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Absperr- oder Steuerventil Die Erfindung bezieht sich auf ein Absperr-
oder Steuerventil mit Antrieb durch ein Druckmittel, das unter Steuerung durch eine
durch einen kurzzeitigen Impuls ausgelöste Hilfsventilanordnung auf eine Membran
od. dgl. einwirkt.
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Es .sind bereits elektromagnetisch betätigte Ventilanordnungen mit
zwei gleichzeitig betätigten Hilfsventilen für die Druckbeaufschlagung bzw. Entlüftung
des Druckraumes über einen Servokolben bekannt. Bei diesen bekannten Ausführungen
ist jedoch keine Impulssteuerung möglich, da das Hilfsventil durch eine Feder nach
Aufhören der Magnetkraft sofort wieder in seine Ausgangsstellung zurückbewegt wird.
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Es ist außerdem an sich bereits bekannt, einen Schieberkolben durch
ein Druckmittel in seiner jeweiligen Stellung zu halten.
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Es wurde auch bereits ein Steuerschieber mit einem Hauptschieberkolben
vorgeschlagen, der zum Zwecke seiner Umschaltung Kolbenflächen verschiedener Größe
hat, deren kleinere ständig mit dem Druckmittel l:eaufschlagt ist, während die größere
Kolbenfläche wahlweise auf Druck oder Abfluß durch einen zusätzlichen Hilfsschieberkolben
schaltbar ist, der seinerseits durch ein elektromagnetisches Hilfsventil gesteuert
wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfache Ventilanordnung zu schaffen,
bei der nach erfolgter Umsteuerung des Ventils durch einen Steuerimpuls das Ventil
selbsttätig in seiner jeweiligen Stellung gehalten wird.
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Ausgehend von einem Absperr- oder Steuerventil mit Antrieb durch ein
Druckmittel, das unter Steuerung durch eine durch einen kurzzeitigen Impuls ausgelöste
Hilfsventilanordnung auf eine Membran od. dgl. einwirkt, schlägt die Erfindung vor,
daß die Hilfsventilanordnung aus zwei räumlich voneinander getrennten, durch ein
und dieselbe Antriebskraft gleichzeitig, aber in entgegengesetztem Sinn betätigten
Hilfsventilen besteht, von denen eines den Druckmittelzuführungskanal und das andere
den Entleerungskanal beherrscht und die durch das auf sie einwirkende Antriebsdruckmittel
in ihrer jeweiligen Schließstellung gehalten werden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird ein schnell und zuverlässig
arbeitendes Ventil geringer Abmessungen geschaffen, bei dem das Umschalten mit einem
geringen Energieaufwand erfolgen kann. Bei dem erfindungsgemäßen Ventil ist lediglich
zum Verschieben des Ventils in die gewünschte Betätigungsstellung das Einwirken
einer Betätigungskraft erforderlich, während nach erfolgter Umschaltung das Ventil
allein durch das zu steuernde Druckmittel in seiner jeweiligen gewählten Stellung
gehalten wird. Vorzugsweise sind die beiden Hilfsventile mit einer als Anker einer
Elektromagnetanordnung ausgebildeten Platte verbunden, und es können zwei Elektromagnete
vorgesehen sein, die mit der Platte zusammenwirken. Die Hilfsventile können auch
durch einen druckmittelbetätigten Kolben betätigt werden. Bei einem Ventil, bei
dem zwei Kammern durch eine dritte kanalartige Kammer verbunden sind und bei dem
innerhalb jeder Kammer eine mit einem Verschlußstück versehene Membran vorgesehen
ist, und die Membranen durch eine Stange miteinander verbunden sind, ist vorzugsweise
die eine in der nicht mit den Hilfsventilen zusammenwirkenden Kammer angeordnete
Membran mit ®fEnungen versehen und die dem Druckmittel ausgesetzten Flächen dieser
Membran derart bemessen, daß die Stange durch das Druckmittel stets in eine Richtung
gedrückt wird.
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Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil; Fig.
2 ist ein Schnitt längs der Linie Il-II in Fig. 1; Fig. 3 ist ein Schnitt längs
der Linie III-III in Fig. 1; Fg. 4 ist ein Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig.
1; Fig. 5 ist ein Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 1; Fig. 6 ist eine Teildarstellung
einer Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1; Fig. 7 ist eine Teildarstellung einer
weiteren Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1; F!-. 8 ist eine Teildarstellung einer
weiteren Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1, die der in Fig. 5 gezeigten Abwandlung
ähnelt;
Fig. 9 ist eine Teildarstellung einer Abwandlung der Ventilteile
nach Fig.1.
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Die in Fig.1 bis 3 gezeigte Ventilanordnung 1 besteht aus einem Gehäuse
2 mit den Leitungsanschlüssen 3, 4 und 5. Eine Druckmittelzuführungsleitung ist
mit dem Anschluß 5 verbunden, eine Arbeitsleitung für das Druckmittel ist bei 3
angeschlossen, und wenn eine Austrittsleitung verwendet wird, so ist diese mit dem
Anschluß 4 verbunden.
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Mit dem zentralen Kanal 6 steht der Anschluß 3 in Verbindung. An jedem
Ende des zentralen Kanals 6 ist eine Kammer 7 bzw. 8 vorgesehen, in denen die Membranen
9 und 11 angeordnet sind. Die Membran 9 besitzt keine Öffnungen, und sie unterteilt
die Kammer 7 in zwei nicht miteinander verbundene Abteilungen 12 und 13. Ein stirnseitig
angeordnetes Abschlußteil 14 verschließt das nach außen gerichtete Ende der Kammer
7: Das Abschlußteil 14, das über die Membran 9 fest an die Schulter 15 gepreßt wird,
wird z. B. durch einen Sprengring 16 gehalten. Die andere Membran 11 unterteilt
die andere Kammer 8 in zwei Abteilungen 17 und 18, die über die Öffnungen 19 der
Membran 11 miteinander in Verbindung stehen. Ein Abschlußteil 21 verschließt die
Kammer B. Das die Membran 11 fest mit der Schulter 22 verspannende Abschlußteil
21 wird z. B. durch einen Sprengring 23 gehalten.
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Die Membranen 9 und 11 sind mit Nabenabschnitten 26 bzw. 27 versehen,
an denen Dichtflächen 28 bzw. 29 ausgebildet sind. Diese können sich an die Ventilsitze
31 bzw. 32 anlegen, wenn die Nabenabschnitte der Membranen in der betreffenden Richtung
axial bewegt werden. Die Verbindung zwischen dem zentralen Kanal 6 und der Abteilung
12 der Kammer 7 wird durch die Stellung der Dichtfläche 28 gegenüber dem Ventilsitz
31 gesteuert, während die Verbindung zwischen dem zentralen Kanal 6 und der Abteilung
17 der anderen Kammer 8 durch die Stellung der Dichtfläche 29 gegenüber dem Ventilsitz
32 gesteuert wird.
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Gemäß Fig.1 ist der Nabenabschnitt 26 innerhalb der Abteilung 12 von
einem Sicherungsring 50 umgeben, dessen Füße 50 a an der Schulter 30 angreifen.
Gemäß Fig. 3 dient der Ring 50 dazu, die Membran 9 in einem Abstand von der Kante
der Bohrung 40 zu halten, die die Schulter 30 durchsetzt und in der Abteilung 12
mündet. Der Ring 50 besitzt eine zentrale Öffnung, so daß ein ausreichender Abstand
zwischen dem Ring und dem Näbenabschnitt 26 der Membran 9 vorhanden ist, damit das
Druckmittel hindurchströmen und sich der Nabenabschnitt ungehindert bewegen kann.
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Gemäß Fig. 1 ist eine Stange 33 in dem zentralen Kanal 6 angeordnet;
diese Stange dient einmal dazu. die Membranen 9 und 11 miteinander zu verbinden.
Die gemäß Fig. 1 auf dem rechten Teil der Stange ausgebildeten Flansche 34 und 36
nehmen den Nabenabschnitt 26 der Membran 9 auf und sichern die Membran gegen axiale
Bewegungen gegenüber der Stange 33. Die Flansche 37 und 38 am linken Ende der Stange
33 nehmen den Nabenabschnitt 27 der Membran 11 auf und sichern die Membran gegen
axiale Bewegungen gegenüber der Stange. Die einander zugewandten Flächen der Flansche
36 und 37 sind abgeschrägt, so daß sie Fortsetzungen der Dichtflächen 28 bzw. 29
bilden. Der Anschluß 5 steht gemäß Fig. 1 und 2 über eine Bohrung 39 mit der Abteilung
17 der Kammer 8 in Verbindung, während der Anschluß 4 (Fig. 2) über die Bohrung
40 mit der Abteilung 12 der Kammer 7 in Verbindung steht.
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Das Abschlußteil 14, das einen Bestandteil der insgesamt mit 60 bezeichneten
Betätigungsvorrichtung bildet, ist mit einem zentralen Fortsatz 41 versehen, der
eine zentrale Blindbohrung 42 aufweist, in der das rechte Ende der Stange 33 gleitend
beweglich ist. Auf der Stange 33 kann innerhalb der Blindbohrung 42 ein Dichtungsring
43 vorgesehen sein. Das rechte Ende der Stange 33 befindet sich in einem Abstand
von der rechten Stirnwand der Blindbohrung 42, so daß an dieser Stelle eine Kammer
44 vorhanden ist. Innerhalb der Stange 33 ist ein zentraler Kanal 46 ausgebildet,
der die Kammer 44 mit der Abteilung 18 der linken Kammer 8 verbindet.
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Gemäß Fig.1 ist ein erster Kanal 47 mit einem Ventilsitz 48 vorgesehen,
der die Kammer 44 mit der Abteilung 13 der Kammer 7 verbindet. Dem Ventilsitz 48
ist ein Verschlußteil 49 zugeordnet, das an einer Stange 51 angebracht ist, die
in dem Fortsatz 41. beweglich und ihm gegenüber durch einen becherförmigen Dichtungsring
52 abgedichtet ist. Ein zweiter Kanal 53 mit einem Ventilsitz 54 stellt eine Verbindung
zwischen einem dem Atmosphärendruck ausgesetzten Punkt außerhalb des Ventilgehäuses
2 und der Abteilung 13 der Kammer 7 her. Dem Ventilsitz 54 ist ein an einer Stange
57 befestigtes Verschlußteil 56 zugeordnet; die Stange 57 wird durch einen becherförmigen
Dichtungsring 58 gleitend beweglich unterstützt, der sie gleichzeitig gegenüber
dem Fortsatz 41 abdichtet.
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In einem Abstand von dem Fortsatz 41 ist gemäß Fig. 1 eine Platte
61 angeordnet, die mit Bohrungen 62 und 63 zum Aufnehmen der Enden der Stangen 51
und 57 versehen ist. Ferner sind Klemmschrauben 64 und 66 vorgesehen, um die Stangen
51 und 57 mit der Platte 61 zu verbinden.
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Auf der rechten Seite der Platte 61 ist eine erste Elektromagnetwicklung
67 angeordnet, die mit einem Eisenkern 68 versehen ist; auf der linken Seite der
Platte 61 befindet sich eine zweite Elektromagnetwicklung 69, die mit einem Eisenkern
71 versehen ist. Fig. 5 zeigt Schrauben 72 und 73, die in den Fortsatz 41 eingeschraubt
sind und durch Bohrungen 74 in der Platte 61 sowie Bohrungen 76 in einer Stirnwand
77 hindurchragen; dort sind Muttern 78 aufgeschraubt. Gemäß Fig.1 verbinden elektrische
Leitungen 82 und 83 die Wicklungen 67 und 69 mit geeigneten elektrischen, vorzugsweise
Gleichspannungsquellen. Der Abstand zwischen den Elektromagnetwicklungen 67 und
69 und den zugehörigen Kernen ist nur wenig größer als die Dicke der Platte 61.
Die entstehenden Luftspalte liegen in der Größenordnung von etwa 0,23 bis etwa
0,60 mm, wenn die Anschlüsse des Ventils einen Durchmesser von etwa 12,5
mm aufweisen und das Ventilgehäuse einen Durchmesser von etwa 75 mm besitzt.
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Die Arbeitsweise des Ventils ist wie folgt. Das über den Anschluß
5 zugeführte Druckmittel strömt durch den Kanal 39 und die Öffnungen 19 der Membran
11. in die Abteilung 18 der Kammer B. Wenn das Ventil die in Fig. 1 gezeigte Stellung
einnimmt, wirkt der Druck des Druckmittels auf die linke Seite des Nabenabschnitts
27 sowie auf die linke Flanschfläche 38 a der Stange 33. Da auf die rechte Seite
des Nabenabschnitts 27 keine gleich große, entgegengesetzte Kraft wirkt, wird das
Ventil fest in der aus Fig. 1 ersichtlichen Stellung gehalten, so daß das Druckmittel
nicht aus dem Anschluß 5 in den Anschluß 3 übertreten
kann. Dagegen
kann das Druckmi,tel aus dem Druckzylinder C, der mit Hilfe des Ventils 1 gesteuert
werden soll, über den Anschluß 3 zwischen dem Ventilsitz ?1 und der Dichtfläche
29' hindurch- zum Anschluß J. (Fig. 2) strömen..
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Wenn jetzt über die elektrischen Leitungen 82 Strom zugeführt wird,
während sich das Ventil auf der rechten Seite befindet, wird die elektromagnetische
Wicklung 67 die Platte 61 nach rechts bewegen, so daß sich das Hilfsventil 49 öffnet,
während das Hilfsventil 56 geschlossen wird. Nunmehr kann das Druckmittel vom Kanal
46 aus über die Kammer 44 und den Kanal 47 in die Abteilung 13 der Kammer 7 einströmen.
Da das Hilfsventil 56 geschlossen ist, wird das Druckmittel in der Abteilung 13
zurückgehalten. Da die Abteilung 12 immer noch mit der Niederdruckseite des Systems
verbunden ist und da die Membran 9 keine Öffnungen besitzt, wird auf die Stange
33 ein nach links wirkender Druck aufgebracht, der die nach rechts wirkende Kraft
überwindet, so daß die beweglichen Ventilteile sofort nach links bewegt werden.
Hierdurch wird die Dichtfläche 28 gegen den Ventilsitz 31 gedrückt, während die
Dichtfläche 29 vom Ventilsitz 32 abgehoben wird. Das Druckmittel strömt weiter vom
Anschluß 5 aus über die Kanäle 46 und 4'7 in die Abteilung 13 ein, so daß das Ventil
in seiner linken Stellung gehalten wird. Bei dieser Stellung des Ventils gelangt
das Druckmittel außerdem vom Anschluß 5 über den Kanal 39 in die Abteilung 17 und
an der Dichtfläche 29 und am Ventilsitz 32 vorbei zu dem zentralen Kanal 6. Da die
Dichtfläche 28 fest gegen. den Ventilsitz 31 gedrückt wird, strömt das Druckmittel
über den Anschluß 3 zu dem Zylinder C.
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Wenn der Druck des in der Abteilung 13 gehaltenen Druckmittels auf
die linke Seite des Hilfsventils 56 wirkt, wird dieses fest gegen den Ventilsitz
54 gedrückt, während das Hilfsventil 49 in der Offenstellung gehalten wird. Somit
kann man die elektromagnetische Wicklung 67 scfort stromlos machen, nachdem die
Bewegung der Platte 61 nach rechts beendet ist, denn das Drucksystem hält die Hilfsventile
weiterhin in ihrer rechten Stellung, so daß das Hauptventil auf unbestimmte Zeit
in seiner linken Stellung gehalten wird.
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Wenn nunmehr Strom über die elektrischen Leitungen 83 zugeführt wird,
kommt die elektromagnetische Wicklung 69 zur Wirkung, und die Platte 61 wird nach
links bewegt, um das Hilfsventil 49 zu schließen und das Hilfsventil 56 zu
öffnen. Hierdurch wird die Zu-fuhr des Druckmittels zu der Abteilung 13 unterbrochen,
und das in derAbteilung 13 enthaltene Druckmittel kann zur Niederdruckseite des
Systems abströmen. Hierdurch wird die durch die Membran 9 aufgebrachte, nach links
wirkende Kraft beseitigt, so daß der Druck im Kanal 6 auf die linke Seite der Membran
9 wirken kann, wodurch die Teile des Haupt-ventils nach rechts in die in
Fig.1 gezeigte Stellung bewegt werden. Gemäß Fig. 1 kann außerdem eine Feder 45
vorgesehen sein, um die Bewegung nach rechts zu unterstützen. Durch den beschriebenen
Vorgang wird das Strömen des Druckmittels vom Anschluß 5 zum Anschluß 3 unterbrochen,
doch kann das im Zylinder C enthaltene Druckmittel in den Anschluß 3 eintreten und
über den Anschluß 4 (Fig. 2) zur Niederdruckseite des Systems gelangen.
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Der Druck des Druckmittels in der Abteilung 18 wirkt sich jedoch nach
wie vor über den Kanal 46 und die Kammer 44 auf den Kanal 47 aus, so daß das Hilfsventil
49 nach links gegen die Sitzfläche 48 gedrückt wird. Sobald die Bewegung der Platte
61 nach links beendet ist, kann man. somit die Stromzufuhr zu der elektromagnetischen
Wicklung 69 unterbrechen. Somit wird nur ein kurzzeitiger elektrischer Impuls benötigt,
um das Hauptventil zu öffnen oder zu schließen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.6 ist statt der elektromagnetischen
Wicklung 67 nach Fig. 5 eine Feder 86 vorgesehen. Diese Feder übt ständig in einer
vorbestimmten Richtung einen Druck auf die Platte 61 aus, z. B. gemäß Fig. 6 nach
rechts, und die durch die elektromagnetische Wicklung 69a aufgebrachte Krafi muß
genügend groß sein, um die Kraft der Feder 86 zu überwinden und die Platte 6? nach
links zu ziehen, wenn über die elektrischen Leitungen 82 a und 83 a Strom zugeführt
wird. Allerdings ist es in diesem Falle erforderlich, ständig elektrische Energie
zuzuführen, wenn das Hauptventil länger geöffnet bleiben soll. Wenn die Zufuhr von
elektrischer Energie zu der elektromagnetischen Wicklung 69 a unterbrochen
wird, kann die Feder 86 die Rückbewegung der Platte 61 nach rechts übernehmen.
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Es liegt auf der Hand, daß man die Feder 86 und die elektromagnetische
Wicklung 69a vertauschen kann, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. Gemäß Fig. 6 und
8 kann mit der elektromagnetischen Wicklung 69 a bzw. 67a ein Gleichrichter 84.
in Reihe geschaltet werden, der über die Leitungen 82a und 83a an eine Wechselstromquelle
angeschlossen ist.
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Es hat sich gezeigt, daß die Wicklungen 67 und/oder 69 im Verlauf
einer erheblichen Zahl von Betätigungen mit einer hohen Frequenz einen bleibenden
Magnetismus entwickeln können. Wenn nur ein Kern 68a oder 71 a (Fig. 8 bzw. 6) in
Kombination mit einer Feder 86 verwendet wird, kann der Kern somit schließlich das
Bestreben zeigen, an der Platte 61 kleben zu bleiben, nachdem die betreffende Wicklung
stromlös gemacht worden ist. Hierdurch wird die Betätigung des Ventils in unerwünschter
Weise verzögert. Diese Ansammlung von Dauermagnetismus läßt sich dadurch verhindern,
daß man ein dünnes Plättchen 92 aus Siliziumstahl (Fig: 8) auf den Kern 68 a auflegt,
wodurch er von der Platte 61 getrennt wird.
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In Fig. 7 ist eine weitere mögliche Variante dargestellt, bei der
die Platte 61 durch einen Kolben 61 a eines mit einem Druckmittel arbeitenden Systems
ersetzt ist. Gemäß Fig. 7 kann wiederum eine Feder 86 benutzt werden, um den Kolben
61 a nach rechts zu bewegen, und ein über eine Leitung 87 der Kammer 85 zugeführtes
Druckmittel dient dann dazu, den Kolben 61a entgegen dem Druck der Feder 86 nach
links zu drücken, wenn ein außenliegendes Steuerventil betätigt wird.
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Man kann das Druckmittel auch auf beide Seiten des Kolbens 61a wirken
lassen, um das Ventil analog der Arbeitsweise der elektromagnetischen Wicklungen
67 und 69 zu öffnen bzw. zu schließen; ferner kann man die Lage der Kammer 85 und
der Feder 86 bei anderen Verwendungszwecken vertauschen, so daß die Feder 86 das
Ventil normalerweise nach links drückt, während das Ventil beim Zuführen eines Druckmittels
nach rechts gebracht wird.
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Es kann erwünscht sein, das Ventil zum Steuern einem Druckmittels
einer Art zu verwenden, während die Betätigung des Ventils mit Hilfe eines anderen
Druckmittels erfolgt. In diesem Falle wird das Ventil entsprechend Fig. 9 abgeändert.
Die Stange 33 wird hierbei massiv ausgeführt, und es wird ein die Wand
des
Gehäuses 2 durchdringender Kanal 90 vorgesehen, um eine Verbindung zu dem Kanal
47 des einen Hilfsventils herzustellen. Den Kanal 90 kann man an eine hier nicht
gezeigte Druckmittelquelle anschließen. Zwischen der Kammer 44 und der Atmosphäre
kann man eine Entlüftungsöffnung 91 vorsehen, um das Entstehen eines Unterdrucks
oder das Auftreten von Dampfblasen zu verhindern. Bei dem in Fig. 9 gezeigten Ventilaggregat
ist es z. B. möglich, eine Flüssigkeit durch das Ventil zu steuern und ein Gas zur
Betätigung des Ventils zu verwenden.
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Es kann auch eine mechanische Antriebseinrichtung vorgesehen werden,
um die Platte 61 zu bewegen.