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QUERVERWEIS
AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung ist eine teilweise Weiterführung der am 27. September
2000 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 09/671,841, welche ihrerseits
eine teilweise Weiterführung
der am 16. März 2000
eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 091527,395 ist. Die Offenbarungen
vorgenannter Anmeldungen werden durch Bezugnahme in diese Anmeldung
einbezogen.
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HINTERGRUND
UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Fluidsteuerventile
zum Betreiben einer fluidbetätigten
Vorrichtung und insbesondere Fluidsteuerventile mit einem oder mehreren
Kugelhubventilen.
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Aus
den Dokumenten
EP 1
134 430 A2 und
GB 940
901 sind Hochdrucksteuerventile bekannt. Vorzugsweise haben
ein Kugelhubventil und ein kegelstumpfförmiger Ventilsitz, der für im Wesentlichen linienartigen
Kontakt zwischen diesen ausgebildet ist, einen Bereich mit stromaufwärts verringertem Fluss,
um Schallflussschäden
(engl.: sonic flow damage) an der eigentlichen Dichtfläche des
Ventilsitzes zu minimieren.
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Fluidsteuerventile
werden häufig
bei sehr unterschiedlichen Hochdruckanwendungen verwendet, z. B.
bei durch Blasformen hergestellten Plastikflaschen oder anderen
Behältern
dieser Art. Obwohl diese Steuerventile im Allgemeinen zufrieden
stellend funktionieren, sind sie aufgrund starker Abnutzung oftmals
nur von kurzer Lebensdauer, weil sie hohem Fluiddruck ausgesetzt
sind, und es können
innen auch fluidundichte Stellen auftreten. Diese inneren undichten
Stellen, beispielsweise Überkreuz-Undichtigkeiten
(engl.: cross-over leaks), können
auftreten, wenn die Einlassöffnung
des Ventils geöffnet
und gleichzeitig die Austrittsöffnung
des Ventils geschlossen wird, um die fluidbetätigte Vorrichtung anzutreiben.
In der Folge haben diese Faktoren zu hohen Betriebs- und Wartungskosten
der Systeme des Stands der Technik beigetragen.
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Überdies
wird in vielen handelsüblichen
Anwendungen bevorzugt, dass das Steuerventil zur Ausgabe mehrerer
Drücke
in der Lage ist. Beispielsweise im Zusammenhang mit durch Blasformen
hergestellten Plastikflaschen ist es oftmals wünschenswert, zu Beginn einen
relativ niedrigen Druck auf das Formwerkzeug aus zuüben, um
das Plastik (oder ein anderes Material) dem Werkzeughohlraum oder
den -hohlräumen
zuzuführen,
und dann einen relativ hohen Druck auszuüben, um das Material zu drücken oder
zu erweitern, damit es sich in den Werkzeughohlraum einfügt.
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Dementsprechend
besteht in diesem Fachgebiet der Bedarf, ein Hochdruck- oder Vielfachdruck-Steuerventil
bereitzustellen, das dessen Abnutzung und inneren Fluidverlust minimieren
kann, um die Nutzungsdauer des Ventils zu maximieren und die entsprechenden
Betriebs- und Wartungskosten zu minimieren. Darüber hinaus besteht in diesem Fachgebiet
der Bedarf, ein Fluidsteuerventil bereitzustellen, das mehrere Drücke selektiv
an die fluidbetätigte
Vorrichtung ausgeben kann.
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Gemäß der breiten
Lehre der vorliegenden Erfindung enthält ein Primär-Steuerventil (engl.: primary control
valve) zum Betreiben einer fluidbetätigten Vorrichtung einen Fluideinlass,
einen Fluidauslass und einen Durchgang, der in fluider Verbindung zwischen
dem Fluideinlass und dem Fluidauslass steht, wobei der Durchgang
eine Längsachse
bildet. Ein Ventilsitz ist in dem Durchgang angeordnet und enthält jeweils
einen Durchmesser an der stromaufwärts gelegenen Seite und an
der stromabwärts
gelegenen Seite. Der Durchmesser an der stromabwärts gelegenen Seite ist kleiner
als der Durchmesser an der stromaufwärts gelegenen Seite. Ein Kugelhubventil
kann in einer eingepassten Linienkontakt-Position mit dem Ventilsitz
angeordnet werden. Der Ventilsitz hat relativ zu einer Mittellinie
der Längsachse
einen Ventilsitzwinkel, der größer ist
als ein Winkel aus der Mittellinie und einer zum Kugelhubventil
in der eingepassten Linienkontakt-Position tangentialen Linie.
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Jede
Seite des bevorzugten kegelstumpfförmigen Zufuhrventilsitzes hat
relativ zur Mittellinie des Zufuhrventilsitzes einen Zufuhrsitzwinkel,
der größer ist
als ein Winkel aus der Mittellinie des Zufuhrventilsitzes und einer
zum Zufuhr-Kugelhubventil in dem vorgenannten maßgeblichen Linienkontakt tangentialen
Linie, wenn sich das Zufuhr-Kugelhubventil in der geschlossenen
Position befindet. Die enthaltene Winkelbeziehung der Ventilsitzwinkel
an beiden Seiten der Mittellinie beträgt bevorzugt ca. 90 Grad. Daraus
ergibt sich eine ringförmige
Aussparung zwischen dem Zufuhrventilsitz und dem sphärischen
Zufuhr-Kugelhubventil, welche stromaufwärts von dem vorgenannten maßgeblichen
Linienkontakt einen Bereich mit verringertem Zufuhrfluss bildet,
wenn sich das Zufuhr-Kugelhubventil anfangs in die offene Position
bewegt und wenn Hochgeschwindigkeits- und Hochdruck- Arbeitsfluid anfangs
stromabwärts
fließt, vorbei
an dem Zufuhr-Kugelhubventil und durch das Ventilsitz-Ende mit kleinerem
Durchmesser. Dies ist sehr vorteilhaft, da jede vom anfänglichen
Fluss des Hochgeschwindigkeits- und Hochdruck-Arbeitsfluids durch den ringförmigen Bereich
mit verringertem Zufuhrfluss hervorgerufene Schallflusserosion (engl.: sonic
flow erosion) somit im Wesentlichen sofort zu einer stromaufwärts gelegenen
Oberfläche
des Zufuhrventilsitzes verlagert wird, welche an einen solchen ringförmigen Bereich
mit verringertem Zufuhrfluss angrenzt. Bedeutsam ist, dass solch
eine stromaufwärts
gelegene Oberfläche
des Zufuhrventilsitzes ein Bereich ist, der durch das Zufuhr-Kugelhubventil nicht
versiegelt verbunden ist. Somit minimiert dieses unmittelbare Verlagern
des für
Schallschäden
empfindlichen Bereiches wesentlich die Schallerosion des stromabwärts gelegenen
Endes des Zufuhrventilsitzes mit nur minimal kleinerem Durchmesser,
das durch das Zufuhr-Kugelhubventil im Wesentlichen in Linienkontakt
steht. Bei erfindungsgemäßen Steuerventilen,
die sowohl Zufuhr- als auch Austrittventilfunktion haben, ist in
dem Austrittsdurchgang, der für Austrittsfluid
in fluider Verbindung zwischen dem Lastauslassdurchgang (sowie Lastauslass)
und dem Austrittsauslass steht, vorzugsweise eine ähnliche Anordnung
vorgesehen. Wie oben erwähnt
ist diese Anordnung gleichermaßen
auf ein Druckschalt-Fluidsteuerventil
(engl.: pressure selector fluid control valve) anwendbar, was nachfolgend
beschrieben wird.
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Zudem
enthält
die vorliegende Erfindung vorzugsweise einen im Allgemeinen zylindrischen Hohlraum
direkt stromaufwärts
von den stromaufwärts
gelegenen Enden der Zufuhr- und/oder Austrittsventilsitze mit größerem Durchmesser,
wobei ein solcher Hohlraum vorzugsweise einen größeren Durchmesser hat als das
stromaufwärts
gelegene Ende des jeweiligen Ventilsitzes mit größerem Durchmesser. Eine zylindrische
Hubführung
oder Kugelhubventilführung
ist in diesem Hohlraum des Fluiddurchgangs mit vergrößertem Durchmesser
angeordnet, wobei die Kugelhubventilführung eine zentrale Führungsbohrung
hat, die sich axial durch diese hindurch erstreckt. Einige voneinander
beabstandete, am Umfang angeordnete, sich axial erstreckende Führungsrippen
ragen radial nach innen in die Führungsbohrung
hinein, wobei das Kugelhubventil in der Führungsbohrung aufgenommen ist,
um sich innerhalb der radialen Innenseiten der Führungsrippen zwischen der geöffneten
und der geschlossenen Position axial zu bewegen. Der Innendurchmesser
des oben genannten Hohlraums ist vorzugsweise etwas größer als
der Außendurchmesser
der Kugelhubventilführung,
damit die Kugelhubventilführung
und das Kugelhubventil in dem Hohlraum radial etwas schwimmen kön nen. Dadurch
kann sich das im Allgemeinen sphärische
Kugelhubventil im Wesentlichen selbst derart zentrieren, dass es
den Linienkontakt mit dem Ende mit kleinerem Durchmesser des jeweiligen
Zufuhr- oder Austrittsventilsitzes abdichtet. Solche am Umfang mit
Abstand angeordnete Führungsrippen
ermöglichen
dem Hochdruck-Arbeitsfluid dazwischen hindurchzuströmen, und
die Kugelhubventilführung
minimiert im Wesentlichen die Abnutzung des Kugelhubventils und/oder
des Ventilsitzes, welche entstehen würde, wenn es rattern könnte oder aber
sich radial in dem Hochgeschwindigkeitsfluidstrom bewegen könnte. Eine
solche Kugelhubventilführung
kann auch in einem Schalt-Fluidsteuerventil (engl.: selector fluid
control valve) verwendet werden, wie nachfolgend beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung vermeidet im Wesentlichen Überkreuz-Undichtigkeiten in
Hochdruckfluidsteuerventilen, die sowohl Zufuhr- als auch Austrittsventile
haben, indem der Austritts-Kugelhubventilbetätiger eingeschaltet wird, wodurch
die Austrittsseite des Steuerventils geschlossen wird gerade bevor
der Zufuhr-Kugelhubventilbetätiger eingeschaltet wird,
der dann die Zufuhrseite öffnet
und den Zufuhrstrom zu dem Lastdurchgang und der Öffnung einleitet.
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Die
oben genannten Kugelhubventile (entweder für Primär- oder für Schalt-Fluidsteuerventile) sind vorzugsweise
aus metallischem Material zusammengesetzt, wie beispielsweise rostfreiem
Stahl, und die oben genannten Kugelhubventilführungen sind vorzugsweise aus
einem synthetischen Material zusammengesetzt, wie beispielsweise
Nylon. Ein Fachmann kann leicht erkennen, dass für die Kugelhubventile und/oder
die Kugelhubventilführungen
auch andere metallische, synthetische oder nicht-synthetische Materialien
verwendet werden können,
in Abhängigkeit
von dem jeweiligen eingesetzten Arbeitsfluid (pneumatisch oder flüssig) und
dem jeweiligen verwendeten Arbeitsfluiddruck, und in Abhängigkeit von
der jeweiligen Anwendung, in der das erfindungsgemäße Fluidsteuerventil
eingesetzt wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein Druckschalt-Fluidsteuerventil
bereit zum selektiven Zuführen
von mindestens zwei unterschiedlichen Arbeitsfluiddruckwerten zu
einer fluidbetätigten
Vorrichtung, entweder direkt oder über ein Primär-Fluidsteuerventil
wie das oben erläuterte.
Ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Schalt-Fluidsteuerventil
hat vorzugsweise einen Hochdruckeinlass, der in fluider Verbindung
mit einer Bezugsquelle für
Arbeitsfluid bei relativ hohem Druck steht, einen Niederdruckeinlass,
der in fluider Verbindung mit einer Bezugsquelle für Ar beitsfluid
bei relativ niedrigem Druck steht, und einen zwischengeschalteten
Lastfluid-Auslassdurchgang, der in fluider Verbindung mit der fluidbetätigten Vorrichtung
oder dem Primär-Fluidsteuerventileinlass
steht. Ein solches Schalt-Fluidsteuerventil
enthält
ferner einen normalerweise geschlossenen Hochdruck-Ventilmechanismus,
der in fluider Verbindung zwischen dem Hochdruckeinlass und dem Lastfluid-Auslassdurchgang
steht, um selektiv Hochdruckfluid von dem Hochdruckeinlass zu dem
Lastfluid-Auslassdurchgang strömen
zu lassen, sowie einen normalerweise geöffneten Niederdruck-Ventilmechanismus,
der in fluider Verbindung zwischen dem Niederdruckeinlass und dem
Lastfluid-Auslassdurchgang
steht, um selektiv Niederdruckfluid von dem Niederdruckeinlass zu
dem Lastfluid-Auslassdurchgang strömen zu lassen. Ein Steuerungsbetätiger (engl.:
pilot actuator) ist vorgesehen, welcher selektiv betätigbar ist,
um den normalerweise geschlossenen Hochdruck-Ventilmechanismus in
eine offene Position zu bringen, damit das Hochdruckfluid von dem
Hochdruckeinlass zu dem Lastfluid-Auslassdurchgang strömen kann.
Wird das Hochdruckfluid in den Lastfluid-Auslassdurchgang gelassen,
so bringt es den normalerweise geöffneten Niederdruck-Ventilmechanismus
in eine geschlossene Position, um zu vermeiden, dass Fluid zwischen
dem Niederdruckeinlass und dem Lastfluid-Auslassdurchgang strömt. Durch das selektive Betätigen oder
Einschalten des Steuerungsbetätigers
kann entweder das Hochdruck- oder das Niederdruck-Arbeitsfluid (wie
beispielsweise ein pneumatisches Arbeitsfluid) eingelassen werden
in den Einlass einer fluidbetätigten Vorrichtung
oder den Einlass eines dem oben beschriebenen entsprechenden oder
nahezu beliebigen Primär-Fluidsteuerventils.
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Mindestens
einer, oder vorzugsweise beide der oben erläuterten Hochdruck- und Niederdruck-Ventilmechanismen
können
einen im Allgemeinen kegelstumpfförmigen Ventilsitz enthalten,
der in einem Ventilfluiddurchgang angeordnet ist; welcher in fluider
Verbindung mit dem Lastfluid-Auslassdurchgang steht, wobei der Ventilsitz
ein stromabwärts
gelegenes Ende mit einem kleineren Durchmesser hat und ein stromaufwärts gelegenes
Ende mit einem größeren Durchmesser.
Ein im Allgemeinen sphärisches
Kugelhubventil ist selektiv bewegbar zwischen der jeweiligen geschlossenen
und geöffneten
Position in den maßgeblichen
Linienkontakt des Kugelhubventils hinein und aus ihm heraus, um ihn
mit dem Ende des Zufuhrventilsitzes, das einen kleineren Durchmesser
hat, abzudichten. Das im Allgemeinen sphärische Kugelhubventil hat vorzugsweise
ein Sehnenmaß an
dem Linienkontakt mit dem stromabwärts gelegenen Ende des Ventilsitzes
mit kleinerem Durchmesser, welches kleiner ist als das stromaufwärts gelegene
Ende des Ventilsitzes mit größerem Durchmesser.
Der im Wesentlichen kegelstumpfförmige
Ventilsitz hat vorzugsweise einen Sitzwinkel relativ zu der Mittellinie
des Zufuhrventilsitzes, der größer ist
als ein Winkel aus der Mittellinie des Ventilsitzes und einer zum
sphärischen
Kugelhubventil tangentialen Linie an dem Linienkontakt des Kugelhubventils,
wenn das Kugelhubventil in der geschlossenen Position ist, wobei
der Sitzwinkel vorzugsweise ca. 45 Grad beträgt, sodass der Gesamtsitzwinkel
zwischen diametral entgegengesetzten Abschnitten des Ventilsitzes
ca. 90 Grad beträgt. Eine
ringförmige
Aussparung zwischen dem Ventilsitz und dem sphärischen Kugelhubventil bildet
somit einen Bereich mit verringertem Fluss stromaufwärts vom
Linienkontakt des Kugelhubventils zwischen dem sphärischen
Kugelhubventil und dem stromabwärts
gelegenen Ende des Ventilsitzes mit kleinerem Durchmesser, da sich
das sphärische
Kugelhubventil anfangs aus dem Linienkontakt heraus in die geöffnete Position
bewegt und da das Arbeitsfluid anfangs stromabwärts fließt, vorbei an dem Kugelhubventil und
durch das Ende des Ventilsitzes mit kleinerem Durchmesser hindurch.
Durch eine solche Anordnung wird jede von dem anfänglichen
Fluss des Arbeitsfluids entlang dem sich öffnenden Kugelhubventil hervorgerufene
Schallflusserosion im Wesentlichen sofort zu einem stromaufwärts gelegenen
Bereich des Ventilsitzes verlagert, welcher an den Bereich mit verringertem
Zufuhrfluss angrenzt und welcher nicht in abgedichtetem Kontakt
mit dem sphärischen
Kugelhubventil steht. Dadurch werden Schallschäden an dem stromabwärts gelegenen
Ende des Ventilsitzes mit kleinerem Durchmesser wesentlich minimiert,
mit dem das Kugelhubventil in abgedichtetem Eingriff steht, wenn
es sich in der geschlossenen Position befindet. Somit verlängert sich
die Nutzungsdauer des Steuerventils beträchtlich, indem die Abnutzung
an dem Abdichtungsabschnitt auf dem Ventilsitz minimiert wird.
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Einer
oder beide Fluidventildurchgänge
können
einen im Allgemeinen zylindrisches Hohlraum enthalten, unmittelbar
stromaufwärts
des stromaufwärts
gelegenen Endes des Ventilsitzes mit größerem Durchmesser, wobei der
Hohlraum einen größeren Durchmesser
hat als das stromaufwärts
gelegene Ende mit größerem Durchmesser.
Der Ventilmechanismus enthält
vorzugsweise eine im Allgemeinen zylindrische Kugelhubführung, die
in dem Hohlraum des Fluiddurchgangs angeordnet ist, wobei die Kugelhubführung eine
zentrale Führungsbohrung hat,
die sich axial durch diese hindurch erstreckt. Die Kugelhubführung hat
vorzugsweise einige voneinander beabstandete, am Umfang angeordnete,
sich axial erstreckende Führungsrippen,
die radial nach innen in die Führungsbohrung
hin einragen, wobei das Kugelhubventil in der Führungsbohrung aufgenommen ist
um sich innerhalb der radialen Innenseiten der Führungsrippen zwischen der geöffneten
und der geschlossenen Position axial zu bewegen. Der Innendurchmesser
des Hohlraums ist größer als
der Außendurchmesser
der Kugelhubventilführung,
damit die Kugelhubventilführung
in dem Hohlraum radial schwimmen kann und damit sich das sphärische Kugelhubventil
im Wesentlichen selbst derart zentrieren kann, dass es den Linienkontakt
mit dem Ende des kegelstumpfförmigen
Ventilsitzes mit kleinerem Durchmesser abdichtet.
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Ein
beispielhaftes erfindungsgemäßes Schalt-Fluidsteuerventil
kann auch einen Hochdruckeinlass enthalten, der in fluider Verbindung
mit einer Bezugsquelle für
Arbeitsfluid bei relativ hohem Druck steht, einen Niederdruckeinlass,
der in fluider Verbindung mit einer Bezugsquelle für Arbeitsfluid
bei relativ niedrigem Druck steht, und einen zwischengeschalteten
Lastfluid-Auslassdurchgang, der in fluider Verbindung mit der fluidbetätigten Vorrichtung
oder dem Primär-Fluidsteuerventileinlass
steht, der einen selektiv einstellbaren Steuerschaft hat. Der Steuerschaft
kann selektiv in mehrere Positionen eingestellt werden, einschließlich eine
geschlossene Position, eine vollständig geöffnete Position und mehrere
Zwischenpositionen zur Begrenzung des Arbeitsfluidflusses durch
den Niederdruckeinlass.
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In
jedem der erfindungsgemäßen Primär- oder
Druckschalt-Fluidsteuerventile kann der kegelstumpfförmige Ventilsitz
auch in einer austauschbaren Ventilsitzscheibe angeordnet sein,
die aus einem härteren
Material ist als der Ventilkörper.
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Zusätzliche
Gegenstände,
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Patentansprüchen in
Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlich.
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Weitere
mögliche
Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es ist zu beachten, dass
die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar
das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der Erfindung darlegen, jedoch nur dem Zwecke der Veranschaulichung
dienen und nicht den Schutzbereich der Erfindung einschränken sollen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und
den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, wobei
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1 eine
Querschnittsabbildung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Fluidsteuerventils ist;
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2 eine
Seitenansicht des Fluidsteuerventils aus 1 ist;
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3 eine
Draufsicht des Fluidsteuerventils aus 1 und 2 mit
abgenommener oberer Abdeckung oder Abschlusskappe ist;
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4 eine
Draufsicht einer Kugelhubventilführung
zur Verwendung mit einem oder beiden von einem Zufuhr-Kugelhubventil
und einem Austritts-Kugelhubventil
des Steuerventils aus 1 ist;
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5 eine
Seitenansicht der Hubführung aus 4 ist;
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6 eine
vergrößerte Detailansicht
des Zufuhrventilabschnitts des Steuerventils aus 1 ist, die
das Zufuhr-Kugelhubventil in geschlossener Position zeigt;
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7 eine ähnliche
vergrößerte Detailansicht
wie aus 6 ist, die jedoch das Zufuhr-Kugelhubventil
in anfänglicher
geöffneter
Position zeigt;
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8 eine
vergrößerte Detailansicht
des Austrittsventilabschnitts des Steuerventils aus 1 ist,
die das Austritts-Kugelhubventil in geschlossener Position zeigt;
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9 eine ähnliche
vergrößerte Detailansicht
wie aus 8 ist, die jedoch das Austritts-Kugelhubventil
in anfänglichem
geöffneten
Zustand zeigt;
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10 eine
Querschnittsabbildung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Doppeldruckschalt-Fluidsteuerventils
(engl.: dual-pressure selector fluid control valve) ist;
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10a eine Querschnittsansicht im Allgemeinen entlang
der Linie 10a-10a aus 10 ist;
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11 eine
Draufsicht des beispielhaften Doppeldruckschalt-Fluidsteuerventils
aus 10 ist, welches, wie in den 1 bis 9 gezeigt,
wirkungsmäßig mit
einem Primär-Fluidsteuerventil
verbunden ist, wovon beide auf einem Fluid-Verteilergehäuse montiert
sind;
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12 eine
Vorderansicht der Fluidsteuerventil-Anordnung aus 11 ist;
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13 eine
Seitenansicht der Fluidsteuerventil-Anordnung aus 11 und 12 ist;
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14 eine ähnliche
Querschnittsabbildung eines beispielhaften Druckschalt-Fluidsteuerventils wie
aus 10 ist, die jedoch eine alternative Ausführung des
Schalt-Fluidsteuerventils mit dreifachem Druck zeigt;
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15 eine
vergrößerte Detailansicht
einer alternativen Ausführung
des Kugelhubventilabschnitts eines erfindungsgemäßen Steuerventils mit einer
austauschbaren Ventilsitzscheibe ist, und diese Ausführung auf
jedes der Fluidsteuerventile aus 1 bis 14 anwendbar
ist; und wobei
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16 eine
Querschnittsabbildung eines beispielhaften Doppeldruckschalt-Fluidsteuerventils einschließlich eines
erfindungsgemäßen einstellbaren
Steuerschafts ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die
nachfolgende Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels/der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
ist dem Wesen nach nur beispielhaft und soll keinesfalls die Erfindung,
ihre Anwendung oder Verwendungsmöglichkeiten
einschränken.
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In 1 ist
ein beispielhaftes Primär-Fluidsteuerventil 10 gezeigt,
das einen Körper 12,
einen Steuerungsdeckel 14 und ein Verteilergehäuse 16 hat.
Der Körper 12 und
der Steuerungsdeckel 14 sind mittels einiger Stifte 18 an
dem Verteilerge häuse 16 befestigt.
Dennoch sollte verständlich
sein, dass der Körper 12 und
der Steuerungsdeckel 14 auch ohne Verwendung des Verteilergehäuses 16 mittels
Fluid-Rohrleitung miteinander verbunden werden können, wenn alternativ Gewindeöffnungen
vorgesehen sind.
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Das
beispielhafte Primär-Steuerventil 10 enthält eine
Einlassöffnung 20,
eine Auslass- oder Lastöffnung 22 und
eine Austrittsöffnung 24.
Ein Arbeitsfluid-Zufuhrdurchgang 28 stellt
eine Arbeitsfluid-Verbindung von der Einlassöffnung 20 zu der Auslassöffnung 22 bereit,
die beispielsweise durch das Verteilergehäuse 16 mit einer fluidbetätigten Vorrichtung verbunden
ist. Auf ähnliche
Weise stellt ein Austrittsdurchgang 30 eine Austrittsfluid-Verbindung
zwischen der Lastöffnung 22 und
der Austrittsöffnung 24 bereit.
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In
dem beispielhaften Primär-Steuerventil 10 enthalten
die Zufuhr- und Austrittsdurchgänge 28 und 30 jeweils
einen kegelstumpfförmigen
Zufuhrventilsitz 36 und einen kegelstumpfförmigen Austrittsventilsitz 46.
Der Zufuhrventilsitz 36 enthält ein Ende 38 mit
kleinerem Durchmesser und ein Ende 40 mit größerem Durchmesser.
Entsprechend enthält der
Austrittsventilsitz 46 ein Ende 48 mit kleinerem Durchmesser
und ein Ende 50 mit größerem Durchmesser.
Ein im Allgemeinen sphärisches
Zufuhr-Kugelhubventil 42 und ein ähnliches, im Allgemeinen sphärisches
Austritts-Kugelhubventil 52 sind vorgesehen für eine Öffnungs-
und Schließbewegung
bezüglich
ihres jeweiligen kegelstumpfförmigen
Zufuhr- und Austrittsventilsitzes 36 und 46.
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Das
Zufuhr-Kugelhubventil 42 wird vorzugsweise durch einen
Zufuhr-Steuerungsbetätiger 80 bewegbar
betätigt,
der aus einem Steuerungsluftdurchgang 97 Steuerungsluft
erhält
und der wiederum über
eine fluide Verbindung mit einem Steuerungslufteinlass 96 verbunden
ist. Wird der Zufuhr-Steuerungsbetätiger 80 eingeschaltet,
so wird die Kraft der Steuerungsluft auf den Zufuhrkolben 81 und
weiter auf die Zufuhr-Schubstange 82 übertragen, um das Zufuhr-Kugelhubventil 42 von
dem Zufuhrventilsitz 36 wegzudrücken, wodurch der Zufuhrventilabschnitt
des Steuerventils 10 geöffnet
wird. Wird der Zufuhr-Steuerungsbetätiger 80 ausgeschaltet,
so kehrt das Kugelhubventil 42 unter dem Einfluss des Einlassfluiddrucks
und einer Rückholfeder 58 in
seine geschlossene Position zurück.
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Auf ähnliche
Weise wird das Austritts-Kugelhubventil 52 bezüglich des
Austrittsventilsitzes 46 in seine geschlossene Position
gedrückt
durch Einschalten eines Austritts-Steuerungsbetätigers 90. In dieser
Hinsicht wirkt der Steuerungsbetätiger 90 derart,
dass er die Kraft der Steuerungsluft auf einen Austrittskolben 91 ausübt und weiter
auf die Austritts-Schubstange 98 aus der Zeichnung (1)
bis zum Austritts-Kugelhubventil 52. Wird der Austritts-Steuerungsbetätiger 90 ausgeschaltet,
so wird das Austritts-Kugelhubventil 52 unter dem Einfluss von
Hochdruck-Arbeitsfluid
in dem Austrittsdurchgang 30 in seine geöffnete Position
zurückgedrückt.
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Für den Fachmann
ist leicht erkennbar, dass neben dem beispielhaften elektropneumatischen
Zufuhr-Steuerungsbetätiger 80 und
dem elektropneumatischen Austritts-Steuerungsbetätiger 90 auch andere
Betätiger
eingesetzt werden können.
Solche Betätigungsvorrichtungen
können
z. B. lokale oder entfernte elektromechanische Solenoide einschließen, Übertragungsvorrichtungen
für mechanische Bewegung
oder eine große
Auswahl anderer Betätigungsvorrichtungen,
die dem Fachmann bekannt sind.
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Hauptsächlich bezogen
auf 6 und 7 enthält das in den Zeichnungen dargestellte
beispielhafte Hochdruckfluidsteuerventil 10 vorzugsweise ebenfalls
einen im Allgemeinen zylindrischen Zufuhrhohlraum 60 unmittelbar
stromaufwärts
von dem stromaufwärts
gelegenen Ende 40 des Zufuhrventilsitzes 36 mit
größerem Durchmesser.
Wie in 4 bis 6 gezeigt, ist stromaufwärts innerhalb
des bevorzugten zylindrischen Zufuhrhohlraums 60 mit größerem Durchmesser
eine im Allgemeinen zylindrische Zufuhrhubführung 62 vorgesehen.
Die Zufuhrhubführung 62 enthält eine
im Allgemeinen zylindrische zentrale Zufuhrführungsbohrung 64,
die sich axial durch diese hindurch erstreckt, sowie einige voneinander
beabstandete, am Umfang angeordnete, sich axial erstreckende Zufuhrführungsrippen 66, die
radial nach innen in die Zufuhrführungsbohrung 64 hineinragen.
Das Zufuhr-Kugelhubventil 42 ist
in der Zufuhrführungsbohrung 64 aufgenommen,
um sich innerhalb der radialen Innenseiten der Zufuhrführungsrippen 66 zwischen
der geöffneten
und der geschlossenen Position hinsichtlich des Zufuhrventilsitzes 36 axial
zu bewegen. Wie vielleicht in 6 und 7 am
besten dargestellt, ist der Innendurchmesser des Zufuhrhohlraums 60 etwas
größer als der
Außendurchmesser
der Zufuhr-Kugelhubventilführung 62,
womit ermöglicht
wird, dass die Hubführung 62 und
das Kugelhubventil 42 in dem Zufuhrhohlraum 60 radial
schwimmen können.
Dadurch zentriert sich das im Allgemeinen sphärische Zu fuhr-Kugelhubventil 42 selbst,
um den Linienkontakt 44 mit dem Ende 38 des Zufuhrventilsitzes 36 mit kleinerem
Durchmesser im Wesentlichen abzudichten.
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Zusätzlich erstrecken
sich die Zufuhrführungsrippen 66 vorzugsweise
axial stromabwärts,
um an einem Ende der Zufuhrhubführung 62 einen
Verlängerungsabschnitt 63 der
Zufuhrführungsrippen
zu bilden. Ein Federring 61, wie beispielsweise ein O-Ring,
umgibt den Verlängerungsabschnitt 63,
um die Hubführung 62 elastisch
an das gegenüber
und stromaufwärts
liegende Ende des Zufuhrhohlraums 60 zu drücken. Diese
Wirkung folgt aus der Pressung des Federrings 61 zwischen
dem Boden des Zufuhrhohlraums 60 und der restlichen Zufuhr-Kugelhubventilführung 62.
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Es
gilt anzumerken, dass die vorgenannte Anordnung, wie in 4 bis 7 gezeigt,
im Wesentlichen typisch ist hinsichtlich des kegelstumpfförmigen Austrittsventilsitzes 46.
Ferner ist zu erläutern, dass
das stromaufwärts
gelegene Ende 48 mit kleinerem Durchmesser angeordnet ist,
um das im Allgemeinen sphärische
Austrittshubventil 52 in maßgeblichen Linienkontakt zu
bringen, was vollständig
in 1 gezeigt ist. Die in 4 und 5 gezeigte Zufuhrhubführung 62 ist
ebenfalls im Wesentlichen typisch für die Austrittshubführung 72,
welche in den im Allgemeinen zylindrischen Austrittshohlraum 70 mit
vergrößertem Durchmesser
aufgenommen ist und eine ähnliche
zentrale Austrittsführungsbohrung 74 sowie ähnliche
Austrittsführungsrippen 76 hat
und welche ebenfalls in 1, 8 und 9 zu
sehen ist.
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Insbesondere
in 6 und 7 ist eine vergrößerte Detailansicht
des Zufuhrventilabschnitts des beispielhaften Steuerventils 10 zu
sehen. Das Kugelhubventil 42 ist in 6 in geschlossener
Position gezeigt. Dabei steht das Kugelhubventil 42 in
abgedichtetem Eingriff und maßgeblichem
Linienkontakt 44 mit der Kante des Endes 38 des
Zufuhrventilsitzes 36 mit kleinerem Durchmesser. Entsprechend zeigt 7 das
Kugelhubventil 42 teilweise geöffnet und damit aus diesem
maßgeblichen
Linienkontakt 44 herausbewegt. Der kegelstumpfförmige Zufuhrventilsitz 36 hat
vorzugsweise einen Ventilsitzwinkel 37 (bezogen auf die
Mittellinie 57 des Ventilsitzes 36), der etwas
größer ist
als der Tangentialwinkel 59 der zu dem Kugelhubventil 42 tangentialen
Linie 56 (bezogen auf die Mittellinie 57), wenn
sich das Kugelhubventil 42 in maßgeblichem Linienkontakt 44 befindet,
wie in 6 gezeigt.
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Durch
diese Ventilsitzanordnung entsteht eine ringförmige Aussparung 43,
die unmittelbar stromaufwärts
des Zufuhrlinienkontakts 44 und des Endes 38 mit
kleinerem Durchmesser einen Bereich mit verringertem Zufuhrfluss
erzeugt. Der Bereich mit verringertem Fluss entsteht, sobald sich
das Zufuhr-Kugelhubventil 42 anfänglich aus diesem Linienkontakt 44 heraus
in die geöffnete
Position bewegt, wie in 7 gezeigt, wenn Arbeitsfluid
stromabwärts fließt, vorbei
an dem Kugelhubventil 42 und durch das Ende 38 des
Zufuhrventilsitzes 36 mit kleinerem Durchmesser. Folglich
wird jede vom anfänglichen Fluss
des Hochdruck-Arbeitsfluids
hervorgerufene Schallflusserosion im Wesentlichen sofort zu einem stromaufwärts gelegenen
Bereich 45 des Zufuhrventilsitzes 36 verlagert.
Dies ist höchst
vorteilhaft, da solche durch die Schallflusserosion hervorgerufene Abnutzung
oder Schäden
in einen Bereich des Zufuhrventilsitzes 36 verlagert werden,
der an die ringförmige
Aussparung 43 angrenzt anstatt mit dem Kugelhubventil 42 verbunden
zu sein. Dementsprechend werden die Schallschäden an dem stromabwärts gelegenen
Abdichtungsende 38 des Zufuhrventilsitzes 36 mit
kleinerem Durchmesser minimiert. In der Folge werden Schäden und
Abnutzung an der eigentlichen Abdichtoberfläche des Ventilsitzes 36 auf
dem Kugelhubventil 42 im Wesentlichen ebenfalls minimiert,
und die Nutzungsdauer des beispielhaften Steuerventils 10 verlängert sich
in entsprechender Weise erheblich. In dieser Hinsicht verringern
sich die Ausfallzeiten und die Wartungskosten bei einem System mit
einem erfindungsgemäßen Steuerventil 10.
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Für den Fachmann
ist leicht erkennbar, dass die oben beschriebene Funktionsweise
des Kugelhubventils 42 hinsichtlich des Zufuhrventilsitzes 36, wie
in 6 und 7 gezeigt, dem Austritts-Kugelhubventil 52 in
Verbindung mit dem Austrittsventilsitz 46 in Funktionsweise
und Beziehung ähnelt.
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Hauptsächlich bezogen
auf 8 und 9 enthält das in den Zeichnungen dargestellte
beispielhafte Hochdruckfluidsteuerventil 10 vorzugsweise ebenfalls
einen im Allgemeinen zylindrischen Austrittshohlraum 70 unmittelbar
stromabwärts
vom stromabwärts
gelegenen Ende 50 des Austrittsventilsitzes 46 mit
größerem Durchmesser.
Eine im Allgemeinen zylindrische Austrittshubführung 72 (ähnlich wie
die Zufuhrhubführung 62 aus 5 und 6) ist
stromabwärts
innerhalb des bevorzugten zylindrischen Austrittshohlraums 70 mit
vergrößertem Durchmesser
vorgesehen. Die Austrittshubführung 72 enthält eine
im Allgemeinen zylindrische zentrale Austrittsführungsbohrung 74,
die sich axial durch diese hindurch erstreckt, sowie einige voneinander
beabstandete, am Umfang angeordnete, sich axial erstreckende Austrittsführungsrippen 76,
die radial nach innen in die Austrittsführungsbohrung 74 hineinragen.
Das Austritts-Kugelhubventil 52 ist in der Austrittsführungsbohrung 74 aufgenommen,
um sich innerhalb der radialen Innenseiten der Austrittsführungsrippen 76 zwischen
der geöffneten
und der geschlossenen Position hinsichtlich des Austrittsventilsitzes 46 axial
zu bewegen. Der Innendurchmesser des Austrittshohlraums 70 ist
etwas größer als
der Außendurchmesser
der Austritts-Kugelhubventilführung 72,
womit ermöglicht
wird, dass die Hubführung 72 und
das Austritts-Kugelhubventil 52 in dem Austrittshohlraum 70 radial
schwimmen können.
Dadurch zentriert sich das im Allgemeinen sphärische Austritts-Kugelhubventil 52 selbst,
um den Linienkontakt 54 mit dem Ende 48 des Austrittsventilsitzes 46 mit
kleinerem Durchmesser im Wesentlichen abzudichten.
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Die
Austrittsführungsrippen 76 erstrecken sich
vorzugsweise axial stromaufwärts,
um an der Austrittshubführung 72 einen
Verlängerungsabschnitt 73 der
Austrittsführungsrippen
zu bilden. Ein Federring 71, wie beispielsweise ein O-Ring,
umgibt den Verlängerungsabschnitt 73,
um die Hubführung 72 an
das gegenüber
und stromabwärts
liegende Ende des Austrittshohlraums 70 zu drücken. Diese Wirkung
folgt aus der Pressung des Federrings 71 zwischen dem Boden
des Austrittshohlraums 70 und der restlichen Austritts-Kugelhubventilführung 72.
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Insbesondere
in 8 und 9 ist eine vergrößerte Detailansicht
des Austrittsventilabschnitts des beispielhaften Steuerventils 10 gezeigt. Das
Austritts-Kugelhubventil 52 ist
in 8 in geschlossener Position gezeigt, wobei das
Kugelhubventil 52 in abgedichtetem Eingriff und maßgeblichem
Linienkontakt 54 mit der Kante des Endes 48 des
Austrittsventilsitzes 46 mit kleinerem Durchmesser steht.
Entsprechend zeigt 9 das Kugelhubventil 52 teilweise
geöffnet
und damit aus diesem maßgeblichen
Linienkontakt 54 herausbewegt. Der kegelstumpfförmige Austrittsventilsitz 46 hat
vorzugsweise einen Austrittsventilsitzwinkel 47 (bezogen
auf die Austrittsmittellinie 67 des Ventilsitzes 46), der
etwas größer ist
als der Austrittstangentialwinkel 69 der Austrittstangentiallinie 65 zu
dem Austritts-Kugelhubventil 52 (bezogen
auf die Mittellinie 67), wenn sich das Kugelhubventil 52 in
maßgeblichem
Linienkontakt 54 befindet, wie in 8 gezeigt.
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Durch
diese Ventilsitzanordnung entsteht eine ringförmige Aussparung 53,
die unmittelbar stromabwärts
vom Austrittslinienkontakt 54 und von dem Ende 48 mit
kleinerem Durchmesser einen Bereich mit verringertem Austrittsfluss
erzeugt. Der Bereich mit verringertem Fluss entsteht, sobald sich
das Austritts-Kugelhubventil 52 anfänglich aus diesem Linienkontakt 54 heraus
in die anfängliche
geöffnete Position
bewegt, wie in 9 gezeigt, wenn Austrittsfluid
stromabwärts
fließt,
vorbei an dem Kugelhubventil 52 und durch das Ende 48 des
Austrittsventilsitzes 46 mit kleinerem Durchmesser. Folglich
wird jede vom anfänglichen
Fluss des Hochdruck-Austrittsfluids hervorgerufene Schallflusserosion
im Wesentlichen sofort zu einem stromaufwärts gelegenen, an den Austrittsventilsitz 46 angrenzenden
Flussbereich verlagert. Dies ist höchst vorteilhaft, da solche durch
die Schallflusserosion hervorgerufene Abnutzung oder Schäden in eine
ringförmige
Aussparung 53 verlagert werden anstatt mit dem Kugelhubventil 52 verbunden
zu sein. Dementsprechend werden die Schallschäden an dem stromaufwärts gelegenen
Abdichtungsende 48 des Austrittsventilsitzes 46 mit kleinerem
Durchmesser minimiert. In der Folge werden Schäden und Abnutzung an der eigentlichen
Abdichtoberfläche
des Ventilsitzes 46 auf dem Kugelhubventil 52 im
Wesentlichen ebenfalls minimiert, und die Nutzungsdauer des beispielhaften
Steuerventils 10 verlängert
sich in entsprechender Weise erheblich. Der Ventilsitz 46 ist
vorzugsweise aus einem harten Metall hergestellt, wie beispielsweise, aber
nicht ausschließlich,
aus rostfreiem Stahl. In dieser Hinsicht verringern sich die Ausfallzeiten
und die Wartungskosten bei einem System mit einem erfindungsgemäßen Steuerventil 10.
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Hauptsächlich bezogen
auf 1 werden Überkreuz-Undichtigkeiten
des in den Zeichnungen dargestellten beispielhaften Fluidsteuerventils 10 im Wesentlichen
durch Einschalten des Austritts-Steuerungsbetätigers 90 minimiert,
und zwar zum Schließen
des Austritts-Kugelhubventils 52 unmittelbar bevor der
Zufuhr-Steuerungsbetätiger 80 eingeschaltet wird,
um das Kugelhubventil 42 zu öffnen. Aufgrund der Ausrüstung und
Energie, die nötig
sind, um das Arbeitsfluid in einen solchen Hochdruckzustand zu bringen,
verringern sich die Betriebskosten durch Minimierung der Überkreuz-Undichtigkeiten
erheblich, die ansonsten aus übermäßigem Verbrauch
oder Austritt von Hochdruck-Arbeitsfluid entstehen würden. Solches
Hochdruck-Arbeitsfluid, das entweder pneumatisch oder hydraulisch
sein kann, jedoch vorzugsweise pneumatisch sein sollte, befindet
sich oftmals im Bereich zwischen 300 psig und 900 psig, wobei es
in den oben beschriebenen Vorgängen
von Blasformen typischerweise bei ca. 600 psig liegt.
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Schließlich sind
entweder eines oder beide Kugelhubventile 42 und 52 vorzugsweise
aus einem metallischen Material zusammengesetzt, wie beispielsweise
rostfreiem Stahl oder anderem metallischen oder nicht-metallischen
Material, das einem Fachmann für
eine bestimmte Anwendung vorteilhaft erscheint. In ähnlicher Weise
sind entweder eine oder beide der Zufuhrhubführung 62 und der Austrittshubführung 72 vorzugsweise
aus einem synthetischen Material zusammengesetzt, wie beispielsweise
Nylon, sie können
jedoch auch aus einem metallischen Material zusammengesetzt sein,
wie beispielsweise rostfreiem Stahl oder anderem geeigneten Material,
das dem Fachmann bekannt ist.
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10 bis 15 stellen
verschiedene Ausführungen
eines Schalt-Fluidsteuerventils
dar, das entweder allein verwendet werden kann oder (auf der Zufuhrseite)
in Verbindung mit dem Primär-Fluidsteuerventil,
das oben im Zusammenhang mit 1 bis 9 erläutert wurde.
Da viele Elemente der in 10 bis 15 dargestellten
Ventile den Elementen der in 1 bis 9 dargestellten
Ventile entweder genau entsprechen oder im Wesentlichen ähnlich sind,
zumindest hinsichtlich ihrer Funktion, werden solche Elemente in 10 bis 15 mit den
gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet wie in 1 bis 9,
jedoch mit der vorangestellten Nummer Zweihundert, Dreihundert oder
Vierhundert.
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In 10 bis 13 enthält ein beispielhaftes
Schalt-Fluidsteuerventil 210 einen Körper 212, einen Steuerungsdeckel 214 und
ein Verteilergehäuse 216 (wie
in 11 bis 13 gezeigt).
Körper 212 und
Steuerungsdeckel 214 sind an dem Verteilergehäuse 216 befestigt,
und zwar in ähnlicher
Weise wie es oben im Zusammenhang mit 1 bis 9 beschrieben
wurde.
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Das
in 10 bis 13 dargestellte Schalt-Fluidsteuerventil 210 ist
nicht in den Gegenstand des Anspruchs 1 eingeschlossen. Dennoch
ist nachvollziehbar, dass der Körper 212 und
der Steuerungsdeckel 214 auch ohne Verwendung des Verteilergehäuses 216 mittels
Fluid-Rohrleitung miteinander verbunden werden können, wenn alternativ Gewindeöffnungen
vorgesehen sind.
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Das
beispielhafte Schalt-Fluidsteuerventil 210 enthält Einlassöffnungen 220 und 221,
die in fluider Verbindung mit separaten Bezugsquellen für Arbeitsfluid
stehen. Einlassöffnung 220 ist
derart gestaltet, dass sie bei vergleichsweise höherem Druck mit Fluid verbunden
ist, während
Einlassöffnung 221 derart
gestaltet ist, dass sie bei vergleichsweise niedrigerem Druck mit
Fluid verbunden ist. Der vergleichsweise höhere Druck wird im Folgenden
als „Hochdruck" bezeichnet und der
vergleichsweise niedrigere Druck wird im Folgenden entsprechend als „Niederdruck" bezeichnet. Es sollte
erkennbar sein, dass die hier beschriebenen Einlass- und Auslassöffnungen
alternativ auch mit Gewinde versehen sein können.
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Ein
Lastfluid-Auslassdurchgang 228 erstreckt sich durch den
Körper 212 des
Schalt-Fluidsteuerventils 210 und steht in fluider Verbindung
mit einer Auslasslastöffnung 222.
Das Schalt-Fluidsteuerventil 210 kann entweder allein verwendet
werden oder in Verbindung mit einem Primär-Fluidsteuerventil, wie dem
Primär-Fluidsteuerventil 10 aus 1 bis 9.
Bei einer solchen Anwendung kann die Lastauslassöffnung 222 des Schalt-Fluidsteuerventils 210 zwischengeschaltet
sein und in fluider Verbindung mit der Einlassöffnung 20 des Primär-Fluidsteuerventils 10 stehen,
entweder mittels Fluid-Rohrleitung oder mittels des Verteilergehäuses 216 aus 11.
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Das
Schalt-Fluidsteuerventil 210 enthält ebenfalls einen normalerweise
geschlossenen Hochdruck-Ventilmechanismus, der in fluider Verbindung zwischen
der Hochdruckeinlassöffnung 220 und
dem Lastfluid-Auslassdurchgang 228 steht. Entsprechend steht
ein normalerweise geöffneter
Niederdruck-Ventilmechanismus in fluider Verbindung zwischen der Niederdruckeinlassöffnung 221 und
dem Lastfluid-Auslassdurchgang 228. Bei dem beispielhaften Schalt-Fluidsteuerventil 210 enthält der Hochdruck-Ventilmechanismus
einen kegelstumpfförmigen
Ventilsitz 236, der wiederum ein Ende 238 mit kleinerem
Durchmesser und ein Ende 240 mit größerem Durchmesser hat. Ein
Kugelhubventil 242 mit einer vorzugsweise im Allgemeinen
sphärischen
Form und Struktur bringt den Ventilsitz 236 in einen im
Wesentlichen linienkontaktartigen Eingriff, und zwar auf die oben
im Zusammenhang mit dem Ventilsitz 36 und dem Kugelhubventil 42 aus 1 bis 9 detaillierter
beschriebene Weise. Entsprechend enthält der Niederdruck-Ventilmechanismus
einen Ventilsitz 246, der ein Ende 248 mit kleinerem
Durchmesser und ein Ende 250 mit größerem Durchmesser hat, wobei
das Niederdruck-Kugelhubventil 252 das
Ende 248 mit kleinerem Durchmesser in die gleiche Art von Linienkontakt
bringt wie oben erläutert.
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Das
Hochdruck-Kugelhubventil 242 ist in einer Hochdruck-Kugelhubventilführung 262 aufgenommen,
die der Kugelhubventilführung 62 aus 1 bis 9 entspricht.
In ähnlicher
Weise ist das Niederdruck-Kugelhubventil 252 in einer Niederdruck-Kugelhubventilführung 272 aufgenommen.
Die Führungen 262 und 272 erhalten
die Fähigkeit
zum radialen Schwimmen und zum Zentrieren des Kugelhubventils aufrecht,
entsprechend den Führungen 62 und 72 aus 1 bis 9.
Jedoch erstrecken sich die Rippen 266 und 276 im
Gegensatz dazu nicht notwendigerweise axial unter dem Ende der jeweiligen
Führungen 262 und 272,
wie es bei den Rippen 66 und 76 in den oben erläuterten
Führungen 62 und 72 der
Fall ist. Bei einer solchen Anordnung sind anstelle der O-Ringe 61 und 71 aus 1 bis 9 elastische
wellenförmige
Scheiben oder federnde wellenförmige
Scheiben 261 und 271 vorgesehen, um die jeweiligen
Führungen 262 und 272 in
Richtung ihrer jeweils richtigen Position in den jeweiligen Führungsbohrungen 264 und 274 elastisch
vorzuspannen. In gewissermaßen
jeder anderen Hinsicht wirken die Kugelhubventilführungen 262 und 272 jedoch
im Wesentlichen auf gleiche Weise wie die entsprechenden oben erläuterten
Kugelhubventilführungen 62 und 72.
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Bei
dem bevorzugten Schalt-Fluidsteuerventil 210 wird das Hachdruck-Kugelhubventil 242 in Richtung
seiner normalerweise geschlossenen Position durch eine Rückholfeder 258 vorgespannt,
die mittels eines Kugelhubventilaufsatzes 275 auf das Kugelhubventil 242 wirkt.
Ein Steuerungsbetätiger 280 ist
in Verbindung mit dem Hochdruck-Kugelhubventil 242 vorgesehen
und kann selektiv betätigt
werden, um das Kugelhubventil 242 von seinem jeweiligen
Ventilsitz 236 weg in die geöffnete Position zu drücken, wobei
der Steuerungsbetätiger 280 durch den
Hochdruck wirkt, der auf die Kolbenvorrichtung 281 und
auf die Schubstange 282 ausgeübt wird.
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In
dem Niederdruck-Ventilmechanismus befindet sich das Kugelhubventil 252 in
einer normalerweise geöffneten
Position unter dem Einfluss des Niederdruck-Arbeitsfluids von dem Niederdruckeinlass 221,
das auf das Kugelhubventil 252 wirkt und gegen die Vorspannungskraft
einer Niedrigkraft-Haltefeder 251. Das Niederdruck-Kugelhubventil 252 wird
von einem Haltestecker 249 festgehalten, der eine im Allgemeinen
u-förmige Öffnung 278 hat,
die sich durch diesen hindurch erstreckt, wie in 10a dargestellt. Der Öffnungshub des Niederdruck-Kugelhubventils 252 ist
begrenzt durch die Verbindung mit einer Anschlagstange oder einem
-stift 277, die bzw. der fest verbunden ist mit dem Haltestecker 249 und
sich in den Haltesteckerdurchgang 278 erstreckt.
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Bei
Betrieb kann das Schalt-Fluidsteuerventil 210 verwendet
werden, um entweder einer fluidbetätigten Vorrichtung oder dem
Einlass eines Primärsteuerventils
(wie das oben erläuterte
Primär-Fluidsteuerventil 10)
selektiv zwei verschiedene Drücke von
Arbeitsfluid (vorzugsweise ein pneumatisches Arbeitsfluid) zuzuführen mittels
der Auslasslastöffnung 222 des
Schalt-Fluidsteuerventils 210. Anfänglich wird der Niederdruckeinlassöffnung 221 eine
Bezugsquelle von Arbeitsfluid mit relativ niedrigem Druck zugeführt, welche
an dem normalerweise geöffneten
Ku gelhubventil 252 vorbei, zu dem Lastfluid-Auslassdurchgang 228 und
der Auslasslastöffnung 222 fließt. Dieses
Arbeitsfluid mit relativ niedrigem Druck übt auf das Niederdruck-Kugelhubventil 252 ausreichend
Druck aus, um es gegen die Vorspannungskraft der Niederdruck-Haltefeder 251 in der
geöffneten
Position zu halten, solange Fluid in dem Kreislauf fließt. In diesem
Zustand wird somit, wie in 10 dargestellt,
mittels des normalerweise geschlossenen Hochdruck-Kugelhubventils 242 Arbeitsfluid
mit relativ hohem Druck, das der Hochdruckeinlassöffnung 220 zugeführt wird,
im Lastfluid-Auslassdurchgang 228 von dem Arbeitsfluid
mit relativ niedrigem Druck isoliert. Das normalerweise geschlossene
Hochdruck-Kugelhubventil wird unter dem Einfluss der Rückholfeder 258 gegen
den entsprechenden Ventilsitz 236 gedrückt. In diesem Zustand wird
das Arbeitsfluid mit relativ niedrigem Druck der Auslasslastöffnung 222 zugeführt.
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Soll
jedoch Arbeitsfluid mit relativ hohem Druck zu dem Lastfluid-Auslassdurchgang 228 und zu
der Auslasslastöffnung 222 durchgelassen
werden, so wird der Steuerungsbetätiger 280 selektiv eingeschaltet.
Es gilt anzumerken, dass der Steuerungsbetätiger 280 beispielsweise
pneumatisch, elektrisch oder mechanisch betrieben werden kann.
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Das
Einschalten des Steuerungsbetätigers 280 veranlasst
die Kolbenvorrichtung 281 und die Schubstange 282,
das Hochdruck-Kugelhubventil 242 in seine geöffnete Position
zu drücken
gegen die Vorspannungskraft der Rückholfeder 258 und
des Hochdruckfluids in dem Einlass 220. Durch dieses Öffnen des
Hochdruck-Kugelhubventils 242 kann
Arbeitsfluid mit relativ hohem Druck von der Hochdruckeinlassöffnung 220 in
den Lastfluid-Auslassdurchgang 228 hineinfließen. Das
nun in den Lastfluid-Auslassdurchgang 228 eingelassene
Hochdruck-Arbeitsfluid
bewirkt (in Verbindung mit der Niedrigkraft-Haltefeder 251),
dass das normalerweise geöffnete
Niederdruck-Kugelhubventil 252 in seine geschlossene Position
gedrückt
wird, wo es in abgedichtetem Eingriff mit dem Ventilsitz 246 steht.
In diesem Zustand wird somit Arbeitsfluid mit relativ niedrigem
Druck aus der Niederdruckeinlassöffnung 221 von
dem Arbeitsfluid mit relativ hohem Druck im Lastfluid-Auslassdurchgang 228,
dem Haltestecker-Durchgang 278 und der Auslasslastöffnung 222 isoliert.
Wie oben erwähnt,
ermöglicht
dies ein selektives Zuführen
von entweder dem Arbeitsfluid mit relativ niedrigem Druck oder dem
Arbeitsfluid mit relativ hohem Druck von der Auslasslastöffnung 222 zu
einer fluidbetätigten
Vorrichtung oder zu dem Einlass 20 eines Primärventils,
wie beispielsweise von dem in 1 bis 9 dargestellten
Primär-Steuerventil 10.
Diese letztge nannte Anordnung ist in 11 bis 13 dargestellt,
wo das Schalt-Fluidsteuerventil 210 und
das Primär-Steuerventil 10 zusammen
auf einem Verteilergehäuse 216 montiert
sind. Das Verteilergehäuse 216 kann
alternativ auch durch eine separate Fluid-Rohrleitung ersetzt werden,
wenn alternativ Gewindeöffnungen
vorgesehen sind.
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In 14 ist
eine alternative Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Schalt-Fluidsteuerventils
gezeigt, um zu verdeutlichen, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen anwendbar
ist auf Steuerventile, die geeignet sind, einer fluidbetätigten Vorrichtung
mehr als zwei verschiedene Drücke
von Arbeitsfluid zuzuführen,
entweder direkt oder durch ein Primär-Fluidsteuerventil wie das
oben erläuterte und
in 1 bis 9 gezeigte Primär-Fluidsteuerventil 10.
Das Schalt-Fluidsteuerventil 410 aus 14 hat
zahlreiche Elemente, die den Elementen des Schalt-Fluidsteuerventils 210 aus 10 entweder
gleichen oder hinsichtlich ihrer Funktion im Wesentlichen entsprechen.
In 14 sind solche übereinstimmenden Elemente durch
Bezugszeichen mit der vorangestellten Nummer Vierhundert gekennzeichnet
und mit dem angehängten
Zeichen a oder b, wenn sich die Elemente gleichen.
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Der
Körper 412 des
Schalt-Fluidsteuerventils 410 enthält zwei der oben erläuterten
Hochdruckeinlässe 420a und 420b mit
zwei der oben beschriebenen Steuerungsbetätiger 480a und 480b,
von denen jeder separat und selektiv bedienbar ist, um das jeweilige
Kugelhubventil 442a oder 442b jeweils in die geöffnete Position
zu drücken.
In gewissermaßen
jeder anderen Hinsicht wirkt das Schalt-Fluidsteuerventil 410 jedoch
im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie das oben beschriebene
Schalt-Fluidsteuerventil 210.
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Der
Unterschied in der Bedienung zwischen dem Schalt-Fluidsteuerventil 410 und
dem Schalt-Fluidsteuerventil 210 liegt darin, dass die Steuerungsbetätiger 480a und 480b separat
und selektiv betätigt
oder eingeschaltet, bzw. deaktiviert oder ausgeschaltet werden können, um
die selektive Zufuhr von drei verschiedenen Drücken oder Arbeitsfluid zu der
fluidbetätigten
Vorrichtung zu ermöglichen
mittels der Lastauslassöffnung 422,
und zwar entweder direkt oder durch das oben erwähnte Primär-Fluidsteuerventil. Es gilt
anzumerken, dass 14 nur eine beispielhafte Vielfachdruck-Anwendung
der vorliegenden Erfindung darstellt, und für den Fachmann ist nun leicht
erkennbar, dass eine beliebige Anzahl verschiedener Drücke von
dem Schalt-Fluidsteuerventil der vorliegenden Erfindung aufgenommen
werden kann.
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Wiederum
eine andere Anordnung der vorliegenden Erfindung als in 10 ist
in 15 dargestellt, in der die elastische federnde
wellenförmige Scheibe 361 hinsichtlich
der Kugelhubventilführung in
eine gegenüberliegende
Position bewegt wird. In dieser Anordnung ist eine austauschbare
Ventilsitzscheibe 388, die darin den Ventilsitz 336 enthält, zwischen
der Kugelhubventilführung 362 und
dem stromabwärts
gelegenen Ende der Führungsbohrung 364 eingeschlossen.
Die Ventilsitzscheibe 388 enthält eine abgefaste Kante 386,
die in abgedichtetem Eingriff mit einem O-Ring 384 steht
und vorzugsweise aus einem härteren
Material zusammengesetzt ist als der Ventilkörper. Durch diese Anordnung
kann ein abgenutzter Ventilsitz 336 bequem ausgetauscht werden,
indem nur die Ventilsitzscheibe 388 ausgetauscht wird,
ohne dass der Ventilsitz 236 des Körpers 212 aus 10 entfernt
oder nachbearbeitet werden muss. Somit kann ein Schalt-Fluidsteuerventil
durch dieses Austauschen der Ventilsitzscheibe 388 teilweise
auseinander genommen und repariert werden, während ein anderes Schalt-Fluidsteuerventil
in Betrieb ist. Ein solches repariertes Schalt-Fluidsteuerventil
kann dann als Reserve dienen, um ein abgenutztes, in Betrieb befindliches
Schalt-Fluidsteuerventil
sofort zu ersetzen. Es gilt anzumerken, dass eine ähnliche
austauschbare Ventilsitzscheibe alternativ auch in Verbindung mit
jedem bzw. jeder der in 1 bis 15 gezeigten
Ventilmechanismen oder -anordnungen verwendet werden kann.
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Schließlich kann
der Druck des bevorzugten pneumatischen Hochdruck-Arbeitsfluids bzw.
der -fluide gewissermaßen
jeden Wert oberhalb des Druckwertes des Niederdruck-Arbeitsfluids
haben, wie beispielsweise Druckwerte im Bereich zwischen 300 psig
bis 900 psig, wobei für
eine Anwendung ein Hochdruck-Arbeitsfluid
mit ca. 600 psig erforderlich ist. Entsprechend kann das Niederdruck-Arbeitsfluid gewissermaßen jeden
Wert unterhalb des Druckwertes des Hochdruck-Arbeitsfluids haben,
wie beispielsweise Druckwerte im Bereich zwischen 10 psig bis 300
psig, wobei für
zumindest eine Anwendung ein Niederdruck-Arbeitsfluid mit ca. 100 psig erforderlich
ist. Wie oben erwähnt
sind die Primär-Fluidsteuerventile
und die Schalt-Fluidsteuerventile der vorliegenden Erfindung überdies
vielseitig anwendbar in verschiedenen flüssigen oder pneumatischen Fluidsteuer-
oder Fluidbetätigungssystemen.
Ein Beispiel für
eine solche Anwendung ist ein pneumatisches System für das Blasformen
von Plastikflaschen oder anderen Behältern, bei dem zuerst ein relativ
niedriger Druck erforderlich ist, um das Plastikmaterial in den
Werkzeughohlraum zu drücken,
während
anschließend
zum Abschluss des Blasform-Vorgangs ein Arbeitsfluid mit relativ
höherem
Druck erforderlich ist, um das Plastikmaterial gegen die Innenwand
der Form zu drücken.
Für den
Fachmann ist jedoch leicht erkennbar, dass dies nur ein Beispiel für die vielen
Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung ist.
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In 16 ist
eine alternative Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schalt-Fluidsteuerventils
gezeigt. Das Schalt-Fluidsteuerventil 610 aus 16 hat
zahlreiche Elemente, die den Elementen des Schalt-Fluidsteuerventils 210 aus 10 entweder
gleichen oder hinsichtlich ihrer Funktion im Wesentlichen entsprechen.
In 16 sind solche übereinstimmenden Elemente durch
Bezugszeichen mit der vorangestellten Nummer Fünfhundert gekennzeichnet, wenn
sich die Elemente gleichen. Ferner sind solche Elemente, die mit
dem den Einstellschaft 602 beinhaltenden Schalt-Fluidsteuerventil 610 übereinstimmen,
durch Bezugszeichen mit der vorangestellten Nummer Sechshundert
gekennzeichnet.
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Der
Körper 512 des
Schalt-Fluidsteuerventils 510 enthält den oben erläuterten
Hochdruckeinlass 520 mit dem oben beschriebenen Steuerungsbetätiger 580,
der selektiv bedienbar ist, um das Kugelhubventil 542 in
die jeweilige geöffnete
Position zu drücken.
Es sei darauf hingewiesen, dass die wellenförmigen Federn 561 und 571 nun
an den voneinander abgewandten Seiten der Kugelhubventile 542 und 552 angeordnet
sind. Zudem arbeitet das normalerweise geöffnete Niederdruck-Kugelhubventil 552 mit dem
Fluidsteuer-Einstellschaft 602 zusammen, wie nachstehend
noch detaillierter erklärt
wird. In gewissermaßen
jeder anderen Hinsicht wirkt das Schalt-Fluidsteuerventil 610 im
Wesentlichen auf die gleiche Weise wie das oben beschriebene Schalt-Fluidsteuerventil 210.
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Weiterhin
bezogen auf 16 wird der Fluidsteuer-Einstellschaft 602 nach
der Drehung des Flusssteuerdrehknopfes 606 selektiv linear
durch Bohrung 604 betätigt.
In dieser Hinsicht ist der lineare Hub des Einstellschaftes 602 zwischen
den Oberflächen 608 und 612 durch
Bund 611 begrenzt. Gewinde 624 ist in Stecker 616 eingegliedert,
um mit dem komplementären
Gewinde 618 auf dem Einstellschaft 602 zusammenzuwirken.
Verbindungselemente 626 sichern Stecker 616 mittels
Gewinde an dem Steuerungsdeckel 614. Eine Gegenmutter 640 und eine
Unterlegscheibe 642 sind zwischen dem Steuerdrehknopf 606 und
dem Steuerungsdeckel 614 angeordnet. Die Gegenmutter 640 bringt
Gewinde 622 in Eingriff, um Schaft 602 fest mit
Steuerungsdeckel 614 zu verbinden. Der Stift oder Eingriffsabschnitt 630 erstreckt
sich ausgehend von einem distalen Ende des Einstellschafts 602,
um mit dem Kugelhubventil 552 in Eingriff zu treten und
dessen zulässige Verschiebung
zu begrenzen. Eine Rückholfeder 632 ist
um den Stift 630 herum angeordnet.
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Der
Betrieb des Einstellschafts 602 wird nun detaillierter
beschrieben. Die zulässige
Durchflussrate um das Kugelhubventil 552 herum wird durch
die Verschiebung des Kugelhubventils 552 von dem Ventilsitz 546 bestimmt.
In dieser Hinsicht steigt die Durchflussrate an, wenn sich das Kugelhubventil 552 von
dem Ventilsitz 546 wegbewegt. Die zulässige Verschiebung des Kugelhubventils 552 von
dem Ventilsitz 546 wird durch die Lage des Stiftes 630 gesteuert,
der sich ausgehend von dem Einstellschaft 602 erstreckt.
Daraufhin drückt
der Fluidfluss das Kugelhubventil 552 durch die Niederdruckeinlassöffnung 521 von
dem Ventilsitz 546 weg und in den Kontakt mit dem Stift 630 hinein.
Auf diese Weise kann der Einstellschaft 602 in eine vorbestimmte
Lage gebracht werden, um eine gewünschte Durchflussrate um das
Kugelhubventil 552 herum zu erreichen. Sobald eine gewünschte Durchflussrate
erreicht ist, kann die Gegenmutter 640 nach vorn gedrückt und
in Eingriff mit Steuerungsdeckel 614 gebracht werden, um
ungewollte Drehungen des Steuerdrehknopfes 606 auszuschließen.
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Die
vorangegangene Erläuterung
offenbart und beschreibt nur beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung einzig zum Zwecke der Veranschaulichung. Für den Fachmann
ist aus dieser Erläuterung
sowie den beiliegenden Zeichnungen und Patentansprüchen leicht
erkennbar, dass verschiedene Änderungen,
Modifikationen und Abweichungen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne
den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie sie in den nachfolgenden
Patentansprüchen
definiert ist.