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Wenn nur der Nebenzähler läuft, befindet sich der Teller stromauf
vor dem Drosselring, und, wenn Haupt- und Nebenzähler laufen, befindet sich der
Teller stromab hinter dem Drosselring. Wenn das Schließorgan in Richtung der Schließstellung
bewegt wird, ist an diesem einerseits die Federkraft und andererseits eine dieser
entgegenwirkende Druckkraft wirksam, die der durch die Drosselung zwischen dem Teller
und dem
Drosselring entstehende, auf dem durch den Teller vergrößerten
Gesamtquerschnitt des Schließorgans lastende einseitige Überdruck erzeugt. Der Abstand
zwischen dem Teller und dem Drosselring ist so bemessen, daß eine Weiterbewegung
des Schließorgans in Schließrichtung erst dann erfolgt, wenn der Gesamstrom von
Haupt- und Nebenzähler unter den Wert gesunken ist, der zum Öffnen erforderlich
war. Ist dies der Fall, so passiert der Teller den Drosselring, der freie Durchgangsquerschnitt
wird schlagartig erweitert, die dem Federorgan entgegenwirkende Kraft fällt dadurch
steil ab und ermöglicht ein beschleunigtes Schließen des Ventils. Das Öffnen des
Ventils erfolgt ebenfalls schlagartig, da mit einer Bewegung des Schließorgans sofort
eine Drosselung zwischen dem Teller und dem Drosselring erfolgt, so daß das Schließorgan
zwangsläufig durch die sich ergebende Erhöhung der Druckdifferenz mit seinem Teller
den Drosselring passiert. Hinsichtlich der Umschaltpunkte des Hauptzählers bei steigender
und fallender Belastung arbeitet das bekannte Umschaltventil voll befriedigend und
gibt bei dem vorgesehenen Umschaltpunkt den Durchfluß durch den Hauptzähler frei.
Da beim Öffnen jedoch die Feder zusammengedrückt wird, erhöht sich ihre Kraft, und
die geforderte Druckverlustentlastung im geöffneten Zustand erfolgt nur durch die
Vergrößerung des Schließquerschnittes um den Querschnitt des Tellers an dem Schließorgan,
vermindert jedoch durch die größere Kraft der verkürzten Feder. Dabei ist bei kleingehaltenem
Teller des Schließorgans die Druckentlastung nach dem Öffnen gering und die sich
daraus zum Öffnen und Schließen ergebende Notwendigkeit eines durch eine schwächere
Feder bedingten, sehr kleinen Ringspalts zwischen dem Teller und dem Drosselring
nachteilig. Eine Vergrößerung des Tellers bringt zwar eine bessere Druckentlastung
nach dcm Öffnen, der Querschnitt des Ringspalts kann jedoch wegen der erforderlichen
Einhaltung der Umschaltpunkte nicht beliebig vergrößert werden, da der Ringspalt
infolge des größeren Umfangs des Tellers in Umfangsrichtung entsprechend länger
wird. Dadurch ergeben sich sehr enge Ringspalte, die bei Einschwemmung von kleinen
Fremdkörpern die freie Bewegung des Schließorgans behindert oder dieses blockieren.
Schon bei nicht vermeidbaren, kleineren Ablagerungen an der zum Querschnitt relativ
großen Oberfläche ergeben sich deutliche Querschnittsminderungen, was wiederum eine
ungünstige Verschiebung der Schaltpunkte zur Folge hat. Um einer derartigen Verschiebung
der Schaltpunkte des Hauptzählers entgegenzuwirken, wird das Federorgan entsprechend
stark oder mit einer abgestuften Federkennlinie durch mehrere Federn ausgelegt.
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Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit nur einem
einzigen und schwächeren Federorgan die dem Strömungsdruck der Meßflüssigkeit entgegenwirkende
Kraft aufzubringen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die kennzeichnenden
Merkmale von Anspruch 1 vorgeschlagen.
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Es ist zwar bekannt (DE-AS 15 50370), auf einem ortsfesten Lagerteller
einen zylindrischen Schließring eines eine Umfangsöffnung aufweisenden, durch einen
Thermostaten gesteuerten Mischventils zu führen, doch wird durch die Erfindung der
Vorteil erreicht, den bei einem Umschaltventil ziemlich hohen dynamischen Strömungsmitteldruck
der sich in der Hauptleitung bewegenden Strömung zum Schließen durch den Schließring
aufzufangen und nicht unmittelbar axial auf das Federorgan wirksam werden zu lassen.
Dies kann deshalb entsprechend schwächer ausgelegt werden.
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Außerdem ist nur eine einzige Feder erforderlich.
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Vorteilhafterweise ist die Eintrittsöffnung in einem an dem Gehäuse
befestigten Lagerring eines Lagerkörpers vorgesehen, der nach innen vorspringende
Rippen aufweist, an denen in axialer Richtung und stromab gegenüber dem Lagerring
versetzt der Lagerteller angeordnet ist. Der Lagerkörper ist ein einstückiger Kunststoffteil,
auf den das Schließorgan glockenartig aufgesetzt und gegenüber dem das Schließorgan
axial hin- und herbewegbar ist. Es ergibt sich so eine erhebliche fertigungstechnische
Vereinfachung zur Herstellung des Umschaltventils.
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Zweckmäßigerweise ist das Schließorgan durch ein hydraulisches Stellglied
bewegbar, das als zentrale Kolben/Zylinder-Einheit oder als Rollring am Umfang des
Lagertellers angeordnet ist und mindestens in der Schließstellung des Schließorgans
unter dem Differenzdruck des Hauptstroms und des Nebenstroms bzw.
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Gesamtstroms steht, Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß die aktive
Querschnittsfläche des »Kolbens« gegenüber der des Tellers des Drosselorgans so
ausgelegt werden kann, daß die Druckentlastung nach dem Öffnen trotz Verwendung
nur einer einzigen, schwachen Feder so wirkungsvoll ist, daß der Ringspalt des Drosselorgans
ziemlich groß gewählt werden kann.
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Dies hat den weiteren Vorteil, daß hinsichtlich der Lagerung und Führung
des Schließorgans größere Fertigungstoleranzen bestehen. Gleichzeitig kann eine
relativ schwache Feder verwendet werden, zumal auch der Strömungsdruck des Hauptstroms
keine stromab gerichtete Axialkraft auf das glockenartige Schließorgan ausübt und
die Feder beim Schließen keine entsprechend große Kraft zu überwinden hat.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen
Unteransprüchen unter Schutz gestellt.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben,
die anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden. Es zeigen F i
g. 1 bis 3 drei unterschiedliche Ausführungsbeispiele des Umschaltventils im Längsschnitt,
wobei es in der oberen Hälfte geschlossen und in der unteren Hälfte geöffnet dargestellt
ist.
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In F i g. I bis 3 ist ein Gehäuse 10 des Umschaltventils gezeigt,
an das eine nicht dargestellte Hauptleitung angeschlossen ist, die von einem Hauptzähler
einen Hauptstrom 11 zuführt. Ein Nebenstrom 12 wird von einem Nebenzähler über eine
nicht dargestellte Nebenleitung zugeführt. Mit 13 ist der Gesamtstrom der Meßflüssigkeit
bezeichnet, der aus dem Umschaltventilgehäuse 10 austritt. Die Nebenleitung zweigt
vor dem Hauptzähler ab, hat ein Rückschlagventil und führt stets Meßflüssigkeit.
Bei beiden Ausführungsbeispielen werden der Hauptstrom 11 und der Nebenstrom 12
an einem Ende des Gehäuses 10 zugeführt, während das andere Ende den Auslaß des
Gesamtstroms 13 aufweist.
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Im Bereich des Anschlußflansches für die nicht dargestellte Hauptleitung
hat das Gehäuse 10 eine Ausdrehung 14 zur Anordnung eines Lagerkörpers 15, der koaxial
in das Gehäuse 10 einschiebbar ist.
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Der Lagerkörper 15 umfaßt einen in der Ausdrehung 14 befestigten
Lagerring 16 mit radial nach innen verlaufenden Rippen 17. Zwischen den Rippen 17
ist die Eintrittsöffnung 18 für den Hauptstrom 11 vorgesehen.
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Im Zentrum des Lagerkörpers 15 ist an den innen liegenden Enden der
Rippen 17 ein Zylinder 19
angeordnet, der an den stromab weisenden
Enden der Rippen 17 von einem Lagerteller 20 umschlossen ist.
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Zwischen dem Lagerring 16 und dem Lagerteller 20 bzw. den Rippen 17
befinden sich radiale Ventilöffnungen 21 für den Hauptstrom 11.
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Der Lagerkörper 15 mit dem Lagerring 16, den Rippen 17, dem Zylinder
19 und dem Lagerteller 20 ist einstückig, vorzugsweise aus Kunststoff, hergestellt.
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Der Lagerteller 20 hat an seinem Umfang eine zylindrische Lagerfläche
22, in der gemäß F i g. 1 eine Ringnut 23 für einen O-Dichtungsring 24 ausgebildet
ist, der mit einer PTFE-Ummantelung in Form eines Gleitrings 25 versehen ist. Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 ist in der Lagerfläche 22 eine längere Nut
26 für einen Rollring 27 einer Rollringdichtung vorgesehen.
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Auf der in Richtung des Gesamtstroms 13 weisenden Seite des Lagertellers
20 und des Zylinders 19 können nicht dargestellte radiale Verstärkerungsrippen vorgesehen
sein.
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Der Zylinder 19 hat eine in Richtung des Hauptstroms 11 weisende
Druckabnahmeöffnung 28 mit einem sich an diese stromab erstreckenden Zylinderraum
29 von gleichem Durchmesser wie die Druckabnahmeöffnung 28. Als Hubbegrenzer für
ein Schließorgan 35 hat der Zylinderraum 29 eine nach innen vorspringende Schulter
30. Das stromab bzw. in Richtung des Gesamtstroms 13 weisende Ende des Zylinders
19 ist durch einen Boden 31 mit einer konzentrischen Lagerbohrung 32 verschlossen.
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In der Lagerbohrung 32 ist ein Kolben 33 des Schließorgans 35 des
Umschaltventils axial hin- und bewegbar geführt. Der Kolben 33 weist im Bereich
der Druckabnahmeöffnung 28 innerhalb des Zylinderraums 29 einen Kolbenteller 34
auf, der von dem Druck des Hauptstroms 11 beaufschlagt ist. An der Rückseite des
Kolbentellers 34 ist unter Abstand von dem Kolben 33 ein zylindrischer Bund 36 angeordnet,
auf dessen Außenseite ein Rollring 37 einer Rollringdichtung gelagert ist, der in
der geöffneten Stellung des Schließorgans 35 von der Rückseite des Kolbentellers
34 unter Anlage an der Schulter 30 gehalten wird, wodurch der Öffnungshub des Schließorgans
35 begrenzt ist.
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Zwischen der Rückseite des Kolbentellers 34 und dem Boden 31 des
Zylinders 19 ist eine den Kolben 33 umschließende Schraubendruckfeder 38 angeordnet,
die an der Rückseite des Kolbentellers 34 in den Zwischenraum zwischen dem Kolben
33 und dem zylindrischen Bund 36 reicht.
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An dem stromab bzw. in Richtung des Gesamtstroms 13 weisenden Ende
des Zylinders 19 hat das Schließorgan 35 eine zum Boden 31 parallele Platte 39,
die mit dem Kolben 33 verschraubt ist. An den Umfang der Platte 39 schließt sich
glockenartig ein Teil 40 des Schließorgans 35 an, wobei der glockenartige Teil 40
mit einem zylindrischen Abschnitt über den Lagerteller 20 greift und in einen Schließring
41 ausläuft, der in der Schließstellung des Schließorgans 35 die Ventilöffnungen
21 abdeckt. Der zylindrische Abschnitt des glockenartigen Teils 40 und der Schließring
41, haben eine nach innen weisende zylindrische Oberfläche 42, die mit der Lagerfläche
22 in Eingriff steht. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 liegt der PTFE-Gleitring
25 an der Oberfläche 42 an. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 rollt der
Rollring 27 der Rollringdichtung auf der Oberfläche 42 ab. In dem glockenartigen
Teil 40 sind Druckausgleichsöffnungen 43 vorgesehen, durch die der Gesamtdruck 13
in den Innenraum des glockenartigen Teils 40 auf der stromab weisenden Seite des
Lagertellers 20 gelangen kann.
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Die Stirnseite 44 des Schließringes 41 ist radial ausgebildet und
gegenüber einem ringförmigen, elastisch nachgiebigen Sitz 45 axial verstellbar,
der an einem elastischen Dichtungselement 46 ausgebildet ist.
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Das Dichtungselement 46 ist an dem Lagerring 16 angeordnet und derart
ausgebildet, daß beim Öffnen des Umschaltventils die Stirnseite 44 des Schließringes
41 länger mit dem ringförmigen Sitz 45 in Eingriff steht als der ringförmige Sitz
45 beim Schließen des Umschaltventils mit der Stirnseite 44 in Eingriff kommt. Hierzu
kann das Dichtungselement 46 auf der dem Sitz 45 abgewandten Seite einen Druckraum
47 aufweisen, der unmittelbar oder über einen Verbindungskanal von dem Druck des
Hauptstroms 11 beaufschlagt ist Bei beiden Ausführungsbeispielen ist das Dichtungselement
46 zwischen dem Lagerring 16 und einem Gehäusering 48 in der Ausdrehung 14 des Gehäuses
10 gehalten.
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Der zylindrische Abschnitt des glockenartigen Teils 40 ist von einem
radialen Teller 49 eines Drosselorgans 50 umschlossen, das an dem Gehäuse 10 einen
Drosselring 51 aufweist. Der Drosselring 51 kann über einen zylindrischen Teil mit
Durchgangsbohrungen für den Nebenstrom 12 mit dem Gehäusering 48 verbunden sein,
so daß ein Einschub 52 für das Gehäuse 10 gebildet ist, der durch einen O-Ring 53
den Nebenstrom 12 gegenüber dem Gesamtstrom 13 abdichtet. Der Einschub 52 ist ebenso
wie der Lagerkörper 15 von der Seite des Hauptstroms 11 her in das Gehäuse 10 einschiebbar
und dort in der Ausdrehung 14 durch den Lagerring 16 fixierbar. Das Drosselorgan
50 hat einen genau kalibrierten Ringspalt. Beiderseits des Tellers 49 können radiale
Rippen angeordnet sein, die den glockenartigen Teil 40 und insbesondere dessen Schließring
41 zur Aufnahme erhöhter radialer Kräfte verstärken.
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Der glockenartige Teil 40 nebst der Platte 39, des Schließringes
41 und des Tellers 49 kann aus einem Stück, insbesondere aus-Kunststoff, bestehen.
Dabei wird der glockenartige Teil 40 in einem einzigen Arbeitsgang durch Formpressen
erstellt und ist ohne weitere Nachbearbeitung mit dem Kolben 33 verbindbar und damit
auf den Lagerkörper 15 montierbar, der zusammen mit dem Schließorgan 35 axial in
das Gehäuse 10 einsetzbar ist. Es entsteht so eine leicht montierbare Einheit.
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Bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Umschaltventil
im wesentlichen den gleichen Aufbau wie bei dem Gemäß F i g. 2. In Richtung des
Hauptstroms 11 ist jedoch der Zylinder 19 durch eine Wand 54 abgeschlossen, so daß
in dem Zylinderraum 29 über die Lagerbohrung 32 der Gesamtdruck 13 herrscht.
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Wenn der Kolbenteller 34 zur Lagerung des Kolbens 33 und damit des
gesamten Schließorgans 35 ausgelegt ist, können in dem Kolbenteller 34 Druckausgleichsbohrungen
55 vorgesehen sein, die gegebenenfalls für einen Dämpfungseffekt ausgelegt sein
können. Der Boden 31 ist an einer Gewindebuchse 56 ausgebildet, die von dem stromab
weisenden Ende des Zylinders 19 her in den Zylinderraum 29 eingeschraubt ist, wobei
die freie Stirnseite der Gewindebuchse 56 den Anschlag 30 für den Kolbenteiller34
zur Hubbegrenzung des Schließorgans 35 bildet.
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Die Schraubendruckfeder 38 ist zwischen der Rückseite des Kolbentellers
34 und dem Boden 31 der
Gewindebuchse 56 angeordnet. Diese kann
am Ende im Bereich des Bodens 31 flanschlos sein und damit die Einstellung der Federvorspannung
ermöglichen.
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Bei den in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel bildet der Rollring
27 innerhalb der breiteren Ringnut 26 das hydraulische Stellglied. Dazu liegt der
Rollring 27 an der nach innen weisenden Oberfläche 42 des Schließorgans 35 bzw.
des Schließrings 41 dichtend und im wesentlichen schlupffrei abrollend an. Der Rollring
27 übernimmt damit die Funktion der Kolben/Zylinder-Einheit 34/29, wobei der stromauf
weisende Ringraum vor dem Rollring 27 die vom Hauptstrom 11 beaufschlagte Querschnittsfläche
darstellt. Die Druckabnahmeöffnung kann unterschiedlich gestaltet sein, wozu F i
g. 3 drei verschiedene Ausführungsbeispiele zeigt.
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Bei 28' ist die Druckabnahmeöffnung durch das Lagerspiel zwischen
der Lagerfläche 22 des Lagertellers 20 und der nach innen weisenden Oberfläche 42
des Schließorgans 35 gebildet. Alternativ kann gemäß 28" mindestens eine schräge
Bohrung zwischen der Stirnseite des Lagertellers 20 und dem in Richtung des Hauptstroms
weisenden Ende der breiteren Ringnut 26 vorgesehen sein. Nach einer weiteren Alternative
kann die Druckabnahmeöffnung 28"' durch axiale Bohrungen gebildet sein, die in der
Stirnwand des Lagertellers 20 zur Bildung der Lagerfläche 22 vorgesehen sind. Bei
allen drei Ausführungsbeispielen ist eine gleichmäßige Beaufschlagung des zwei Funktionen
genügenden Rollrings 27 sichergestellt. Stromab ist der Rollring 27 von dem Druck
des Gesamtstroms 13 beaufschlagt. Die im Betrieb zwischen dem Hauptstrom 11 und
dem Gesamtstrom 13 entstehende Druckdifferenz wirkt als stromab gerichtete Kraft
auf das Schließorgan 35. Die Höhe dieser Kraft errechnet sich als Produkt von Druckdifferenz
und Querschnitt des vom Rollring 27 ausgefüllten Ringraums. Die dieser Kraft entgegenwirkende
Druckfeder 38 ist in dem zentralen Zylinder 19 untergebracht. Der Vorteil dieser
Anordnung besteht darin, daß durch die Auswahl eines geeigneten Rollring-Durchmessers
die Kraft des Stellgliedes unabhängig von der Größe der Durchflußöffnungen für den
Hauptstrom 11 gewählt werden kann. Im übrigen ist die Funktion dieses Umschaltventils
die gleiche, wie die der gemäß F i g. 1 und 2, die nachfolgend näher erläutert sei.
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In der Schließstellung wird das Schließorgan 35 durch die Feder 38
über den Kolben 33 stromauf gedrückt, bis die Stirnseite 44 des Schließringes 41
an dem Sitz 45 des Dichtungselements 46 anliegt. Bei beginnendem Durchfluß gelangt
der Nebenstrom 12 über den Nebenzähler
in . das Umschaltventilgehäuse 1O, durchströmt
den Ringspalt zwischen dem Teller 49 und dem Drosselring 51 und verläßt das Gehäuse
10 entsprechend dem Pfeil des Gesamtstroms 13. Der in der Nebenleitung entstehende
Druckverlust wirkt radial auf den Schließring 41, übt aber unmittelbar keine stromab
gerichtete Kraft auf das Schließorgan 35 aus. Die Druckdifferenz wirkt auf den Kolbenteller
34 und über dessen Kolben 33 bzw. über den Rollring 27 unmittelbar auf das Schließorgan
35 mit einer stromab gerichteten Kraft in der Größe des Differenzdruckes, bezogen
auf die Fläche des Kolbentellers 34 bzw. des Rollrings 27. Dieser Kraft wirkt die
Kraft der Feder 38 entgegen.
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Sobald die Kraft an der Druckabnahmeöffnung 28, 28" oder 28"' bzw.
an dem Kolbenteller 34 oder dem Rollring 27 die Kraft der Feder 38 übersteigt, bewegt
sich das Schließorgan 35 stromab, verkleinert den Ringspalt des Drosselorgans 50
zwischen dem Teller 49 und dem Drosselring 51, erhöht damit schlagartig den Differenzdruck
und bewirkt ein schlagartiges Öffnen des Umschaltventils. Der Strömungsdruck des
Hauptstroms 11 hält dabei den ringförmigen Sitz 45 mit der Stirnseite 44 des Schließrings
41 solange in dichtendem Eingriff, bis zwischen dem Teller 49 und dem Drosselring
51 die maximale Drosselstellung erreicht ist.
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Erst dann löst sich der Dichtungskontakt 44/45 und gibt den Hauptstrom
11 frei. Anschließend nimmt das Dichtungselement 46 aufgrund der ihm innewohnenden
Rückstellkraft die Ruhestellung ein, die in F i g. 1 bis 3 in der unteren Hälfte
erkennbar ist.
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Der dichtende Eingriff zwischen dem PTFE-Gleitring 25 und der nach
innen weisenden Oberfläche 42 des zylindrischen Abschnitts des glockenartigen Teils
40 bleibt ständig erhalten. Entsprechendes gilt für die Rollringdichtung 26/27/42
gemäß F i g. 2 und 3.
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Anschließend tritt gegenüber dem zum Öffnen des Ventils erforderlichen
Differenzdruck eine Druckentlastung im Verhältnis des Querschnitts des Tellers 49
zu dem des Kolbentellers 34 bzw. des Zylinderraums 29 oder des Rollrings 27 ein.
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Bei fallendem Durchfluß drückt die Feder 38 über den Kolbenteller
34, den Kolben 33, die Verschraubung und die Platte 39 das Schließorgan 35 stromauf,
wobei in Abhängigkeit von der Größe des zwischen dem Teller 49 und dem Drosselring
51 belassenen Ringspaltes der Teller 49 früher oder später die Drosselstellung durchläuft
Wenn der Teller 49 den Drosselring 51 passiert hat, erweitert sich der Ringspalt
schlagartig und bewirkt einen schnellen Durckverlustabfall, wodurch das Umschaltventil
in einem Zug geschlossen wird.