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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Sicherheitsventil, das zur Ausstattung
eines Systems zum Sprühen
von Fluiden bestimmt ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft genauer ein Sicherheitsventil, das
in ein zur dosierten Ausgabe von Fluiden verwendetes System integriert
ist und es ermöglicht,
im Fall einer Betriebsstörung
der Verschlussmittel der erwähnten
Vorrichtung auf die eingespritzte Fluiddurchsatzmenge einzuwirken.
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Ein
solches System kann zum Beispiel bei einer Einspritzvorrichtung
verwendet werden, wie sie in der Patentanmeldung FR 99-14548 im
Namen der Anmelderin beschrieben ist.
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Aus
dieser Druckschrift ist eine besondere Vorrichtung bekannt, die
zum Sprühen
von Fluiden in den Kraftstoff-Einspritzsystemen
eines Kraftfahrzeugs bestimmt und insbesondere dadurch gekennzeichnet
ist, dass eine Stange oder Nadel sich elastisch unter der Beanspruchung
durch Ultraschallwellen verformt, um an ihrem Ende einen Ausstoß-Ringschlitz
bezüglich
eines Ventilsitzes zu definieren. Genauer ist die erwähnte Nadel
vom austretenden oder aufgehängten
Typ und wirkt an ihrem anderen Ende mit einer Masse und mit elastischen
Rückstellmitteln
zusammen, die in einem Hohlraum angeordnet sind, der im rückwärtigen Teil
des Einspritzventilgehäuses
ausgebildet ist.
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Die
Dichtheit des von der Nadel auf ihrem Sitz gebildeten Ventils wird
dann von den Zugkräften
gewährleistet,
die von den erwähnten
elastischen Rückstellmitteln
auf die Nadel ausgeübt
werden.
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Die
so beschriebene Vorrichtung ist dazu bestimmt, mit einem Druckfluid
gespeist zu werden. Insbesondere ist der Körper des Einspritzventils permanent
mit Fluid gefüllt,
und die von dem Ventil auf seinem Sitz gebildeten Verschlussmittel
gewährleisten
die Dichtheit des Systems in der Ruhestellung, wenn der Nadel keine
Verformung zugefügt
wird.
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Im
Gegensatz zu einem üblichen
Einspritzventil ist ein Einspritzventil mit austretender Nadel also
dadurch gekennzeichnet, dass die Nadel Zugbelastungen ausgesetzt
ist. Außerdem
wird im besonderen Fall der Patentanmeldung FR 99-14548 die Öffnung durch
Verformungen der Nadel erzeugt. Um den Wirkungsgrad der Vorrichtung
zu verbessern, ist es notwendig, dass die Nadel einen relativ geringen
Querschnitt aufweist, um die zum Öffnen des Ventils notwendige
Energiemenge zu verringern.
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Die
Gesamtheit der oben erwähnten
Merkmale der Vorrichtung trägt
dazu bei, die ermüdungsbedingten
Bruchgefahren der Nadel im Vergleich mit einem klassischen Einspritzventil
zu erhöhen.
Im Fall eines Bruchs der Nadel wird aber der Kopf der Nadel, der
die Verschlussmittel des Ventils bildet, nicht mehr in Kontakt gegen
das Ende des Sitzes gehalten, und die Dichtheit des Systems in der
Ruhestellung ist dann nicht mehr gewährleistet.
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Ein
Nachteil der in der Patentanmeldung FR 99-14548 beschriebenen Vorrichtung
rührt daher,
dass im Fall eines Bruchs des Nadelkopfs keine Regelungseinrichtung
vorgesehen ist, um das ununterbrochene Einspritzen von unter Druck
stehendem Kraftstoff ins Innere der Brennkammer zu verhindern.
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Es
ist also der Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die Herstellung
eines Sicherheitsventils vorzuschlagen, das es ermöglicht,
die erwähnten
Probleme im Fall eines Bruchs einer Nadel bei einem Einspritzventil
mit austretender Nadel zu vermeiden.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die von den elastischen Rückstellmitteln
der Nadel erzeugte Belastung verwendet, um ein Sicherheitsventil
im Hochdruck-Versorgungskreislauf zu betätigen und zu halten. Genauer
gesagt, wird die ursprüngliche
Vorbelastung, die notwendig ist, um die Dichtheit des Ventilsitzes
zu gewährleisten,
und der die Nadel unterworfen ist, beim Bruch der Nadel auf das
Sicherheitsventil übertragen.
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Gemäß der gleichen
Ausführungsform
wird das Ventil einerseits von einem beweglichen Teil, von dem ein
Ende zumindest teilweise kugelförmig
ist, und andererseits von einem ortsfesten Sitz gebildet, der kegelförmig sein
kann und in dem Ende des Kanals ausgebildet ist, der dazu bestimmt
ist, das Einspritzventil mit Kraftstoff zu versorgen, damit im Fall
eines Bruchs der Nadel das oben erwähnte kugelförmige Teil, das ursprünglich von
seinem Sitz gelöst
ist, unter der Wirkung der von den elastischen Rückstellmitteln erzeugten Kräfte mit
dem Sitz zusammenwirkt und so den Kanal verschließt, durch
den der Kraftstoff ankommt, wodurch der Kraftstoff daran gehindert
wird, sich ins Innere des Zylinders zu ergießen.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der bewegliche Teil
des Ventils auf dem Ende einer Masse ausgebildet, die den Impedanzunterbrechungsmechanismus
bildet, wie er in der Patentanmeldung FR 99-14548 beschrieben ist.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung bewirkt die Translationsbewegung
der erwähnten
Masse unter der Wirkung der elastischen Rückstellkräfte im Fall eines Bruchs der
Nadel eine Translationsbewegung des beweglichen Teils des Ventils,
so dass das kugelförmige
Ende des beweglichen Teils mit dem kegeligen ortsfesten Teil zusammenwirkt
und so den Verschluss des Füllkanals des
Einspritzventils hervorruft.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung hat der Kraftstoff-Versorgungskanal
einen Ausgangsquerschnitt, der wesentlich kleiner ist als die Einspritzdüse des Einspritzventils.
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Die
Ziele, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser
anhand der nachfolgenden Beschreibung von zwei als nicht einschränkende Beispiele
dienenden Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen verstanden. Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils,
wobei das Ventil offen ist,
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2 die
gleiche Ansicht wie 1 mit geschlossenem Ventil,
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3 eine
zweite Ausführungsform
des Sicherheitsventils mit offenem Ventil,
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4 die
gleiche Ansicht wie 1 mit geschlossenem Ventil,
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5 eine
Schnittansicht von besonderen Elementen, der Masse und den elastischen
Rückstellmitteln,
gemäß der zweiten
Ausführungsform,
in verschiedenen Stellungen, um das Betriebsprinzip der vorliegenden
Erfindung zu erläutern.
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In
den verschiedenen Figuren tragen die gemeinsamen Elemente die gleichen
Bezugszeichen.
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In 1 ist
im Detail eine erste besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils
für den
Fall einer Integration in ein System zur dosierten Fluidausgabe
dargestellt, wie es in der Patentanmeldung FR 99-14548 im Namen
der Anmelderin beschrieben ist.
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Das
Einspritzsystem besteht aus einem Einspritzventilkörper 3,
der einen inneren Hohlraum 15 aufweist, in dem elastische
Rückstellmittel 1 angeordnet
sind, die eine Vorbelastung auf eine Stange 4 über eine Masse 5 ausüben, die
mit einem ersten Ende der Stange 4 über eine festgelegte Länge fest
verbunden ist.
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Das
andere Ende der Stange 4 weist einen Kopf 6 auf,
der auf einem Ventilsitz 7 aufliegt, der auf dem Einspritzventilkörper 3 angeordnet
ist. Das System bildet so ein Ventil, das in der Ruhestellung die
Dichtheit der Einspritzdüse
gewährleistet.
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Wenn
das Einspritzventil in Betrieb ist, ist nämlich der innere Hohlraum 15 des
Einspritzventilkörpers 3 mit
unter Druck stehendem Kraftstoff gefüllt, so dass vom Fluid ausgeübte Kräfte in Höhe des Kopfes 6 der Stange 4 über eine
Fläche
mit einem Querschnitt S1 verteilt werden. Der Nutzen der von den
elastischen Rückstellmitteln 1 ausgeübten Vorbelastung
besteht darin, den erwähnten
Kräften
entgegenzuwirken, um ein Ablösen
des Kopfes 6 der Stange 4 vom Ventilsitz 7 unter
der Wirkung der Druckkräfte
zu vermeiden.
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In
der Praxis wird diese Vorbelastung erhöht, um die Spielräume zu kompensieren
und um eine vollständige
Dichtheit zu gewährleisten,
die sich nicht nur durch ein makroskopisches Gleichgewicht der auf
den Kopf der Stange wirkenden Kräfte äußert.
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Der
innere Hohlraum 15 des Einspritzventilgehäuses 3 ist
dazu bestimmt, mittels eines Verschlussorgans 12 verschlossen
zu werden, innerhalb dessen eine Bohrung 8 ausgebildet
ist. Die Versorgung des Einspritzventilgehäuses 3 mit unter Druck
stehendem Kraftstoff erfolgt über
die Bohrung 8, die in den inneren Hohlraum 15 des
Einspritzventilgehäuses 3 unter
Bildung einer Öffnung
oder eines Sitzes 9 mündet.
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Gemäß der ersten
Ausführungsform
ist das Ventil aus zwei Elementen zusammengesetzt, das erste besteht
aus dem Sitz 9, das zweite aus einem Verschlussmittel 10,
das fest mit der Masse 5 verbunden ist und sich über ein
Ende dieser Masse erstreckt, wobei die Masse 5 in Auflage
mit den elastischen Rückstellmitteln 1 auf
dem gegenüber
liegenden Ende zusammenwirkt, wobei die elastischen Rückstellmittel 1 selbst
auf dem Boden des inneren Hohlraums 15 des Einspritzventilgehäuses 3 aufliegen.
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Das
Verschlussmittel 10 hat einen zumindest teilweise kegeligen
und vorzugsweise kugelförmigen oberen
Bereich 11, der zum Beispiel mit Hilfe einer Kugel eines
Kugellagers hergestellt werden kann, vorzugsweise mit schwachem
Gradmaß (< 10), um von einem
guten Oberflächenzustand
zu profitieren, der eine gute Dichtheit beim Auflegen auf den Sitz 9 gewährleistet.
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Die
Bohrung 8 wird so hergestellt, dass zumindest der so erhaltene
Sitz 9 mit dem Verschlussmittel 10 fluchtend angeordnet
ist, damit der obere Bereich 11 des Verschlussmittels 10 mit
dem Sitz 9 zusammenwirken kann, wenn eine senkrechte Translationsbewegung
gemäß der Ausrichtung
A an die Masse 5 angewendet wird. Die Mittel zur Translationsbewegung
der Masse 5 werden von den elastischen Rückstellmitteln 1 gewährleistet,
wenn ein Bruch in der Stange 4 auftritt.
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In
der ursprünglichen
Stellung der Vorrichtung, wie sie in 1 gezeigt
ist, ist die Masse 5 im Gleichgewicht unter der gemeinsamen
Wirkung der von den elastischen Rückstellmitteln 1 erzeugten
Kräfte
und der Rückhaltekräfte der
Stange 4 aufgrund der Einwirkung des Kopfes 6 der
Stange 4 auf den Ventilsitz 7. Das obere Ende 11 des
Verschlussmittels 10 definiert dann mit dem Sitz 9 einen
Abstand e2. Im Fall eines normalen Betriebs des Einspritzventils
verhindert das Verschlussmittel 10 also nicht das freie
Fließen
des Kraftstoffs. So lange die Stange 4 nicht gebrochen
ist, fließt
der Kraftstoff frei durch die Leitung 8. Es muss betont
werden, dass es nicht die Druckkräfte sind, die das Öffnen des
Sicherheitsventils bewirken.
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Wenn
dagegen ein Bruch der Stange 4 auftritt, wie in 2 gezeigt,
ist das mechanische Gleichgewicht der Masse 5 unterbrochen.
Die Masse 5, die dann nur noch der von den elastischen
Rückstellmitteln 1 erzeugten
Kraft ausgesetzt ist, bewegt sich translatorisch in der Richtung
A, bis das Verschlussmittel 10 mit dem Sitz 9 zusammenwirkt,
um den Verschluss der Bohrung 8, d.h. der Kraftstoff-Versorgungsleitung,
zu bewirken.
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In
diesem Fall ist der Kontaktquerschnitt zwischen dem oberen Bereich 11 des
Verschlussmittels 10 und dem unter Druck stehenden Fluid
mit S2 bezeichnet. Die Größe der vom
Druckfluid auf das Ventil ausgeübten
Kräfte
hängt also
von diesem Wert S2 ab.
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Damit
die Dichtheit des Ventils für
einen festgelegten Versorgungsdruck P gewährleistet ist, müssen bestimmte
Herstellungsbedingungen des Ventils beachtet werden, und insbesondere
liegt eine Hauptbedingung darin, dass der erwähnte Querschnitt S2 geringer
ist als der Querschnitt S1.
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Wenn
man nämlich
annimmt, dass die auf die Stange 4 von den elastischen
Rückstellmitteln 1,
von denen man annehmen kann, dass sie eine Steifheit K haben und
um eine Länge Δx zusammengedrückt sind, ausgeübte Anfangszugkraft
F1 es ermöglicht,
die Dichtheit der Einspritzdüse
zu gewährleisten,
wobei die Einspritzdüse
mit einem Druck P versorgt wird, und in Kenntnis der Tatsache, dass
der Druck P in Höhe
des Kopfes 6 der Stange 4 auf eine Fläche mit
dem Querschnitt S1 eine Kraft ausübt, gilt: F1 = K × Δx
F1 > P × S1 (1)
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Beim
Bruch der Stange 4 bezeichnet e2 die an das Verschlussmittel 10 anzuwendende
Verschiebung, ehe es mit dem Sitz 9 zusammenwirkt.
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Daraus
folgt, dass die Kraft F2, die vom elastischen Material 1 auf
dem beweglichen Teil 10 des Sicherheitsventils nach dem
Bruch der Stange 4 erzeugt wird, wird zu: F2 = K × (Δx – e2)
F2 > P × S2 (2)
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Wenn
man annimmt, dass die auf das Ventil anzuwendende Belastung, um
seine Dichtheit zu gewährleisten,
mindestens gleich, wenn nicht höher
als diejenige sein muss, die es ermöglicht, die Dichtheit der Einspritzdüse zu gewährleisten,
gilt:
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Man
erhält
dann eine Dichtheitsbedingung des Ventils auf seinem Sitz, indem
man (1), (2) und (3) kombiniert: K × (Δx – e2) × S1 > K × (Δx) × S2was entspricht
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In 3,
die eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt, findet man eine ähnliche
Architektur, wie sie in den 1 und 2 beschrieben
ist, abgesehen davon, dass das Verschlussmittel 10 nicht
mehr fest mit der Masse 5 verbunden ist, und dass sekundäre elastische
Rückstellmittel 2 zwischen dem
Verschlussorgan 12 des Einspritzventilgehäuses 3 und
der Masse 5 hinzugefügt
wurden.
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Das
erwähnte
Verschlussmittel 10 besteht immer noch aus einem Organ
von zumindest teilweiser Kugelform, zum Beispiel einer Kugel eines
Kugellagers. Es ist translationsbeweglich in Richtung A im Inneren
einer Hülse 13 eingesetzt,
die sich zwischen dem Sitz 9 und dem Ende eines auf der
Masse 5 ausgebildeten Zapfens 14 erstreckt, wobei
die Hülse 13 an
jedem ihrer Enden eine ringförmige
Aussparung aufweist, deren Durchmesser deutlich geringer ist als
derjenige des Verschlussmittels 10, um zwei Endstellungen
zu definieren, zwischen denen sich das Verschlussmittel 10 verschieben
kann.
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Die
Hülse 13 ist
an einem ihrer beiden Enden fest mit dem Deckel 12 verbunden.
Die Achse der Hülse 13 fluchtet
mit dem Sitz 9, damit das Verschlussmittel 10 unter
der Wirkung einer gemäß A ausgerichteten Translationsbewegung
mit dem Sitz 9 zusammenwirken kann.
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Die
zweite Querschnittsverengung, die am anderen Ende der Hülse ausgebildet
ist, definiert einen zweiten ringförmigen Raum, innerhalb dessen
der zylindrische Zapfen 14 gleiten kann, der fest mit dem
Ende der Masse 5 verbunden ist.
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Die
Länge des
zylindrischen Zapfens 14 ist ausgelegt, um im Fall eines
Bruchs der Stange 4 die Translationsverschiebung gemäß A des
Verschlussmittels 10 zu bewirken, bis das Verschlussmittel 10 mit
dem Sitz 9 zusammenwirkt. Die Mittel zur Translationsverschiebung
des Zapfens 14 werden durch die Kräfte gewährleistet, die vom elastischen
Material 1 auf die Masse 5 erzeugt werden.
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Das
so gebildete Ventilsystem ermöglicht
es also, den Kraftstoffversorgungskanal, d.h. die Bohrung 8, zu
blockieren, indem bei einem Bruch der Stange 4 ein Verschluss
des Sitzes 9 durch das Verschlussmittel 10 erzeugt
wird.
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In
der Ruhestellung des Systems, die in 3 gezeigt
ist, ruht das Verschlussmittel 10 auf dem unteren Bereich
der Hülse 13,
und die Oberfläche 11 des
Verschlussmittels 10 definiert mit der Öffnung 9 der Bohrung 8 einen
Spielraum e2. In der gleichen Position definiert der untere Bereich
des Verschlussmittels 10 mit dem Ende des zylindrischen
Zapfens 14 einen Spielraum e1.
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Bei
einem Bruch der Stange 4 verschiebt sich die Masse 5 unter
der Wirkung der elastischen Rückstellmittel 1 in
der Richtung A. Diese Verschiebung füllt den Spielraum e1, dann
kommt der Zapfen 14 mit dem Verschlussmittel 10 in
Kontakt und schiebt letzteres in Richtung A, bis der Spielraum e2
vollständig
gefüllt
ist. Die Bohrung 8 ist dann verschlossen, wie in 4 gezeigt
ist.
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Der
Dichtheitszustand des Ventils kann dann ausgedrückt werden, indem die Bilanz
der Kräfte
erzeugt wird, die von der Masse 5 auf das Verschlussmittel 10 ausgeübt werden.
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5 zeigt
verschiedene Stellungen der Masse 5 (in durchgezogenen
Strichen) und der elastischen Rückstellmittel 1 und
der sekundären
elastischen Rückstellmittel 2 (gestrichelte
Linien) für
ein besseres Verständnis
des Betriebsprinzips der zweiten Ausführungsform der Erfindung. In
diesem Schema sind auch die äußeren Kräfte dargestellt,
die auf die Masse 5 ausgeübt werden.
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Mit
F1 ist die Kraft bezeichnet, die von den elastischen Rückstellmitteln 1 mit
der Steifheit K und ursprünglich
um eine Länge
X1 zusammengedrückt
ausgeübt
wird.
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Mit
F2 ist die Kraft bezeichnet, die vom elastischen Material 2 mit
der Steifheit K und ursprünglich
um eine Länge
X2 zusammengedrückt
ausgeübt
wird.
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Beim
Bruch der Stange 4 wird die Kräftebilanz auf die Masse 5 dann
folgendermaßen
ausgedrückt F1 = K·(X1 – e1 – e2) F2 = K·(X2
+ e1 + e2)
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Das
Verschlussmittel 10 ist also einer Kraft F3 ausgesetzt,
die durch die Differenz zwischen F1 und F2 erhalten wird: F3 = K·[(X1 – X2) – 2(e1 +
e2)]
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Diese
Kraft wirkt den Druckkräften
entgegen, die in Höhe
der Öffnung 9 der
Bohrung 8 auf einen Querschnitt S2 angewendet werden.
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Um
die Dichtheit zwischen dem Sitz
9 und dem Verschlussmittel
10 zu
gewährleisten,
nimmt man an, dass die gleiche Belastung angewendet werden muss,
wie sie berechnet wurde, um die Dichtheit zwischen dem Kopf der
Stange
4 und dem Ventilsitz
7 zu gewährleisten,
es gilt also:
FVerschlussmittel = K × [(Xx – X2) – 2 × (e1 + e2)] SVerschlussmittel = S2 -
Folglich
muss gelten:
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Entsprechend
dem vorhergehenden Fall hängt
die Funktionalität
des Systems vom Verhältnis
der Querschnitte S1 und S2 ab.
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Mit
dieser zweiten Ausführungsform
des Ventils erhält
man einen wichtigen Vorteil insofern als die hydrodynamischen Kräfte, die
auf dem Verschlussmittel durch das Strömen des Fluids durch die Öffnung erzeugt werden,
keine Kräfte
auf die Masse ausüben
und so die an die Stange angewendete Vorbelastung verändern können.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Ausführungsform
liegt darin, dass die Translationsführung des beweglichen Teils
des Verschlussmittels nicht mehr von der Masse, sondern von der
Hülse gewährleistet
wird, wodurch die Translationsführungsbelastungen
der Masse reduziert werden können.
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Parallel
dazu erlaubt es das Vorhandensein eines Spielraums e1, mögliche Höhenveränderungen
der Masse zu absorbieren, die zum Beispiel durch Phänomene der
Wärmeausdehnung
hervorgerufen werden, ohne dass dies die Durchsatzmenge des Ventils
in offener Stellung verändert.
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Ein
weiterer Vorteil dieser zweiten Ausführungsform ist es, eine Entkopplung
bei der Herstellung des beweglichen Teils des Verschlussmittels
des Sicherheitsventils und derjenigen der Masse zu erlauben. So
erfordert die Verwendung einer kalibrierten Kugel eines Kugellagers
als Verschlussmittel zum Beispiel nicht mehr die Berücksichtigung
der Mittel zur Befestigung der Kugel auf dem Festkörper.
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Schließlich kann
die mögliche
Veränderung
der Stärke
zwischen dem oberen Bereich der Masse einfach berücksichtigt
werden, indem die Höhe
des am Ende der Masse ausgebildeten Zapfens verändert wird.
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Aus
allen diesen Gründen
ist diese zweite Ausführungsform
des Sicherheitsventils besonders geeignet im Fall einer Integration
in eine Vorrichtung zum Sprühen
eines Fluids, wie sie in der Patentanmeldung FR 99-14548 im Namen
der Anmelderin beschrieben ist.
