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Die Erfindung betrifft ein Ventil, womit jede Vorrichtung,
wie z.B. ein Hahn, gemeint ist, die geeignet ist, die
Strömung eines Fluids (Gas oder Flüssigkeit) durch eine
Zufuhroder Abführleitung für dieses Fluid zu steuern.
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Die häufigsten Beispiele von derzeit verfügbaren Ventilen
verwenden ein Schraubgewinde, das zusätzlich die
Bestandteile des Ventils miteinander verbindet und häufig lediglich
für diesen Zweck verwendet wird.
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Es gibt jedoch Anwendungsfälle, in denen das Vorhandensein
einer Schraubgewinde-Verbindung nicht erforderlich oder
sogar unerwünscht ist. Bei der Massenherstellung ist das
Anbringen eines Schraubgewindes relativ teuer. Es kann nicht
durch das einfachst mögliche Formverfahren hergestellt
werden, bei dem ein (fester) Stempel aus einer Form
herausgenommen wird, weil die einander gegenüberliegenden Seiten des
Schraubgewindes in der Form dies verhindern würden. Es muß
ein zusammenlegbarer oder rotierender Stempel verwendet
werden, um ein Schraubgewinde in einem Kunststoffmaterial
herzustellen. Wird demgegenüber das Schraubgewinde in
Metallteilen vorgesehen, so muß es durch einen
Präzisions-Schneidvorgang hergestellt werden. Zusätzlich zu den relativ hohen
Herstellungskosten ist eine Schraubgewinde-Anordnung für ein
automatisches Zusammenbauverfahren nicht geeignet, weil die
Teile genau ausgerichtet und gegeneinander gedreht werden
müssen. Siehe auch den in DE-A-3 336 386 beschriebenen Stand
der Technik.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ventil zu
schaffen, das auf wirtschaftlichere Weise hergestellt und
zusammengesetzt werden kann, als ein Ventil, bei dem ein
Schraubgewinde Verwendung findet.
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Gemäß der Erfindung ist ein Ventil vorgesehen, das folgende
Bestandteile umfaßt: ein rohrförmiges Gehäuse mit einem in
ihm ausgebildeten Ventilsitz, ein Ventilglied-Steuerelement,
das eine im wesentlichen zylindrische Außenfläche aufweist,
die für eine gleitende und drehende Bewegung in das Rohr
eingepaßt ist, eine Kappe, die das vom Ventilsitz entfernt
liegende Ende des rohrförmigen Gehäuses abdeckt, wobei die
Kappe so mit dem Gehäuse in Eingriff steht, daß sie von Hand
bezüglich des Gehäuses gedreht, aber nicht axial
verschoben werden kann, und Mittel, die vorgesehen sind, um eine
Eingriffsverbindung zwischen der Kappe und dem Steuerelement
herzustellen, so daß das Steuerelement bezüglich der Kappe
axial verschieblich, aber drehfest ist, und wobei das
Gehäuse und das Steuerelement mit einer Vielzahl von
konzentrischen Paaren von gegenüberliegenden schraubenförmigen
Rampen mit unterschiedlichen Durchmessern versehen sind,
wobei die Rampen eines jeden Paares gleiche Durchmesser
besitzen, in Axialrichtung des Gehäuses einander
gegenüberliegen und entgegengesetzt angeordnet sind, so daß die
Gleitberührung zwischen den Rampen bei einer Drehung des
Steuerelementes eine Axialverschiebung des Steuerelementes zum
Ventilsitz hin oder von ihm weg bewirkt, wobei benachbarte
Paare um die Achse des Gehäuses winkelmäßig versetzt sind
und wobei eine Druckfeder zwischen der Kappe und dem
Steuerelement eingeschlossen ist, um letzteres zum Ventilsitz hin
vorzuspannen, wobei weiterhin die beiden Rampen eines jeden
Paares eine gleiche, konstante Steigung aufweisen und so
geformt sind, daß sie für eine Gleitberührung zwischen
kontinuierlichen Oberflächen oder zwischen einer kontinuierlichen
und einer diskontinuierlichen Oberfläche der Rampen eines
jeden Paares sorgen, wenn das Steuerelement und das Gehäuse
relativ zueinander gedreht werden.
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Es können zwei Paare von Rampen vorhanden und winkelmäßig um
180º gegeneinander versetzt sein.
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Alternativ hierzu können gegenüberliegende Flächen des
Gehäuses und des Steuerelementes jeweils mit mehr als zwei
schraubenförmigen Rampen mit unterschiedlichem Durchmesser
versehen sein, wobei jede Rampe der einen Komponente mit
einer gleichen Rampe der anderen Komponente ein Paar bildet
und jedes Rampenpaar bezüglich des oder eines jeden der
benachbarten Paare gemäß der folgenden Formel winkelmäßig
versetzt ist:
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Optimale Versetzung = (360)º/(Anzahl der konzentrischen
schraubenförmigen Rampen = 2+)
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Das Steuerelement kann eine axiale Bohrung aufweisen, in
der ein Schaft eines Ventilgliedes in axialer Richtung
verschieblich ist, wobei das Ventilglied einen Kopf an dem einen
Ende des Schaftes aufweist und zwischen diesem Kopf und dem
Steuerelement eine Druckfeder angeordnet ist, um den Kopf des
Ventilgliedes so vorzuspannen, daß er den Ventilsitz berührt,
wobei die Anordnung so getroffen ist, daß eine axiale
Verschiebung des Steuerelementes im Gehäuse den Druck der
Federbelastung einstellt, mit dem der Kopf des Ventilgliedes am
Ventilsitz gehalten wird.
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Eine Rampe eines jeden Rampenpaares kann diskontinuierlich
sein, indem sie von winkelmäßig getrennten Vorsprüngen
gebildet wird, deren Oberflächen, die zu der anderen Rampe des
Paares hinweisen, alle auf einer Schraubenlinie mit einer
Steigung und einem Durchmesser liegen, die gleich der
Steigung und dem Durchmesser der anderen Rampe sind.
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Es werden nun in nicht einschränkender Weise
Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:
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Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht eine Ventilbaugruppe
in auseinandergezogener Form längs der Linie I-I
in den Fig. 2 und 3,
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Fig. 2 eine von unten her erfolgende Draufsicht auf das
Ventilglied-Steuerelement des Ventils aus Fig. 1
längs der Linie II-II aus Fig. 1,
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Fig. 3 eine Draufsicht auf den unteren Teil des Ventils
aus Fig. 1 längs der Linie III-III aus Fig. 1,
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Fig. 4 eine teilweise weggebrochene perspektivische
Ansicht des unteren Teils des Ventils aus Fig. 1 in
Richtung des Pfeiles IV in Fig. 3, und
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Fig.5 und 6 Berührungs-Rampenoberflächen verschiedener
Anordnungen, die zwei bzw. vier Paare von
schraubenförmigen Rampen aufweisen.
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Das in den Figuren 1 bis 4 dargestellte Ventil ist so
konstruiert, daß es einen vorbestimmten, geringfügig über dem
Atmospärendruck liegenden Gasdruck in einem Gasströmungsweg
eines (nicht dargestellten) Atmungssystems aufrechterhält,
wie es im Anästhesiebereich Verwendung findet. In an sich
bekannter Weise ist das System mit einer Einlaßöffnung 11
eines Gehäuseteiles 10 des Ventils verbunden. Wenn der
Systemdruck genügend hoch ist, um den Widerstand einer
relativ schwachen Druckfeder 12 zu überwinden, wird der Kopf
40 eines Ventilgliedes 13 von einem Ventilsitz 41 abgehoben,
der eine Öffnung 14 umgibt, um das Austreten von
überschüssiger Luft oder überschüssigem Gas aus einer Auslaßöffnung
15 des Ventils zu ermöglichen. Wie dargestellt, ist dies das
zentrale Element eines Verbinders 16, wobei ein (nicht
dargestellter) flexibler Schlauch mit der Austrittsseite des
Ventils zum Ablassen von überschüssigem Gas verbunden sein
kann. Soweit bisher beschrieben, besitzt das Ventil einen
herkömmlichen Aufbau. Die Einstellung der Feder 12 bestimmt
dann, wenn diese zwischen einem Ventilglied-Steuerelement 17
des Ventils und dem Ventilsitz 41 kompressionsmäßig
eingespannt ist, in Antwort auf welchen Überdruck im System das
Ventil öffnet. Das Ventil arbeitet somit in der Weise, daß
es unerwünschten Überdruck im System abbaut, während
gleichzeitig ein Überdruck aufrechterhalten wird, der ausreicht,
um eine Gegenströmung zwischen dem Auslaß 15 und dem Einlaß
11 auszuschließen. Dies schützt das System gegen das
Eindringen von Verschmutzungen aus der Umgebung.
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Wie ebenfalls an sich bekannt ist, wird die axiale
Verschiebung des Ventilgliedes 13 relativ zu seinem Ventilsitz
41 dadurch gesteuert, daß obere und untere Teile des Ventils
gegeneinander verdreht werden, wodurch von Hand die
Einstellung des Ventils vorgenommen wird, um einen höheren oder einen
niedrigeren Systemdruck zu erzeugen. Dies wird jedoch ohne
eine Schraubengewinde-Verbindung zwischen dem oberen und dem
unteren Teil des Ventils erzielt. Gemäß der vorliegenden
Erfindung besitzt das Ventilglied-Steuerelement 17 des Ventils
eine zylindrische Außenfläche 22, die in einem Gleit- und
Drehsitz in eine rohrförmige Bohrung 43 des Gehäuses 10 des
Ventils eingepaßt ist. Das Steuerelement 17 besitzt eine
zentrale Nabe 19, die eine Bohrung 44 umgrenzt, in der ein
Schaft 45 des Ventilgliedes 13 im Gleitsitz angeordnet ist.
Das Ventilglied 13 hat einen Kopf 40 am unteren Ende des
Schaftes 45, der so aufgebaut ist, daß er auf dem Ventilsitz
41 aufsitzt, um die Einlaßöffnung 14 des Ventils zu
verschließen, und eine Druckfeder 12 umgibt den Schaft 45 und
ist zwischen dem Steuerelement 17 und dem Kopf 40 des
Ventilgliedes 13 eingespannt.
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In zusammengebautem Zustand des Ventils nimmt eine Rille 20
an der inneren Umfangswand einer zentralen Nabe 21 der Kappe
18 eine Längsrippe (nicht dargestellt) auf der äußeren
Umfangswand der zentralen Nabe 19 des Steuerelementes 17 auf,
so daß letzteres bezüglich der Kappe 18 drehfest, aber axial
verschieblich ist.
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Die Kappe 18 besitzt einen Rand 23, der zu seinem unteren
freien Ende hin auf seiner innenwand einen ringförmigen
Wulst 24 besitzt. Dieser übergreift in einer
Schnappverbindung eine Schulter 37 der rohrförmigen Wand des Gehäuses 10.
Auf diese Weise kann die Kappe 18 (und mit ihr das
Steuerelement 17) relativ zum Gehäuse 10 gedreht werden, ohne daß
eine relative Axialbewegung, beispielsweise zum Entfernen
der Kappe 18 vom Gehäuse 10, möglich ist. (Dies wird
vorzugsweise ermöglicht, beispielsweise dadurch, daß der Rand 23
ausreichend elastisch ausgebildet wird, so daß sein
Widerstand überwunden werden kann, wenn es beabsichtigt ist, die
Kappe 18 zu entfernen, der aber ausreicht, um ein
unbeabsichtigtes Abnehmen der Ventilkappe zu verhindern.)
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Zwischen der Kappe 18 und dem Steuerelement 17 ist eine
vergleichsweise stärkere Druckfeder 25 eingespannt. Sie umgibt
eine Nabe 21 der Kappe und wirkt zwischen einem Sitz 26 für
die Feder an der Unterseite des Steges 27 der Kappe und der
Oberseite des Steges 28 des Steuerelementes 17, wo sich
dieser zwischen der Nabe 19 (die in der Nabe 21 aufgenommen
ist) und der Umfangswand 22 des Steuerelementes erstreckt.
Das Steuerelement 17 ist auf diese Weise von der Kappe 18
weg nach unten vorgespannt, so daß die unteren Oberflächen
29 und 30 des Steuerelementes 17 mit den nach oben weisenden
Oberflächen 31 und 32 im Inneren des Gehäuses 10 unabhängig
von der Winkelstellung des Steuerelementes 17 bezüglich des
Gehäuses 10 in Berührung gehalten werden.
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Die Oberfläche 31, die an der inneren Umfangsfläche der
Außenwand 33 des Gehäuses 10 einen Sims bildet, hat die Form
einer schraubenförmigen Rampe mit konstanter Steigung, die
an einer im wesentlichen senkrechten Oberfläche oder Stufe
34 beginnt und endet. Die gegenüberliegende Oberfläche 29
des Steuerelementes 17 ist eine schraubenförmige Rampe mit
gleicher bzw. ähnlicher konstanter Steigung, die an einer
entsprechenden Stufe 35 beginnt und endet. Die Wirkungsweise
der bisher beschriebenen Anordnung ist folgende: Wenn das
Steuerelement 17 mit der Kappe 18 gedreht wird, gleitet die
Rampe 29 über die Rampe 31, was eine axiale Verschiebung
des Steuerelementes 17 relativ zum Gehäuse 10 bewirkt. Diese
Verschiebung des Steuerelementes 17 findet innerhalb der
Kappe 18 statt, die aufgrund des Eingriffes des Wulstes 24
über die Schulter 37 bezüglich des Gehäuses 10 axial
unverschoben bleibt. Eine Bewegung des Steuerelementes 17 zum
Ventilsitz 41 des Gehäuses hin oder von diesem weg verändert
den Zwischenraum, in dem sich das Ventilelement 13 in
axialer Richtung bewegen kann und stellt somit die
Austrittsrate aus dem System, und demgemäß den Systemdruck, ein.
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Es ist offensichtlich, daß dann, wenn das Steuerelement 17
bezüglich des Gehäuses 10 um mehr als 360º gedreht wird, die
Stufe 35 über die Stufe 34 hinwegläuft. In der Praxis ist
es wünschenswert, dies zu verhindern und die zugelassene
Winkelbewegung des Steuerelementes 17 zu begrenzen. Bei dem
wiedergegebenen Ausführungsbeispiel wird dies dadurch
erreicht, daß ein Ansatz 36 (Fig. 3) an der Außenwand des
Gehäuses 10 an einer Stelle vorgesehen wird, an der er mit
einem (nicht dargestellten) Anschlag an der Kappe 18 in
Eingriff treten kann, um die zulässige Winkelbewegung der
Kappe und mit ihr des Steuerelementes 17 auf weniger als
360º zu begrenzen.
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Die Wechselwirkung zwischen den schraubenförmigen Rampen 29
und 31 während der Drehung des Steuerlementes 17 kann am
besten durch eine Betrachtung des äußeren der beiden Ringe
in Fig. 5 erkannt werden. In einer Ausgangsstellung (Fig.
5a) ist die Stufe 35 in Berührung mit der Stufe 34. Das
Steuerelement 17 befindet sich in der unterst möglichen
Stellung im Gehäuse 10, und die gegenseitige Berührung
zwischen den Rampen 29 und 31 erstreckt sich im wesentlichen
über 360º. In Fig. 5b ist das Steuerelement 17 relativ zum
Gehäuse 10 um 90º gedreht worden. Die Stufen 34 und 35 haben
sich um 90º voneinander entfernt, und der nicht
schraffierte Bereich zwischen ihnen stellt den Bogen dar, über den
hinweg die Rampe 31 aufgehört hat, die Rampe 29 zu tragen.
In Fig. 5c hat sich der nicht unterstützte Bogen auf 180º
und in Fig. 5d auf 270º ausgedehnt. Fig. 5e stellt die vom
Ansatz 36 zugelassene maximale Winkelbewegung des
Steuerelementes 17 relativ zum Gehäuse 10 und somit die maximale
Verschiebung des Steuerelementes 17 in axialer Richtung weg
vom Gehäuse 10 dar, die durch die zusammenwirkenden Rampen
29 und 31 verursacht wird. Der verbleibende Abstützbereich
wird durch den restlichen schraffierten Bereich des Äußeren
der beiden Ringe wiedergegeben.
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In dieser Situation besteht für das Steuerelement 17 eine
starke Tendenz, unter dem Einfluß der Feder 25 aus der
axialen Ausrichtung mit dem Gehäuse 10 und der Kappe 18
herauszukippen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies
dadurch verhindert, daß ein zweites Paar von einander
gegenüberliegenden schraubenförmigen Rampen 30 und 38 mit gleicher
konstanter Steigung vorgesehen wird, das bezüglich des zuerst
erwähnten Paares winkelmäßig um 180º versetzt ist, d.h. die
zweite Rampe 30 am Steuerelement 17 ist bezüglich der ersten
Rampe 29 des Steuerelementes um 180º versetzt, und die zweite
Rampe 38 des Gehäuses 10 ist gegen die erste Rampe 31 des
Gehäuse um 180º versetzt. Die Struktur 38 wird der
Einfachheit halber als "Rampe" bezeichnet. Tatsächlich besteht sie
aus den oberen Oberflächen von vier mit gleichen
winkelabständen angeordneten Vorsprüngen 32, die von der Innenseite
des Einlasses 11 des Gehäuses 10 um den Ventilsitz 41 herum
nach oben abstehen. Diese oberen Oberflächen der Vorsprünge
32 liegen alle auf einer gedachten schraubenförmigen Rampe,
die in ihrer Steigung und ihrem Durchmesser gleich der Rampe
30 am Teil 17 ist und bilden somit gemeinsam eine
unterbrochene schraubenförmige Rampe 38. Die innere Rampe 38 des
Gehäuses 10 ist unterbrochen, um ein freies Strömen von
Gasen zwischen dem Einlaß 11 und dem Auslaß 15 zu ermöglichen.
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Bei dem Diagramm in Fig. 5 ist für Darstellungszwecke
angenommen, daß die innere Rampe 38 des Gehäuses 10
ununterbrochen ist. Darüber hinaus ist angenommen, daß sich die innere
Rampe 30 des Steuerelementes 17 über 360º erstreckt. In der
Praxis ist dies nicht erforderlich und wird durch das
Vorhandensein des Ansatzes 36 verhindert. Die Rampe 30 entspringt
von der Unterseite des Steges 28 des Steuerelementes 17 an
einer Stelle 40 nahe bei der Stufe 39, die ihren "höchsten"
Punkt bildet, und an der sie endet. Man sieht jedoch, daß die
Stufe 39 gegen die Stufe 35 ungefähr um 180º versetzt bzw.
verdreht ist.
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Wenn die Rampe 38 ununterbrochen wäre, wäre der
Berührungsbereich zwischen dem inneren Paar von Rampen 30 und 38 so,
wie er in Fig. 5 durch den schraffierten Teil der beiden
inneren Ringe dargestellt ist. Wenn sich das Steuerelement
17 in seiner tiefsten Lage bezüglich des Gehäuses 10
befindet, besteht praktisch ein kontinuierlicher Kontakt zwischen
dem inneren Rampenpaar, wobei auch ein ähnlicher Kontakt
zwischen dem äußeren Rampenpaar vorhanden ist (Fig. 5a).
Wenn das Steuerelement 17 um 90º gedreht wird, bewegt sich
die Rampe 30 über die Rampe 38 hinaus, wie dies durch den
nicht schraffierten Bereich in Fig. 5b dargestellt ist, und
man sieht, daß dieser nicht schraffierte Bereich um 180º
gegen den nicht schraffierten Bereich des äußeren Ringes
verdreht ist. Dies ist ähnlich in den Fig. 5c und 5d, wo
über 180º bzw. 270º keine Berührung mehr vorhanden ist. In
Fig. 5e, in der die Berührung minimal ist, sieht man, daß
die durch die schraffierten Bereiche des inneren und des
äußeren Ringes wiedergegebenen Berührungsbereiche sich auf
einander diametral gegenüberliegenden Seiten der Achse x der
relativen Dreh- und Achsialbewegung des Steuerelementes 17
und des Gehäuses 10 befinden.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung besteht darin, daß selbst
dann, wenn die Berührung zwischen den Rampen eines jeden
Paares auf ein Minimum verringert ist (wenn sich das
Steuerelement 17 in seiner maximalen Anhebung bezüglich des
Gehäuses 10 befindet) immer noch eine Berührung auf
gegenüberliegenden Seiten der Achse x vorhanden ist, und daß somit der
Neigung des oberen Teils 17 entgegengewirkt wird, aus der
axialen Ausrichtung mit dem Teil 10 herauszukippen. Es ist
jedoch klar, daß die winkelmäßige Versetzung bzw. Verdrehung
zwischen den beiden Rampenpaaren nicht exakt 180º sein muß
und daß darüber hinaus mehr als zwei Rampenpaare verwendet
werden können. Beispielsweise zeigt Fig. 6 eine Anordnung,
bei der vier Rampenpaare vorhanden sind, von denen jedes
Paar gegenüber jedem benachbarten Paar um 90º verdreht ist.
Wenn Teile, die die entsprechenden Rampen eines jeden Paares
tragen, aus einer Stellung minimaler axialer Trennung
(Fig.6a) in eine Stellung maximaler axialer Trennung (Fig.
6e) verdreht werden, bleiben die Berührungs-Restbereiche,
die durch die schraffierten Teile der vier Ringe dargestellt
werden, um die Achse x der relativen Dreh- und
Axial-Verschiebung verteilt, und man sieht insbesondere, daß in der
durch Fig. 6e wiedergegebenen Extremalstellung eine
Restberührung an diametral gegenüberliegenden Stellen vorhanden
ist, die zueinander in etwa senkrecht liegen. Dies sorgt für
eine optimale Stabilität, indem ein Verkippen in zueinander
im rechten Winkel liegenden Richtungen verhindert wird.
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Wenn zwei Rampenpaare verwendet werden, führt eine
Winkelversetzung zwischen ihnen von weniger als 180º zu einer
weniger stabilen Anordnung, da die restliche Berührung bei
einer maximalen axialen Ausdehnung entsprechend Fig. 5e
nicht an diametral gegenüberliegenden Stellen auftreten
wird. Wenn die Versetzung weniger als 90º beträgt, wird
durch die Verwendung von zwei Rampenpaaren nur ein
geringer Vorteil erzielt, weil die restliche Berührung auf der
gleichen Seite der x-Achse auftritt. Die folgende Formel
kann verwendet werden, um die optimale Winkelversetzung
zwischen einander benachbarten Rampenpaaren zu bestimmen:
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Optimale Versetzung = (360)º/(Anzahl der
konzentrischen schraubenförmigen Rampen = 2+)
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Bei der Ausführungsform der Fig. 1 bis 4 wird die eine
Rampe 38 eines Paares 30,38 von winkelmäßig im Abstand
angeordneten Vorsprüngen 32 gebildet. Es wird darauf hingewiesen,
daß gewünschtenfalls eine der Rampen 29 oder 31 des anderen
Paares in gleicher Weise diskontinuierlich sein kann. Wenn
eine der Rampen eines jeden Paares von Vorsprüngen, wie z.B.
den Vorsprüngen 32, gebildet wird, ist es nicht wesentlich,
daß die verbleibenden ganzen oder kontinuierlichen Rampen
beide oder alle am gleichen Teil 10 oder 17 des Ventils
vorgesehen sind.
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Es ist auch ein Ventil oder ein Absperrhahn möglich, bei dem
das getrennte Ventilglied 13 und die dazugehörige Feder 12
weggelassen sind und bei dem das Steuerelement 17 selbst das
Ventilglied bildet, das eine (nicht dargestellte) Oberfläche
besitzt, die mit dem Ventilsitz 41 in dichtenden Eingriff
tritt, wenn sie sich an diesen annähert.