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Die
Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung, mit einem Ventilgehäuse,
in dem ein Ventilglied mittels Stellmitteln verschieblich gelagert
ist, wobei das Ventilglied wenigstens einen Ventilteller aufweist, dem
in Axialrichtung ein Ventilsitz gegenüberliegt, der eine
durch den Ventilteller wahlweise fluiddicht absperrbare oder freigebbare
Kanalmündung umschließt.
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Ein
derartiges Sitzventil ist beispielsweise aus der
DE 79 24 113 bekannt. Das hierin offenbarte Ventil
ist als 5/2-Wege-Ventil ausgebildet, wobei ein Ventilschieber vorgesehen
ist, auf dem mittig ein aus verformbarem Elastomermaterial bestehendes
Dichtelement sitzt. Das Dichtelement hat zwei sich zum freien Rand
hin verjüngende Dichtlippen, deren axial außen
liegende Stirnflächen jeweils einem gehäusefesten
Dichtsitz gegenüberliegen. Das Dichtelement befindet sich
also zwischen den beiden Dichtsitzen und kann, abhängig
von der Bewegung des Ventilschiebers, wahlweise am einen oder anderen
Dichtsitz in Anlage gebracht werden, wodurch eine jeweilige vom zugeordneten
Dichtsitz umschlossene Kanalmündung fluiddicht absperrbar
ist.
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Aufgrund
von Fertigungstoleranzen kann es vorkommen, dass die Längsachse
des Ventilschiebers nicht exakt parallel zur Längsachse
der Gehäuseausnehmung, in der der Ventilschieber geführt
ist, liegt. Man spricht hier von sogenannten Parallelitätsfehlern.
Ventilschieber-Längsachse und Ausnehmungslängsachse
der Gehäuseausnehmung können also im Winkel zueinander
ausgerichtet sein. Derartige Parallelitätsfehler würden
dazu führen, dass der Ventilteller bzw. das Dichtelement
nicht exakt am zugeordneten Ventilsitz anliegt, wodurch die Abdichtfunktion
beeinträchtigt würde. Um diesem Problem vorzubeugen,
besteht das Dichtelement aus verformbarem Elastomermaterial oder
weist Einsätze aus verformbarem Elastomermaterial auf,
wodurch eine Parallelitätsfehler ausgleichende Verformung
des Dichtelementes bzw. dessen Einsätzen durch Kontakt
mit dem Dichtsitz erfolgt. Man spricht hier von einer "weichdichtenden"
Abdichtung.
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Bei
Hochdruckanwendungen sind weichdichtende Dichtelemente nicht einsetzbar,
da der anstehende hohe Fluiddruck bereits zu einer eine zuverlässige
Abdichtung nicht mehr gewährleistende Verformung des Dichtelementes
führen würde. Folglich werden Materialien verwendet,
die dann auch bei Anlage an den Dichtsitz durch diese nicht verformt werden.
Hier spricht man von einer "hartdichtenden" Abdichtung. Jedoch stellt
sich hier wieder das Problem der Parallelitätsfehler. Je
größer der Dichtsitzdurchmesser, desto gravierender
wirken sich Parallelitätsfehler, also Winkelstellungen
zwischen dem Dichtsitz und dem in Anlage hierzu gebrachten Dichtelement,
auf die Leckage aus, d. h. der Spalt durch den Fluid entweichen
kann wird größer.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Ventileinrichtung der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, mit der auch bei Hochdruckanwendungen eine
zuverlässige, geringe Leckage aufweisende Abdichtung fluiddicht
abzusperrenden Kanalmündungen möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Ventileinrichtung mit den Merkmalen des
unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Ventileinrichtung zeichnet sich
dadurch aus, dass der Ventilteller zur Lageausrichtung am Ventilsitz
mittels eines Kugelgelenks schwenkbar gelagert ist.
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Dadurch
ist es möglich, dass der Ventilteller sich genau am Ventilsitz
ausrichten kann. Dadurch können aufgrund von Parallelitätsfehlern
entstandene Winkelstellungen zwischen der Gehäuseausnehmungs-Längsachse
und der Ventilschieber-Längsachse ausgeglichen werden.
Die Leckage kann dadurch verringert werden.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung weist das Ventilglied einen Ventilstößel
auf, der den wenigstens einen Ventilteller trägt und der
mit einer Spanneinrichtung ausgestattet ist über die der
Ventilteller schwenkfest am Ventilstößel fixierbar
ist. Dadurch ist es möglich, einen sogenannten Einstellbetrieb
zu fahren, in dem der Ventilteller über das Kugelgelenk
zunächst noch schwenkbar gelagert ist, wodurch sich die
für die optimale Abdichtung erforderliche Winkellage des
Ventiltellers ermitteln lässt. Der Ventilteller kann dann über
die Spanneinrichtung in der ermittelten Winkellage schwenkfest am
Ventilstößel fixiert werden, wodurch ein Dauerbetrieb
mit schwenkfestem jedoch auf die ermittelte Winkellage eingestellten
Ventilteller möglich ist.
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In
besonders bevorzugter Weise weist der Ventilstößel
zur Bildung der Spanneinrichtung zwei miteinander verspannbare Stößelteile
auf, zwischen denen die Komponenten des Kugelgelenks angeordnet
sind, wobei beim Verspannen eine die Schwenkbarkeit des Ventiltellers
verhindernde Presskraft auf das Kugelgelenk einleitbar ist.
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Die
beiden Stößelteile können beispielsweise
mittels einer Verschraubung miteinander verschraubt werden.
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Alternativ
zur schwenkfesten Anordnung des Ventiltellers am Ventilstößel
während des Dauerbetriebes ist es auch möglich,
dass der Ventilteller während des Dauerbetriebs verschwenkbar
bleibt. Der Ventilteller würde sich dann bei jeder Anlage
an den Dichtsitz wieder neu ausrichten.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung weist das Kugelgelenk miteinander
kooperierende Lagerflächen auf. Vorzugsweise sind zwei
miteinander kooperierende Lagerflächen an einer dem Dichtsitz
abgewandten Innenseite der Ventiltellers und an einem lagestabil
auf dem Ventilstößel sitzenden Basisteil sowie
zwei miteinander kooperierende Lagerflächen an einer dem
Dichtsitz zugewandten Außenseite des Ventiltellers und
an einem Widerlagerelement vorgesehen. Es kann also ein inneres
Lagerflächen-Paar an der Innenseite des Ventiltellers und
am Basisteil sowie ein äußeres Lagerflächen-Paar
an der Außenseite des Ventiltellers und am Widerlagerelement vorgesehen
sein.
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Das
Widerlagerelement ist bevorzugterweise eine separate Hülse,
die zweckmäßigerweise ebenfalls auf dem Ventilstößel,
insbesondere auf demselben Stößelteil wie Ventilteller
und Basiselement, sitzt. Das Widerlagerelement kann dann beim Verspannen durch
das andere Stößelteil auf die Außenseite
des Ventiltellers gedrückt werden. Alternativ ist es jedoch auch
möglich, dass das Widerlagerelement einstückig
mit dem Stößelteil verbunden ist, das heißt
das Widerlagerelement vom Endbereich dieses Stößelteils
gebildet wird.
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Zweckmäßigerweise
ist mindestens eine der an der Ventilteller-Innenseite und an dem
Basisteil ausgebildeten Lagerflächen, also den Lagerflächen des
inneren Lagerflächen-Paares, kugelflächenartig ausgebildet.
In besonders bevorzugter Weise ist die an der Ventilteller-Innenseite
ausgebildete Lagerfläche zur Bildung eines kreisförmig
verlaufenden Linienkontakts mit der korrespondierenden Lagerfläche am
Basisteil konusflächenartig ausgebildet.
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Zweckmäßigerweise
ist auch mindestens eine Lagerfläche des äußeren
Lagerflächenpaares, also den Lagerflächen an der
Ventilteller-Außenseite und am Widerlagerelement, kugelflächenartig
ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die am Widerlagerelement ausgebildete
Lagerfläche zur Bildung eines kreisförmig verlaufenden
Linienkontakts mit der korrespondieren Lagerfläche am Basisteil
konusflächenartig ausgebildet.
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Alternativ
ist es jedoch auch möglich, dass die Lagerflächen
des inneren und/oder des äußeren Lagerflächenpaares
komplementär kugelflächenartig zueinander ausgebildet
sind.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung weist der Ventilteller einen Schwenklagerabschnitt
mit zentraler Durchgangsöffnung zur Durchführung
des Ventilstößels und einen umfangsseitig daran
anschließenden flanschartigen Dichtabschnitt mit Dichtfläche zur
fluiddichten Anlage am Dichtsitz auf. Zweckmäßigerweise
liegen die tellerseitigen Lagerflächen an diesem Schwenklagerabschnitt.
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Es
ist möglich, dass ein mit axialem Abstand zum Ventilteller
angeordneter weiterer Ventilteller vorgesehen ist, dem ein axial
ausgerichteter, gehäusefester weiterer Ventilsitz gegenüberliegt,
wobei der weitere Ventilteller unabhängig vom Ventilteller
mittels eines weiteren Kugelgelenks schwenkbar gelagert ist.
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Der
Ventilteller kann zumindest im Bereich des Dichtabschnitts aus bei
Anlage an den Dichtsitz unverformbaren Material bestehen. Vorzugsweise handelt
es sich bei dem unverformbaren Material um Hartkunststoff, insbesondere
Polyoxymethylen (POM).
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Besonders
bevorzugt ist als Stellmittel zum Antrieb des Ventilglieds ein Elektromagnet
vorgesehen.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Längsschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung,
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2 die
Einzelheit X von 1 in vergrößerter
Darstellung,
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3 die
in 2 in vergrößerter Darstellung
gezeigten Komponenten des Kugelgelenks in längsgeschnittener
Explosionsdarstellung und
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4 eine
perspektivische Explosionsdarstellung des Ventilglieds der Ventileinrichtung
von 1.
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Die 1 bis 4 zeigen
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Ventileinrichtung 11. Die Ventileinrichtung besitzt ein
Ventilgehäuse 12, in dem sich eine Gehäuseausnehmung 13 befindet,
die hier beispielhaft mit länglicher Ausgestaltung gezeigt
ist. Die Gehäuseausnehmung 13 besitzt eine Gehäuseausnehmungs-Längsachse 14.
Die Gehäuseausnehmung 13 beherbergt ein Ventilglied 15,
das mittels Stellmitteln in Form eines Elektromagneten (nicht dargestellt)
axial verschieblich in der Gehäuseausnehmung 13 gelagert
ist.
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Gemäß bevorzugtem
Ausführungsbeispiel ist die Ventileinrichtung 11 als
3/2-Wege-Ventil ausgebildet, wobei ein zwischen der Außenseite
des Ventilgehäuses 12 im Wesentlich senkrecht
zur Gehäuseausnehmungs-Längsachse 14 verlaufender,
in die Gehäuseausnehmung 13 einmündender
Speisekanal 16 vorgesehen ist, über den Druckmedium,
insbesondere Druckluft, einleitbar ist. Es ist ferner noch ein ebenfalls
zwischen der Außenseite des Ventilgehäuses 12 und
der Gehäuseausnehmung 13 verlaufender Arbeitskanal 17 vorgesehen, über
den abhängig von der Stellung des Ventilglieds 15 über
den Speisekanal 16 zugeführtes Druckmedium abgegriffen
werden kann. Gemäß bevorzugtem Ausführungsbeispiel
sind zwei Arbeitskanäle 17, 17' vorgesehen, wobei
sich einer der Arbeitskanäle 17 an derselben Gehäuseseite
wie der Speisekanal 16 befindet, während der andere
Arbeitskanal 17' an der entgegengesetzten Gehäuseseite
liegt. Schließlich ist noch ein Entlüftungskanal 18 vorgesehen, über
den der Arbeitskanal 17, 17' ebenfalls abhängig
von der Stellung des Ventilglieds 15, entlüftet
werden kann.
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Das
Ventilglied 15 weist wenigstens einen Ventilteller 19 auf,
dem in Axialrichtung ein gehäusefester Ventilsitz 20 bzw.
Dichtsitz gegenüberliegt, der eine durch den Ventilteller 19 wahlweise
fluiddicht absperrbare oder freigebbare Kanalmündung umschließt.
Im Falle des gemäß bevorzugtem Ausführungsbeispiel
vorgesehenen 3/2-Wege-Ventils ist mit axialem Abstand zum Ventilteller
ein weiterer Ventilteller 21 vorgesehen, dem in Axialrichtung
ein gehäusefester weiterer Ventilsitz 22 gegenüberliegt.
Die Ventilteller bestehen jeweils aus bei Anlage an den zugeordneten
Ventilsitz 20, 22 unverformbaren Material, insbesondere
Hartkunststoffmaterial in Form von Polyoxymethylen (POM).
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Der
Ventilsitz 20 des Ventiltellers 19 wird von einem
einstückig mit dem Ventilgehäuse 12 verbundenen,
im Bereich der Innenwandung der Gehäuseausnehmung 13 angeordneten
ringförmigen Vorsprung gebildet. Im Gegensatz dazu befindet
sich der weitere Ventilsitz 22 des weiteren Ventiltellers 21, ebenfalls
als ringförmiger Vorsprung ausgebildet, an der Stirnseite
einer Dichtungshülse 23, die ihrerseits in die
Gehäuseausnehmung 13 eingesetzt ist. Die Dichtungshülse 23 trägt
an ihrem Außenumfang Dichtringe 24, beispielsweise
zwei an der Zahl, die für eine Abdichtung gegenüber
der Innenwandung der Gehäuseausnehmung 13 sorgen.
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Das
Ventilglied 15 weist einen Ventilstößel 25 auf,
der aus zwei Stößelteilen 26, 27 besteht.
Wie insbesondere in den 1 und 4 dargestellt,
besitzt das erste Stößelteil 26 einen
zylindrischen Kopfabschnitt 28, der passgenau in die Dichtungshülse 23 eingesetzt
ist und an der Innenwandung der Dichtungshülse 23 geführt
ist. Am Außenumfang des Kopfabschnitts befindet sich ein
Dichtring 29, der zur Abdichtung gegenüber der
Innenwandung der Dichtungshülse 23 dient. An der
Stirnfläche des Kopfabschnitts 28 befindet sich
ein Werkzeugeingriffsabschnitt 30, zum Eingriff eines Werkzeug.
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Dem
Werkzeugeingriffsabschnitt 30 gegenüberliegend
schließt sich an den Kopfabschnitt 28 ein demgegenüber
durchmesserkleinerer Lagerabschnitt 31 an, auf dem die
beiden Ventilteller 19, 21 sitzen. Der Endbereich
des Lagerabschnitts 31 ist mit einem Außengewinde 32 versehen,
das in ein Innengewinde 33 am zweiten Stößelteil 27 eingeschraubt werden
kann. Das zweite Stößelteil 27 besitzt
einen Basisabschnitt 34 in dem sich stirnseitig eine Ausnehmung
mit dem zuvor beschriebenen Innengewinde 33 befindet. Am
Außenumfang des Basisabschnitts 34 sitzt wiederum
ein Dichtring 35 der zur Abdichtung gegenüber
der Innenwandung der Gehäuseausnehmung 13 dient.
An den Basisabschnitt 34 schließt sich in Axialrichtung
ein durchmessergrößerer Flanschabschnitt 36 an,
der mit dem Anker des Elektromagneten einstückig verbunden
ist oder den Anker selbst bildet, wobei letzter bei Bestromung des Elektromagneten
bewegt wird, wodurch letztendlich auch der Ventilstößel 25 in
Bewegung gesetzt wird.
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Der
wenigstens eine Ventilteller 19, 20 ist zur Lageausrichtung
am zugeordneten Ventilsitz 20, 22 mittels eines
Kugelgelenks 37 schwenkbar gelagert. Da gemäß bevorzugtem
Ausführungsbeispiel zwei Ventilteller 19, 21 vorhanden
sind, sind auch zwei Kugelgelenke 37, 38 vorgesehen,
wodurch die beiden Ventilteller 19, 21 unabhängig
voneinander schwenkbar gelagert sind. Die unabhängige,
schwenkbare Lagerung ist sinnvoll, da sich dann jeder Ventilteller 19, 21 an
dem ihm zugeordneten Ventilsitz 20, 22 ausrichten
kann, ohne die Ausrichtung des jeweils anderen Ventiltellers 19, 21 zu
beeinflussen.
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Die
jeweiligen Ventilteller 19, 21 und die jeweiligen
Kugelgelenke 37, 38 sind identisch aufgebaut,
so dass nachfolgend lediglich der Aufbau bzw. die Ausgestaltung
eines der beiden Ventilteller 19, 21 bzw. Kugelgelenke 37, 38 beschrieben
wird.
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Wie
insbesondere in den 2 bis 4 gezeigt,
besitzt der Ventilteller 19, der auch als Dichtelement
bezeichnet werden könnte, einen kugelartigen Schwenklagerabschnitt 39 mit
mit tiger Durchgangsöffnung 40 zur Durchführung
des Lagerabschnitts 31 des ersten Stößelteils 26.
An den Schwenklagerabschnitt 39 schließt sich
umfangsseitig ein flanschartiger Dichtabschnitt 41 an,
wobei an der dem zugeordneten Ventilsitz 20 zugewandten Außenseite 42 des
Ventiltellers 19 im Bereich des Dichtabschnitts 41 eine
kreisringförmige Dichtfläche 43 vorgesehen
ist, die zur Anlage an den Ventilsitz 20 dient.
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Das
Kugelgelenk 37 weist Paare miteinander kooperierender Lagerflächen 44, 45 und 46, 47 auf. Eine
der Lagerflächen 44 befindet sich dabei im Bereich
des Schwenklagerabschnitts 39 an der Innenseite 48 des
Ventiltellers 19 und kooperiert mit einer Lagerfläche 45,
die sich an einem lagestabil auf dem Ventilstößel 25 sitzenden
Basisteil 49 befindet. Dieses Basisteil 49 ist
kugelartig ausgestaltet und besitzt ebenfalls eine mittige Durchgangsöffnung 50 zur Durchführung
des Lagerabschnitts 31 des ersten Stößelteils 26.
Diese beiden miteinander kooperierenden Lagerflächen 44, 45 sind
das innere Lagerflächen-Paar. Dabei ist die Lagerfläche
an der Innenseite 48 des Ventiltellers 19 konusflächenartig
ausgestaltet, während die gegenüberliegende Lagerfläche 45 am
Basisteil 49 kugelflächenartig ausgestaltet ist. Dadurch
wird ein kreisförmig verlaufender Linienkontakt der miteinander
korrespondierenden Lagerflächen erzielt. Das zweite Lagerflächen-Paar, das
auch als äußeres Lagerflächen-Paar bezeichnet
wird, wird von einer an der Außenseite des Ventiltellers 19 im Bereich
des Schwenklagerabschnitts 39 befindlichen Lagerfläche 46 und
einer damit kooperierenden Lagerfläche 47 an einem
Widerlagerelement 51 gebildet. Das Widerlagerelement ist
als Hülse ausgebildet und sitzt ebenfalls auf dem Lagerabschnitt 31 des ersten
Stößelteils 26.
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Die
kugelflächig ausgebildeten Lagerflächen der jeweiligen
Lagerflächen-Paare sind derart gekrümmt, dass
die Kugelflächen denselben Mittelpunkt haben.
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Zur
Bildung einer Spanneinrichtung werden die beiden Stößelteile 26, 27 mit
den dazwischenliegenden Komponenten der Kugelgelenke 37, 38 miteinander
verschraubt, wobei die miteinander kooperierenden Lagerflächen 44, 45 und 46, 47 derart
aufeinandergepresst werden können, dass eine Schwenkbarkeit
der Ventilteller 19, 21 unterbunden werden kann.
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Zweckmäßigerweise
wird zunächst mit der Ventileinrichtung ein Einstellbetrieb
gefahren. Hierbei sind die hülsenartigen Widerlagerelemente 51,
die beiden Ventilteller 19, 20 und das Basisteil 49 auf
den Lagerabschnitt 31 des ersten Stößelteils 26 aufgesteckt.
Das erste Stößelteil 26 wird mit dem
zweiten Stößelteil 27 verschraubt jedoch
derart, dass die beiden Ven tilteller 19, 21 noch
verschwenkbar sind. Wird dann der Einstellbetrieb durchgeführt,
so richtet sich der Ventilteller 19 an dem ihm zugeordneten Ventilsitz 20 exakt
aus, während sich der weitere Ventilteller 21 bei
entgegengesetzter Bewegung des Ventilglieds 15 am weiteren
Ventilsitz 22 ausrichtet. Dadurch können die Winkelstellungen
der jeweiligen Ventilteller 19, 21 ermittelt werden,
mit denen eine zuverlässige fluiddichte Abdichtung der
Kanalmündungen erfolgt. Als Nächstes werden nun
die beiden Stößelteile 26, 27 weiter
angezogen, so dass die Widerlagerelemente 51 auf die Außenseiten
der Ventilteller 19, 21 drücken, wodurch
die Ventilteller auf das Basisteil 49 gepresst werden.
Sind die beiden Ventilteller 19, 21 festgestellt
also schwenkfest am Stößelteil 26 gelagert,
kann mit dem Dauerbetrieb begonnen werden in welchem sich die Winkellage
der Ventilteller 19, 21 ja dann nicht mehr ändert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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