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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft einen durch Wärme auslösbaren Sprinkler,
der für
die Brandbekämpfung verwendet
wird. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Sprinkler, zu dem
gehören:
ein durch Temperatur aktiviertes Mittel, ein Gehäuse, ein Einlass für ein Medium,
eine zentrale Düse,
mindestens eine Seitendüse,
ein erster Kanal zum Leiten des Mediums von dem Einlass zu der zentralen
Düse, während der Sprinkler
sich in seine aktiven Zustand befindet, und ein zweiter Kanal zum
Leiten des Mediums von dem Einlass zu der mindestens einen Seitendüse, wobei der
zweite Kanal mittels einer Ventilspindeleinrichtung geschlossen
ist, während
sich der Sprinkler in einem Standbymodus befindet, wobei sich die
Ventilspindeleinrichtung während
des Standbymodus des Sprinklers in einem Gehäusekanal des Gehäuses in einer
ersten Position befindet, in der sie dazu eingerichtet ist, den
zweiten Kanal geschlossen zu halten, und wobei die Ventilspindeleinrichtung,
wenn der Sprinkler aufgrund der auf Wärme ansprechenden Wärmeaktivierungsmittel
aktiviert wird, dazu eingerichtet ist, sich in eine zweite Stellung
zu bewegen und den zweiten Kanal freizugeben.
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Ein
Sprinkler der oben beschriebenen Bauart ist aus der veröffentlichten
internationalen Patentanmeldung
WO
95/31252 bekannt. Dieser bekannte Sprinkler ist von einer
Bauart, bei der sämtliche
Düsen des
Sprinklers ein Löschmittel
versprühen,
wenn der Sprinkler aus seinem Standbymodus, in dem das durch Temperatur
aktivierte Mittel (Ampulle) intakt ist, in seinen aktivierten Zustand übergeht, sobald
das durch Temperatur aktivierte Mittel aufgrund von Wärme geplatzt
ist. Nachdem das durch Temperatur aktivierte Mittel geplatzt ist,
sprühen
sämtliche
Düsen solange,
wie Löschmittel
in den Einlass des Sprinklers eingespeist wird.
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Der
Einsatz dieses bekannten Sprinklers in einer Brandbekämpfungseinrichtung
ist normalerweise unproblematisch. Falls dieser bekannte Sprinkler allerdings
für Anwendungen
verwendet wird, in denen es möglich
ist, dass sich heiße
entzündbare Gase
aufgrund von Luftströmen
weit von dem Brandherd entfernen, gehen die Sprinkler normalerweise
in den aktiven Zustand über,
nachdem das durch Temperatur aktivierte Mittel geplatzt ist. Die
Gefahr besteht dann, dass ein großer Teil des Brandlöschmittels
an Stellen versprüht
wird, wo es nicht benötigt wird.
Dieses unnötigerweise
versprühte
Löschmittel verringert
die Ausgabemenge der Sprühdüsen in Nähe des Brandherds,
da der Löschmitteldruck
unter den konstruktionsmäßig für die Brandbekämpfungseinrichtung
vorgesehenen Wert sinkt, und/oder der Löschmittelfluidbehälter rascher
als vorgesehen entleert ist. Beispiele solcher Anwendungen sind
Tunnel, z.B. Fahrzeugtunnel. Wenn in großer Entfernung von dem Brandherd
angeordnete Sprinkler sprühen, erhält der eigentliche
Brandherd nicht die volle Ausgabemenge, und es besteht die Gefahr,
dass die Brandbekämpfung
mit fatalen Folgen fehlschlägt oder
ineffizient ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Sprinkler zu schaffen, der
die oben erwähnten
Nachteile eliminiert oder wenigstens weitgehend beseitigt. Um dies
zu erreichen, ist der Sprinkler gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass
die Ventilspindeleinrichtung ein erstes Ventilverschlussglied aufweist,
das, wenn es sich in einer ersten Position befindet, dazu eingerichtet
ist, den zweiten Kanal geschlossen zu halten, während sich der Sprinkler in seinem
Standbymodus befindet, wobei das erste Ventilverschlussglied, nachdem
das durch Temperatur aktivierte Mittel des Sprinklers ausgelöst ist,
und während
der Sprinkler sich in seinem aktiven Zustand befindet, eine erste
Wirkflächengröße aufweist,
die dem Druck des Mediums ausgesetzt ist, und wobei das erste Ventilverschlussglied,
wenn das durch Temperatur aktiviert Mittel des Sprinklers ausgelöst ist,
dazu eingerichtet ist, sich gegen die Rückholkraft einer Feder von
der ersten Position in eine zweite Position zu bewegen, so dass
sie aufgrund der Tatsache, dass das Medium wenigstens einen ersten Druck
auf die erste Wirkflächengröße ausübt, den zweiten
Kanal öffnet,
und dass das erste Ventilverschlussglied, wenn es sich aus seiner
ersten Position in seine zweite Position bewegt, eine zusätzliche Oberflächengröße aufweist,
die dem wenigstens ersten Druck des Mediums ausgesetzt ist, wobei
die Abmessung der zusätzlichen
Oberflächengröße so ausgewählt ist,
dass sie das erste Ventilverschlussglied aufgrund des Drucks des
Mediums in der zweiten Position hält, wenn der Druck des Mediums
sich oberhalb eines zweiten Drucks befindet, wobei der zweite Druck
wesentlich geringer ist als der erste Druck, wodurch sich der Sprinkler
nach dem Auslösen
des durch Temperatur aktivierten Mittels in einem ersten aktiven
Zustand befindet, wenn sich das erste Ventilverschlussglied in seiner
zweiten Position befindet, und in einem zweiten aktiven Zustand
befindet, wenn sich das erste Ventilverschlussglied in seiner ersten Position
befindet. Der erste Druck kann als Öffnungsdruck bezeichnet werden.
Falls nach dem Auslösen des
durch Temperatur aktivierten Mittels ein Druck auf die erste Wirkflächengröße ausgeübt wird,
der geringer ist als der erste Druck, bewegt sich das erste Ventilverschlussglied
nicht, allerdings öffnet
sich der erste Kanal, und das Medium strömt lediglich zu der zentralen
Düse, und
der Sprinkler befindet sich in seinem zweiten aktiven Zustand. Der
Sprinkler sprüht dann
mit einer reduzierten Ausgabemenge, und aufgrund dieser Tatsache,
sind die Sprinkler, die in der Nähe
des Brandherds angeordnet sind und sich in dem ersten aktiven Zustand
befinden, auch dann noch in der Lage das Sprühen mit hoher Leistung fortzusetzen,
wenn der Druck auf ein verhältnismäßig geringes
Niveau gesunken ist.
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Wenn
für den
ersten Druck ein verhältnismäßig hoher
Wert, beispielsweise 50 Bar, ausgewählt ist, bewirkt die Auslösung des
durch Temperatur aktivierten Mittels in den Sprinklern, die sich
in großer Entfernung
von dem Brandherd befinden, in der Praxis, dass in diesen Sprinklern – unter
der Annahme, dass der Druck der Brandbekämpfungseinrichtung wegen der
ausgelösten
Sprinkler bereits auf einen Pegel von weniger als 50 Bar gesunken
ist – lediglich die
zentralen Düsen
sprühen.
Die Abmessungen der ersten Wirkflächengröße und der zusätzlichen
Oberflächengröße sowie
die Kraft der Feder sind geeignet ausgewählt, um den gewünschten
Betrieb des Sprinklers zu erreichen.
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Wenn
die Abmessung der zusätzlichen Oberflächengröße so ausgewählt ist,
dass der zweite Druck wesentlich geringer ist als der erste Druck
(d.h. gewöhnlich
höchstens
die Hälfte
des ersten Drucks beträgt),
setzt der Sprinkler, der sich bereits in seinem ersten aktiven Zustand
befindet, das Sprühen mit
sämtlichen
seiner Düsen
fort, selbst wenn der Druck des Löschmittels, beispielsweise
aufgrund der Aus lösung
der übrigen
Sprinkler, erheblich geringer ist.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
des Sprinklers der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen 2 bis 13 beschrieben.
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Der
Hauptvorteil des Sprinklers der Erfindung basiert darauf, dass er
eine Brandbekämpfungsvorrichtung
ermöglicht,
die auch dann eine hohe Löschleistung
hervorbringt, falls heiße
entzündbare
Gase in große
Entfernung von dem Brandherd ausgebreitet wurden, um das Auslösen der
Sprinkler in großer
Entfernung von dem Brandherd zu bewirken.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und mit Bezug
auf die beigefügte
Zeichnung eingehender beschrieben, die ein Ausführungsbeispiel des Sprinklers
der Erfindung veranschaulicht:
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1 zeigt
den Sprinkler in seinem Standbymodus;
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2 zeigt
einen ausgelösten
Sprinkler in seinem ersten aktiven Zustand;
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3 zeigt
einen ausgelösten
Sprinkler in seinem zweiten aktiven Zustand;
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4 zeigt
eine Ansicht der Oberseite des Ventilverschlussglieds des Sprinklers
in der Axialrichtung der Ventilspindeleinrichtung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Zu
dem in 1 gezeigten Sprinkler gehören ein Gehäuse 2 mit einem Einlass 3 für ein Medium,
eine zentrale Düse 4,
vier Seitendüsen 5a, 5b (von
denen lediglich zwei in der Figur gezeigt sind) und ein durch Temperatur
aktiviertes Mittel in Form einer Glasampulle 1. Anstelle
der Glasampulle 1 kann das durch Temperatur aktivierte
Mittel ein sonstiges Wärmeaktivierungsmittel
sein, z.B. ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt.
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Das
Bezugszeichen 8 bezeichnet allgemein eine Ventilspindeleinrichtung,
die dazu eingerichtet ist, sich in einem Gehäusekanal 14 in dem
Gehäuse zu
bewegen. Die Bewegung der Ventilspindeleinrichtung 8 wird
weiter unten beschrieben. Die Ventilspindeleinrichtung 8 weist
ein erstes Ventilverschlussglied 8a und ein sich relativ
zu diesem bewegendes zweites Ventilverschlussglied 8b auf.
Das erste Ventilverschlussglied 8a ist vorgespannt durch
eine Feder 10, die in einem in dem zweiten Ventilverschlussglied 8b ausgebildeten
Ventilverschlussgliedkanal 15 angeordnet. Der Ventilverschlussgliedkanal 15 weist einen
mit Bezugszeichen 9 bezeichneten engeren Abschnitt auf,
dessen Durchmesser kleiner ist als derjenige der Oberseite des ersten
Ventilverschlussglieds 8a. Wenn sich der Sprinkler in seinem
Standbymodus befindet, schließt
die Oberseite des ersten Ventilverschlussglieds 8a den
Ventilverschlussgliedkanal 15 so, dass der Ventilverschlussgliedkanal
gegenüber
dem Gehäusekanal 14 nicht
offen ist. Die Wand des zweiten Ventilverschlussglieds 8b ist
mit Öffnungen 17 versehen, über die
der Ventilverschlussgliedkanal 15 strömungsmäßig mit dem Gehäusekanal 14 verbunden
ist, wenn sich der Sprinkler in dem in 2 gezeigten
aktiven Zustand befindet. Ein hül senförmiges Element 16 an
dem oberen Ende des zweiten Ventilverschlussglieds 8b ist
dazu eingerichtet, den Einlass 3 zu schließen, wenn
sich der Sprinkler in dem in 1 gezeigten
Standbymodus befindet, in dem die Glasampulle 1 intakt
ist. Die Oberseite des hülsenförmigen Elements 16 wird
mit einem Pfropfen 18 geschlossen, und der Durchmesser
des hülsenförmigen Elements
in dem Gehäusekanal 14 bleibt
derselbe oder nahezu derselbe zu beiden Seiten des Einlasses 3,
so dass der Druck des Mediums in dem Einlass nicht bewirkt, dass
die Ventilspindeleinrichtung 8 eine auf die Ampulle 1 ausgeübte Kraft
hervorruft – oder
höchstens
eine geringe auf die Ampulle ausgeübte Kraft bewirkt. Anstelle
des Pfropfen 18 kann das Gehäuse an seiner Oberseite in
einer integrale Weise geschlossen sein. Der Pfropfen 18 weist
den Vorteil auf, die Konstruktion des Sprinklers verhältnismäßig einfach
und den Zusammenbau des Sprinklers problemlos zu gestalten.
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Von
dem Einlass 3 des Sprinklers führt ein Kanal 9-15-6-12-13 zu
der zentralen Düse 4,
und es führen
Kanälen 9-15-17-14-7a und 9-15-17-14-7b zu den
Seitendüsen 5a, 5b.
Der zuerst erwähnte
Kanal kann als erster Kanal und die als zweites erwähnten Kanäle können als
zweite Kanäle
bezeichnet werden.
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Wenn
die Ampulle 1 des Sprinklers in 1 ausgelöst ist,
bewegt sich die Ventilspindeleinrichtung 8 aufgrund der
Schwerkraft abwärts.
Falls der Sprinkler in der Position der Figur nicht vertikal ist, kann
die Bewegung der Ventilspindeleinrichtung 8 durch an dem
oberen Ende der Ventilspindeleinrichtung angeordnete Tellerfedern 20 hervorgerufen
werden, und/oder indem die Geometrie der Ventilspindeleinrichtung
so ausgelegt wird, dass sie eine aus reichend große Projektionsflächengröße aufweist,
die dem Druck des Mediums ausgesetzt ist, der unter der Wirkung
des Mediums der Ventilspindeleinrichtung eine auf die Ampulle ausgeübte Kraft
hervorruft. Die Projektionsflächengröße ist in
der Bewegungsrichtung der Ventilspindeleinrichtung 8 die
Projektionsfläche,
die zu der Bewegungsrichtung der Ventilspindeleinrichtung senkrecht
verläuft.
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Wenn
der Sprinkler ausgelöst
ist, geht er in Abhängigkeit
von der Größe des Drucks
des Mediums entweder in den in 3 gezeigten
ersten aktiven Zustand über,
in dem lediglich die zentrale Düse 4 sprüht, oder
er geht in den in 2 gezeigten zweiten aktiven
Zustand über,
in dem sämtliche
Düsen 4, 5a, 5b sprühen. Die Übergänge des
Sprinklers werden im Folgenden näher
erläutert.
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Wenn
der Sprinkler ausgelöst
ist, fällt
die Ventilspindeleinrichtung 8 in die in 3 gezeigte Position
herab, und der Druck des Mediums in dem Einlass 3 wirkt
auf einer projizierten kreisförmigen Wirkflächengröße A1 (d.h.
auf der Fläche
innerhalb der gestrichelten Linie in 4) des ersten
Ventilverschlussglieds 8a und über einen mittleren Kanal 6 des
ersten Ventilverschlussglieds auf eine ringförmige Wirkflächengröße A3. In 4,
die eine Ansicht des ersten Ventilverschlussglieds 8a von
oben zeigt, ist die Wirkflächengröße A1 der
Abschnitt innerhalb der gestrichelten Linie. Der Druck ruft auf
den Wirkflächengrößen A1 und
A3 entgegengesetzte Kraftkomponenten hervor, so dass die Wirkflächengröße A3 die
durch die Wirkflächengröße A1 hervorgerufene
Kraft zum Teil kompensiert. Die Wirkflächengröße A1 ist so gewählt, dass
sie größer ist
als die Wirkflächengröße A3. Falls
bei einem Auslösen
der Ampulle 1 sämtliche
Düsen 4, 5a, 5b des
Sprinklers mit dem Sprühen
beginnen sollen, wenn der Druck des Mediums einen gewissen ersten
Druck von beispielsweise 50 Bar überschreitet,
sollte die Wirkflächengröße A1 so
ausgewählt
werden, dass sie ausreichend größer ist
als die Wirkflächengröße A3, damit
die Kraft, die der erste Druck auf die Wirkflächengröße A1 ausübt, größer ist als die Kraft, die
das Medium auf die Wirkflächengröße A3 ausübt, plus
der durch die Feder 10 hervorgerufenen Kraft. Das erste
Ventilverschlussglied 8a bewegt sich dann in die Position
in 2. Während
der Relativbewegung gegenüber
dem zweiten Ventilverschlussglied 8b wird eine kreisförmige zusätzliche
Oberflächengröße A2 an
dem oberen Ende des ersten Ventilverschlussglieds 8a zunehmend
dem Druck des Mediums ausgesetzt. Die zusätzliche Oberflächengröße A2 ist
der außerhalb der
gestrichelten Linie in 4 übrige Abschnitt, und diese
ruft eine Kraft auf das erste Ventilverschlussglied 8a hervor,
die parallel zu der Kraft der Wirkflächengröße A1 verläuft, die die Fläche innerhalb
der gestrichelten Linie ist. Die gestrichelte Linie zeigt die Stelle,
an der die Oberseite des ersten Ventilverschlussglieds 8a in
den in den 1 und 3 gezeigten
Situationen dicht gegen eine Schulter 19 des zweiten Ventilverschlussglieds 8b anliegt.
Dank dieser Tatsache bleibt das erste Ventilverschlussglied 8a selbst
dann in der Position nach 2, wenn
der Druck des Mediums auf den zweiten Druck sinkt, der erheblich
geringer ist als der (50 Bar betragende) erste Druck. Die Abmessung
der zusätzlichen
Oberflächengröße A2 ist
beispielsweise so ausgewählt,
dass die Kanäle 9-15-17-14-7a und 9-15-17-14-7b offen bleiben,
falls der Druck mindestens 5 Bar beträgt. Die zusätzliche Oberflächengröße A2 ist
so bemessen, dass der zweite Druck wesentlich geringer ist als der erste
Druck und gewöhnlich
höchstens
die Hälfte, und
vorzugsweise höchstens
das 0,2 fache, des ersten Drucks beträgt, was für die meisten Anwendungen ein
gutes Ergebnis erzielt. Falls der Wert des zweiten Drucks demjenigen
des ersten Drucks zu ähnlich
ist, schließen
die Seitendüsen 5a, 5b für eine effiziente
Brandbekämpfung
zu früh.
Es besteht daher eine große
Neigung der Seitendüsen,
zu früh
zu schließen,
falls der zweite Druck größer ist
als das 0,8 fache des ersten Drucks. Aus 2 ist ersichtlich,
dass die Schulter 20 in dem Ventilverschlussgliedkanal 15 der
zweiten Ventilspindeleinrichtung 8b einen beträchtlichen
Teil der Wirkflächengröße A3 bedeckt,
wenn der Sprinkler sich in dem in 2 gezeigten
ersten aktiven Zustand befindet. Folglich reichen sehr wenig Druck
und eine sehr geringe zusätzliche
Oberflächengröße A2 aus,
um das erste Ventilverschlussglied 8a in der in der Figur
gezeigten unteren Position zu halten.
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Falls
der Druck, nachdem der Sprinkler ausgelöst ist, geringer ist als der
erste Druck (50 Bar), reicht der Druck des Mediums nicht aus, den
Sprinkler in die in 2 gezeigte Position zu bewegen,
vielmehr bewegt sich dieser in die Position nach 3 oder
verbleibt in dieser Position, in der lediglich der Kanal 9-15-6-12-13 zu
der zentralen Düse 4 hin
offen ist. Der Sprinkler arbeitet in der Position nach 3, obwohl
der Druck sehr niedrig ist, beispielsweise 2 Bar aufweist.
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Das
erste Ventilverschlussglied 8a umfasst eine Drossel 12,
die in Strömungsrichtung
nach der Wirkflächengröße A3 angeordnet
ist. Dank der Drossel 12 übt das Medium, wenn der Sprinkler
ausgelöst ist,
eine größere Kraft
auf die Wirkflächengröße A3 aus,
als ohne das Vorhandensein einer Drossel, d.h. die Rückholkraft
der Feder 10 muss nicht groß sein, um das erste Ventilverschlussglied 8a in
seiner obe ren Position zu halten. Die Bedeutung der Drossel 12 wächst in
Abhängigkeit
von dem Wert des anfänglichen
Drucks, der für
den Sprinkler konstruktionsmäßig bemessenen
ist: falls der anfängliche
Druck niedrig ist, wird die Drossel nicht unbedingt benötigt.
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Die
Figuren zeigen, dass eine um die erste Ventilspindeleinrichtung 8a angeordnete
Schraubenfeder 10 einen spiralförmigen Pfad 13 für das Medium
bildet. In der Position nach 2 ist der
Pfad 13 kürzer
als in 3 und verleiht dem strömenden Medium eine höhere Geschwindigkeit.
Ein spiralförmiger
(schraubenförmiger)
Pfad 13 ermöglicht
ein wirkungsvolles Sprühen.
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Die
Erfindung ist im Obigen anhand lediglich eines Beispiels beschrieben,
und es sollte daher beachtet werden, dass die Erfindung im Einzelnen
innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche in mannigfaltiger Weise
abweichen könnte.
Die Ventilspindeleinrichtung des Sprinklers muss nicht notwendig
zwei relativ zueinander bewegliche Ventilverschlussglieder aufweisen,
vielmehr kann die Ventilspindeleinrichtung eine einstückige Komponente sein,
wobei sie in diesem Falle von unten (der Richtung der Ampulle) her
durch eine Feder vorgespannt wird. Allerdings ist die zweiteilige
Konstruktion der Ventilspindeleinrichtung für die Praxis der Konstruktion
des Sprinklers besser geeignet. Die Ventilspindeleinrichtung braucht
den Einlass nicht geschlossen zu halten, wenn sich der Sprinkler
in seiner Bereitschaftsstellung befindet, allerdings ist dies in
Hochdruckanwendungen empfohlen, da große den Sprinkler in seiner
Bereitschaftsstellung belastende Kräfte in diesem Fall nicht auftreten.
Anstelle einer Schraubenfeder kann die Ventilspindeleinrichtung grundsätzlich durch
ein belie biges Federmittel vorgespannt werden, d.h. der Begriff "Feder" in Anspruch 1 kennzeichnet
jedes für
den Zweck geeignete Federmittel, beispielsweise Elemente aus einem
Elastomer. Die Oberflächengrößen A1,
A2 und A3 brauchen nicht unbedingt kreisförmig oder ringförmig zu sein,
obgleich diese Formen mit Blick auf die Herstellung in hohem Maße empfohlen
sind.