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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Absperrkeil für ein Absperrventil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Ein solcher Absperrkeil ist aus
DE 2843163 bekannt.
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Die Druckschrift
GB-A-724 577 beschreibt einen anderen Absperrkeil.
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Sie betrifft insbesondere Trennschieber.
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Dieser Schieber umfasst ein Gehäuse und einen Absperrkeil. Der Absperrkeil weist zwei Gleitschuhe zur seitlichen Führung auf, die mit in dem Gehäuse ausgebildeten Längsrillen zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position zusammenwirken. Die Führungsgleitschuhe sind auf der Höhe des Massenmittelpunkts der auf die Bewegungsebene des Absperrkeils projizierten Verschlussfläche angeordnet. Diese Anordnung führt zu einem Gleichgewicht des Absperrkeils unter der Kraft, die von der Flüssigkeit ausgeübt wird, wenn sich der Schieber in der geschlossenen Position befindet, das heißt im statischen Fall.
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Während seiner Bewegung zwischen seiner offenen und seiner geschlossenen Position ist der Absperrkeil dieses Schiebers einem Kippmoment ausgesetzt. Das Kippmoment wird durch das Druck- und Geschwindigkeitsfeld erzeugt, das durch die Strömung von Fluid, das auf das Verschlussorgan auftrifft, erzeugt wird. Dieses Kippmoment bewirkt die Verschiebung des Absperrkeils aus der senkrechten Ebene hinaus in der Bewegungsrichtung der Flüssigkeit. Folglich wird eine von dem Absperrkeil getragene Dichtlippe bezüglich der Dichtflächen des Gehäuses verschoben, was die Dichtigkeit des Schiebers im geschlossenen Zustand beeinträchtigt.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, den genannten Nachteil zu überwinden und ein Absperrventil vorzuschlagen, welches eine gute Dichtigkeit sicherstellt.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Absperrventil anzugeben, welches eine lange Lebensdauer der Führungselemente aufweist.
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Zu diesem Zweck hat die Erfindung einen Absperrkeil der oben genannten Art zum Gegenstand, der durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gekennzeichnet ist.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Absperrkeils weist dieser die Merkmale der abhängigen Ansprüche 2 bis 11 auf.
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Die Erfindung hat außerdem ein Absperrventil zum Gegenstand, das die Merkmale von Anspruch 12 aufweist.
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Die Erfindung wird beim Studium der nachfolgenden Beschreibung besser verständlich, welche lediglich als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, wobei:
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1 eine Seitenansicht des Gehäuses eines Absperrventils gemäß der Erfindung ist,
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2 eine Schnittansicht des Ventils entlang der Linie II-II von 1 ist, wobei sich der Absperrkeil in seiner offenen Position befindet;
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3 eine zu der Ansicht von 2 analoge Ansicht ist, wobei sich der Absperrkeil in seiner geschlossenen Position befindet;
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4 eine schematische Draufsicht eines Absperrkeils gemäß der Erfindung ist; und
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die 5 und 6 Schnittansichten des Absperrkeils entlang der Linien V-V und VI-VI von 4 sind.
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In den 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßes Absperrventil dargestellt, das allgemein mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist.
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Dieses Absperrventil 2 ist dazu bestimmt, in eine Flüssigkeitsversorgungsleitung (nicht dargestellt), zum Beispiel eine Wasserleitung, eingefügt zu werden, um im Bedarfsfall den Flüssigkeitsfluss zu stoppen.
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Das Absperrventil 2 umfasst ein Ventilgehäuse 4 und eine translatorisch bewegliche Verschlussvorrichtung 6, die im Weiteren als Absperrkeil bezeichnet wird.
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Das Ventilgehäuse 4 ist einstückig mit der Versorgungsleitung für eine Flüssigkeit ausgebildet, die mittels eines Eingangsanschlusses 8 und eines Ausgangsanschlusses 10 entlang einer Strömungsrichtung L fließt. Die beiden Anschlüsse 8, 10 sind koaxial bezüglich einer Mittelachse X-X der Strömung der Flüssigkeit angeordnet und definieren einen kreisförmigen Strömungsquerschnitt S (2) mit einem Durchmesser d e. Im eingebauten Zustand des Absperrventils 2 erstreckt sich die Achse X-X horizontal.
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Das Ventilgehäuse 4 umfasst außerdem eine Aufnahme 12 für den Absperrkeil 6, die zwischen den beiden Anschlüssen 8, 10 angeordnet ist. Die Aufnahme 12 umfasst in ihrem oberen Bereich eine Öffnung 14 zur Einführung und Betätigung des Absperrkeils 6. Im Folgenden bezeichnet der Ausdruck „proximal” einen Ort, der sich nahe dieser Öffnung 14 befindet, während der Ausdruck „distal” für Orte verwendet wird, die in der zur Achse X-X hin gerichteten Richtung bezüglich dieser Öffnung 14 versetzt oder von ihr entfernt sind.
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Der Absperrkeil 6 ist in der Aufnahme 12 derart angeordnet, dass er zwischen einer offenen Position, in welcher die Flüssigkeit ungehindert von dem Eingangsanschluss 8 zu dem Ausgangsanschluss 10 strömen kann, und einer in 3 dargestellten geschlossenen Position, in welcher die Flüssigkeit in dem Eingangsanschluss 8 zurückgehalten wird, gleiten kann. Der Absperrkeil 6 kann translatorisch entlang einer vertikalen Bewegungsrichtung D in einer Bewegungsebene C-C gleiten, einer Ebene, die sich senkrecht zur Strömungsrichtung X-X der Flüssigkeit erstreckt.
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Das Ventil 2 umfasst außerdem Mittel zum Antreiben 16 des Absperrkeils 6 zwischen seinen zwei Positionen, der offenen und der geschlossenen. Diese Mittel zum Antreiben 16 umfassen eine Gewindestange 18, die sich radial zur Achse X-X in der Ebene C-C entlang einer vertikalen Achse T-T erstreckt. Im Folgenden werden die Ausdrücke „mittlere(r)” und „seitliche(r)” in Bezug auf diese Achse T-T benutzt.
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Die Stange 18 weist ein proximales Betätigungsende auf, welches aus dem Gehäuse 4 vorsteht, sowie ein distales Ende, welches sich in der Nähe des Strömungsquerschnitts S erstreckt, ohne sich mit ihm zu überlappen. Die Stange 18 ist drehbeweglich, jedoch axial feststehend bezüglich des Gehäuses 4 und mit äußeren Drehantriebsmitteln (nicht dargestellt) verbunden.
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Die Antriebsmittel 16 des Absperrkeils 6 umfassen außerdem einen Block 19 mit T-Profil, der an dem Absperrkeil 6 befestigt ist, wobei in dem Block ein Innengewinde ausgebildet ist, in das die Gewindestange 18 eingeschraubt ist.
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Außerdem stehen, wie in den 3 und 4 dargestellt, zwei Haltewinkel 20A, 20B am proximalen Ende des Keils parallel zur Achse T-T vor, wobei sie zu dieser hin gekrümmt sind. Sie bilden eine zu dem mit einem Innengewinde versehenen Block 19 komplementäre Aufnahmevorrichtung 21 zur Aufnahme desselben.
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Die Aufnahme 12 des Gehäuses definiert einen Dichtsitz 22 für den Absperrkeil 6. Dieser Dichtsitz 22 umfasst eine mittlere, distale Anlagefläche 24, zwei seitliche distale Anlageflächen 26, 28 und zwei seitliche proximale Anlageflächen 30, 32, von denen eine in 2 sichtbar ist.
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Die mittlere, distale Anlagefläche 24 ist gegenüber dem distalen Ende der mit einem Innengewinde versehenen Stange 18 angeordnet. Sie weist eine Teilzylinderform mit der Achse X-X auf, deren Durchmesser mit dem Durchmesser d e des Strömungsquerschnitts S der Anschüsse 8, 10 identisch ist. Entlang der Achse T-T gesehen, weist sie eine Kreisform mit einem Durchmesser d t auf, der etwas größer als der Durchmesser der Gewindestange 18 auf. Jede der beiden seitlichen distalen Anlageflächen 26, 28 schließt sich tangential an die mittlere distale Anlagefläche 24 in der Ebene C-C beiderseits der Achse T-T an. Die beiden seitlichen distalen Anlageflächen 26, 28 sind über ihre gesamte Länge geradlinig ausgebildet. Sie bilden einen Winkel α mit einer Ebene P-P, die sich senkrecht zu der Achse T-T erstreckt. Dieser Winkel α ist kleiner als 30°, insbesondere kleiner als 20° und vorzugsweise kleiner als 10°. Dank dieser geringen Neigung ist der Druck, der auf den Bereich der Dichtlippe des Absperrkeils 6 ausgeübt wird, der den Flächen 24, 26, 28 entspricht, für eine gegebene angelegte Kraft groß. Außerdem ist die Dichtlippe geringen Scherkräften ausgesetzt.
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Da außerdem die Neigung größer als 0° ist, wird verhindert, dass sich Verschmutzungen, die eventuell von der Flüssigkeit eingetragen werden, absetzen können. Der Dichtsitz 22 ist somit selbstreinigend ausgebildet.
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Entlang der Achse X-X gesehen, weist der distale Bereich des Dichtsitzes 22 im Wesentlichen die Form eines Pfeils mit abgerundeter Spitze auf.
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Die beiden proximalen Anlageflächen 30, 32 erstrecken sich beiderseits der Ebene C-C und weisen eine allgemeine Hufeisenform auf. Sie sind bezüglich der Ebene C-C um einen Winkel β geneigt (siehe 1). Der Winkel β kann zwischen 10° und 35° liegen. Jede der beiden proximalen Anlageflächen 30, 32 umgibt den Strömungsquerschnitt S auf der proximalen Seite. Wie in 1 dargestellt, sind die distalen Enden der beiden proximalen Anlageflächen 30, 32 mit den seitlichen proximalen Enden der seitlichen distalen Anlageflächen 26, 28 durch zwei Ansätze 34, 36 verbunden.
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Außerdem weist das Absperrventil 2 Mittel 38 zur Führung des Absperrkeils 6 in der Aufnahme 12 auf.
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Die Führungsmittel 38 umfassen Führungsrillen 40, 42, die sich im Wesentlichen in der Ebene C-C und parallel zu der Achse T-T erstrecken, und zwar von den seitlichen proximalen Enden der seitlichen distalen Anlageflächen 26, 28 bis zu der Öffnung 14 der Aufnahme.
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Der Absperrkeil 6 weist eine Verschlussplatte auf, die im Wesentlichen aus einem Kern 44 aus starrem Material, beispielsweise aus Gusseisen, und einer Beschichtung 48 aus elastischem Kunststoffmaterial, beispielsweise aus Gummi oder aus Elastomer, besteht.
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Die Beschichtung 48 umgibt den Kern 44 vollständig und stellt einen Schutz vor dessen Korrosion sicher.
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Der Absperrkeil 6 weist eine Abdeckung 52 auf, welche eine Absperrfläche A begrenzt. Die Absperrfläche A ist definiert als die freie Fläche des Absperrkeils 6, welche mit der unter Druck stehenden Flüssigkeit in Berührung kommt, wenn sich der Absperrkeil in seiner geschlossenen Position befindet, projiziert auf die Bewegungsebene C-C. Der Massenmittelpunkt dieser Absperrfläche ist mit G bezeichnet. In seiner geschlossenen Position sperrt der Absperrkeil 6 die Flüssigkeit an der Absperrfläche A ab. In dem vorliegenden Beispiel liegt der Massenmittelpunkt G nahe der Achse X-X, wenn sich der Absperrkeil 6 in seiner geschlossenen Position befindet. Die Absperrfläche A weist eine Höhe H auf, gemessen entlang der Bewegungsachse T-T.
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Die Abdeckung 52 besteht aus einem hohlen zylindrischen zentralen Rohr 54 und zwei Flügeln 56, 58.
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Das zentrale Rohr 54 ist im montierten Zustand koaxial zu der Achse T-T der mit Gewinde versehenen Stange 18 angeordnet. Der Innendurchmesser d i des zentralen Rohres 54 ist größer als der Außendurchmesser der Gewindestange 18, so dass das Rohr 54 die Stange 18 aufnehmen kann. Der Außendurchmesser des zentralen Rohres 54 entspricht dem Durchmesser d t der mittleren distalen Anlagefläche 24, entlang der Achse T-T gesehen. Das distale Ende 60 des zentralen Rohres 54 weist, entlang der Achse X-X gesehen, ein kreisbogenförmiges Profil mit einem Durchmesser d e auf.
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Die beiden Flügel 56, 58 sind vollwandige Bereiche, die sich beiderseits der Achse T-T entlang der Bewegungsebene C-C erstrecken. Der distale Bereich jedes Flügels 56, 58 umfasst einen geradlinigen Rand 62, 64, der sich in der Seitenansicht tangential an den Kreisbogen des distalen Endes 60 des zentralen Rohres 54 anschließt. Die Ränder 62, 64 weisen eine zu den seitlichen distalen Anlageflächen 26, 28 des Gehäuses 4 komplementäre Form auf. Jeder Rand 62, 64 ist bezüglich der Ebene P-P um den Winkel geneigt. Außerdem erstrecken sich die beiden geradlinigen Ränder 62, 64 von dem Kreisbogen aus über die gesamte Breite der Abdeckung 52, gemessen in der Bewegungsebene C-C senkrecht zu der Bewegungsachse T-T.
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Wie in den 4 und 5 dargestellt, weist der Absperrkeil 6 außerdem zwei Dichtrippen 66, 68 in Hufeisenform auf, die zu den proximalen Anlageflächen 30, 32 des Gehäuses 4 komplementär ausgebildet sind. Die Dichtrippen 66, 68 springen auf der Fläche der Abdeckung 52 senkrecht zu der Bewegungsebene C-C beiderseits von dieser Ebene vor. Der proximale Bereich 70 der Dichtrippen 66, 68 weist die Form eines hohlen Halbzylinders auf. Er ist an jedem distalen Ende durch einen geradlinigen Rippenbereich 72, 74, der sich bis zu dem seitlichen Ende des Randes 62, 64 jedes der Flügel 56, 58 erstreckt, verlängert. An dieser Stelle bildet die Rippe 66, 68 eine abgestumpfte Spitze 76, die in 6 mit einer strichpunktierten Linie dargestellt ist, entsprechend den Ansätzen 34, 36 des Gehäuses.
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Wie aus 6 hervorgeht, ist jede Rippe 66, 68 von einer Ebene H-H begrenzt, welche um den Winkel β in der Ebene C-C geneigt ist und welche diese Ebene jenseits des distalen Endes 60 des zentralen Rohres 54 schneidet. Die Höhe jeder Rippe 66, 68, in Bezug auf die Ebene C-C gemessen, verringert sich somit von ihrem proximalen Ende bis zu ihrem distalen Ende.
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Der Rand jeder Rippe 66, 68, das distale Ende 60 des zentralen Rohres 54 und der distale Rand 62, 64 jedes Flügels 56, 58 bestehen aus einem Wulst der die Dichtlippe 80 bildenden Beschichtung 48. Diese Dichtlippe 80 weist eine zu der Fläche des Dichtsitzes 22 der Aufnahme 12 des Gehäuses 4 komplementäre Form auf.
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Der Absperrkeil 6 weist außerdem zwei Führungsansätze 82, 84 auf, welche einen Teil der Führungsmittel 38 des Absperrkeils 6 bilden. Diese Ansätze sind geeignet, in den Rillen 40, 42 zu gleiten. Jeder Führungsansatz 82, 84 wird von einem seitlichen Vorsprung des beschichteten Kerns 44 gebildet, der von einem Gleitschuh 88, 90 bedeckt ist, der beispielsweise aus starrem Kunststoffmaterial mit hoher Abriebfestigkeit wie etwa Polyamid besteht. Die Gleitschuhe 88, 90 sind durch Überformen des Beschichtungsmaterials 48 an den Vorsprüngen des Kerns 44 befestigt.
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Die Führungsansätze 82, 84 erstrecken sich entlang der Bewegungsrichtung D. Jeder der Ansätze 82, 84 weist ein proximales Ende 94, 96 und ein distales Ende 98, 100 auf. Das distale Ende 98, 100 jedes Führungsansatzes 82, 84 ist in einem Abstand d p von dem distalen Ende 60 des zentralen Rohres 54 angeordnet, gemessen entlang der Bewegungsachse T-T.
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Während der Bewegung des Absperrkeils 6 in Richtung seiner geschlossenen Position übt die Flüssigkeit eine dynamische Kraft F dyt auf den Absperrkeil aus, welche in die Strömungsrichtung der Flüssigkeit L gerichtet ist.
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Die distalen Enden 98, 100 der Führungsansätze 82, 84 sind derart angeordnet, dass der Angriffspunkt der Resultierenden dieser dynamischen Kraft F dyn wenigstens unmittelbar vor dem vollständigen Schließen auf der proximalen Seite der distalen Enden 98, 100 angeordnet ist.
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Das Verhältnis d p/H zwischen den Größen d p und H ist kleiner als 0,34 gewählt, insbesondere kleiner als 0,3 und vorzugsweise kleiner als 0,25.
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Je kleiner dieses Verhältnis ist, desto größer ist das von F dyn ausgeübte Kippmoment zum Zeitpunkt des Schließens des Ventils.
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Das Absperrventil wird auf folgende Weise zusammengebaut.
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Das Gehäuse 4 und der Kern 44 des Absperrkeils 6 werden aus Gusseisen hergestellt. Die Beschichtung 48 aus Elastomermaterial wird auf den Kern 44 aufgeformt. Dann werden die Gleitschuhe 88, 90 auf die Vorsprünge des Kerns 44 des Absperrkeils 6 aufgesteckt und an den Vorsprüngen befestigt. Anschließend wird der mit einem Innengewinde versehene Block 19 zwischen die Haltewinkel 20A, 20B eingesteckt, und die Gewindestange 18 wird in das Innengewinde eingeschraubt. Der Absperrkeil 6 und die Gewindestange 18 werden durch die Öffnung 14 hindurch in das Gehäuse 4 eingesetzt. Schließlich wird die Stange 18 mit dem Gehäuse 4 und mit den Drehantriebsvorrichtungen verbunden.
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Während des Betriebs, wenn sich der Absperrkeil 6 in seiner offenen Position befindet, kann die Flüssigkeit ungehindert durch das Gehäuse fließen. Wenn der Flüssigkeitsstrom abgesperrt werden soll, beispielsweise im Falle eines Bruchs der stromabwärts von dem Ventil 2 befindlichen Leitung, wird die Gewindestange 18 derart drehend angetrieben, dass sich der Absperrkeil 6 zu seiner geschlossenen Position hin entlang der Richtung D bewegt.
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Ab dem Zeitpunkt, zu dem der Absperrkeil 6 den Strömungsquerschnitt S überlappt, übt die Flüssigkeit auf den Absperrkeil 6 die dynamische Kippkraft F dyn aus, die stromabwärts gerichtet ist. Diese Kraft spannt zunächst den Absperrkeil 6 in die Richtung eines Kippens aus der Bewegungsebene C-C hinaus um den mit einem Innengewinde versehenen Block 20 herum vor. Während der Fortsetzung der Bewegung bewegt sich der Angriffspunkt der Resultierenden der dynamischen Kraft F dyn von dem distalen Ende 60 zu der Mitte des Absperrkeils 6 hin. Wenn der Angriffspunkt der Resultierenden der dynamischen Kraft F dyn die Höhe der distalen Enden 98, 100 der Führungsansätze 82, 84 überschreitet, kippt der Absperrkeil 6 um eine Achse B-B. Diese Achse B-B ist durch die Bereiche der Führungsansätze 82, 84 definiert, die auf den Führungsrillen 40, 42 aufliegen. Ab diesem Zeitpunkt werden die Führungsansätze 82, 84 auf ihrer gesamten Höhe auf die Führungsrillen gedrückt.
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Folglich erstreckt sich der Absperrkeil 6 parallel zu der Ebene C-C, so dass das Anlegen des distalen Endes des Absperrkeils 6 senkrecht zu der Dichtfläche erfolgt. Auf diese Weise stellt das Absperrventil eine gute Dichtigkeit sicher.
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Dank der Tatsache, dass sich die distalen Enden 98, 100 der Führungsansätze 82, 84 in geringem Abstand von dem distalen Ende 60 des zentralen Rohrs 54 und somit von dem distalen Ende des Absperrkeils 6 befinden, gemessen in der Richtung D, wird der Absperrkeil 6 in der Nähe seines distalen Endes in einem großen Abstand von der Kippachse gehalten. Somit ist bei einem gegebenen Druck der Flüssigkeit die auf das untere Ende der Gleitschuhe ausgeübte Kraft gering. Folglich ist die Verschiebung der Dichtlippe 80 bezüglich des Dichtsitzes 22 gering, was zu einer guten Dichtigkeit des Absperrventils 2 für eine gegebene Auflagekraft des Absperrkeils 6 auf dem Dichtsitz 22 führt.
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Außerdem ist die auf die Gleitschuhe 88, 90 ausgeübte Kraft gering, was zu einem geringen Verschleiß derselben führt.
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Außerdem sind aufgrund der Tatsache, dass die Verschiebung des Absperrkeils aus der Ebene C-C hinaus begrenzt ist, die Betätigungskräfte der Gewindestange 18 gering. Die Drehantriebsmittel der Stange (Getriebemotor) können eine geringe Nennkraft aufweisen und wirtschaftlich sein.
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Alternativ dazu umfasst der Absperrkeil Rillen zur seitlichen Führung anstelle der Führungsansätze. In diesem Falle umfasst das Ventilgehäuse entsprechende Führungsansätze, und die Rillen des Absperrkeils wirken mit diesen Ansätzen zusammen.