und Flexibilität die
Stoßbremse trotz kleinerer Abmessungen für höhere Belastungen gecignet ist.
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Pi Fig. 3 und 4 zeigen eine besonders günstige Ausgestaltung eines
Schließventiles. Dieses Schließventil eignet sich nicht nur für Stoßbremsen mit
dem in Fig. 1 dargestel!ten Hohlkolben ocler dem in Fig. 2 dargestellten Tandem-Kolben,
sondern auch für Stoßbremsch mit anderen Kolbenbauarten, wie etwa in Fig. 3 darit:estelJ.t.
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In den Fig. 3 und 4 ist mit 40 die Wand des Druckzylinders, mit 41
der darin axial verschiebbare Kolben und mit 42 die Kolbenstange bezeichnet. Der
Kolben teilt in an sich bekannter Weise 2 Druckräume im Druckzylinder ab.
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zur Bildung der Ventilöffnung des Schließventils ist der Kolben 41
von einem zylindrischen Einsatz in Form einer Hülse 45 durchquert. Die Hülse 45
weist beidseits des Kolbens überstchende, plane Stirnflächen auf, die a 1. VenLiisitz
für ein Zungenventil in Form einer Federstahl-Zunge 46 bzw. 47 dienen. Diese Zungen
sind als flache, etwa parallel zur Kolbenfläche laufende, innerhalb ihres ;;bene
konzen risch zu«Kolben gekrümmte, kreisringförmige Blechbänder ausgebildet und wirken
gleichzeitig als Ventilteller
sowie als Ventilfeder. Sie sind an
ihrem einen Ende am Kolben 41 festgelegt, und zwar zweckmäßig unter Zwischenlage
eines Distanzstückes 48 bzw. 19, dessen Höhe dem Überstand der Hülse 45 entspricht.
Dadurch wir ein "Kleben" der Zungen am Kolben verhindert. Mit ihrem freien Ende
laufen sie unter geringem Abstand über die Hülse 45 hinweg Die kreisringförmige
Ausbildung des Zungenventils hat den Vorteil, daß es trotz der beengten Einbauverhältnisse
am Kolben 41 eine relativ große Länge aufweisen kann und sich deshalb durch großc
Weichheit, also durch geringe Verschiebekräfte, auszeichnet. Die Anmelderin hat
festgestellt, daß zum Betätigen des Zu@-genventils etwo die halbe Druckdifferenz
aljsreicht wie bei herkömmlichen Sitzventilen und relativ schweren Piat tenventilen.
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In Fig. 3 sind der Hülse 45 zwei Zungen 46 und 47 zugeordnet, so daß
man ein in beiden Richtungen wirkendes Schließventil erhält.
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Damit es bei geschlossenem Zungenventil nicht zu einem langanhaltenden
Islockieren kommt, kann zweckmäßig eine mit dem Bezugszeichen 43 ungedeutete Drosselbohrung
im Kolben 41 angeordnet sein.
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Grundsätzlich bestcht dabei noch die zweckmäßige Möglichkeit, eine
schlitzförmige Ventilöffnung oder m@@rer@ Ventilöffnungen nebeneinander vorzuschen,
die mit derselben Zunge zusammenwirken. Man erhöht dadurch die Durchflußmenge, ohne
den für die Ansprechgeschwindigmaßgeblichen
Spalt zwischen Zunge
und Ventilsitz vergrößern zu müssen.
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Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Zungenventile besteht darin,
daß sie praktisch rnasselos sind und allein auf die Strömungsgeschwindigkeit reagieren.
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Die stoßbremse wird dadurch lagenunabhängig. Auch ist die Schließgeschwindigkeit
der Ventile nahezu unabhängig von der Temperatur, da sich die Dichte der Druckflüssigleit
mit det Temperatur kaum verändert.