DE2003346A1 - Durchflusssteuerventil - Google Patents

Description

It 1484

Kabushikikaisha Tokyo Kelkl Seizosho, Tokyo, Japan

Durchflußs t euervent il

Die Erfindung bezieht sich auf ein Durchflußsteuerventil, das auch im Bereich sehr kleiner Strömungsmengen eine genaue und stabile Steuerwirkung gewährleistet.

Die Durchflußmenge Q eines Strömungsmittel, das eine öffnung durchsetzt, ist im allgemeinen durch folgende Formel gegeben:

^2g (P₁ - P₂)
Q = CAl^{1 Ύ d}

Hierbei bedeuten A den Querschnitt der öffnung, P^ und P₂ den Druck des Strömungsmittels vor bzw. hinter der öffnung, r das spezifische Gewicht und C einen Strömungskoeffizienten, der sich nach der jeweiligen öffnung richtet.

Die bekannten Durchflußsteuerventile kann man im wesentlichen in zwei Hauptgruppen einteilen: die einen steuern die Strömungsmittelmenge durch Einstellung des Querschnittes der öffnung in Abhängigkeit von Druckänderungen des Strömungsmittels auf der Zuström- oder Abströmseite der öffnung. Bei der anderen Gruppe wird der Querschnitt der öffnung nicht geändert, sondern die Differenz zwischen dem Strömungsmitteldruck auf der ZuBtröm- und Abströmseite konstant gehalten, so ' daß sich beispielsweise bei einer Druckvergrößerung auf der Einlaßseite auch der Druck auf der Auslaßseite entsprechend erhöht.

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Das übliche Durchflußsteuerventil, das beispielsweise in einem Kreis verwendet wird, der die Abströmmenge einer hydraulischen Einrichtung oder die Zuströmnenge dosiert bzw. steuert, und das die Differenz des Strömungsmitteldruckes vor und hinter einem Durchflußsteuerteil des Durchflußsteuerventiles konstant hält, besteht aus der Durchflußsteuereinheit und einer Druckeinstelleinheit (Druckkorrektureinheit). In dem Durchflußsteuerventil wird der Strömungsmitteldruck vor und hinter der Durchflußsteuereinheit der Druckeinstelleinheit zugeführt und betätigt diese so, daß die erwähnte Druckdifferenz (der Drücke vor und hinter der Durchflußsteuereinheit) konstant gehalten wird. Diese bekannten Durchflußsteuerventile sind Jedoch mit dem wesentlichen Nachteil behaftet, daß sie bei sehr kleinen Strömungsmittelmengen ungenau arbeiten und keine stabile Steuerwirkung gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Durchflußsteuerventil der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der letztgenannte Nachteil vermieden ist.

Diese Aufgabe wird erflndun^sgemäß dadurch gelöst, daß an die Verbindungsleitung zwischen der Durchflußsteuereinheit und der Druckeinstelleinheit eine Zweigleitung angeschlossen ist, die ein Drosselelement enthält, so daß der Druckelnstelleinhelt zusätzlich zu der von der Durchflußsteuereinheit gesteuerten StrOmungemlttelmenge eine weitere Strömungsmittelmenge über das Drosselelement zugeführt wird. "

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigen

Flg. 1 eine Schemadarstellung eines bekannten Durchflußsteuerventliesj

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Fig. 2 einen vergrößerten Teilquerschnitt durch die Steuerdrossel der zum Ventil gemäß Fig. 1 gehörenden Druckeinstelleinheit;

Fig. 3 eine Schemadarstellung eines erfindungsgemäßen Durehflußsteuerventiles (in seiner Anwendung bei einem die Abströmmenge einer hydraulischen Arbeitsvorrichtung steuernden Kreis);

Fig. 4 eine Schemadarstellung des Steuerventiles gemäß Fig. 3 im einzelnen;

Fig. 5 ein vergrößerter Querschnitt durch ein praktisches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Durehflußsteuerventiles;

Fig. 6 ein Schema des erfindungsgemäßen Durchflußsteuerventiles (in seiner Anwendung bei einem die Zuströmmenge zu einer hydraulischen Arbeitevorrichtung steuernden Kreis);

Fig. 7 eine Schemadarstellung des Ventiles gemäß Fig. 6 im einzelnen;

Fig. 8 einen vergrößerten Teilquerschnitt durch die

Steuerdrossel der zum Ventil gemäß Fig. 7 gehörenden Druckeinstelleinheit;

Fig. 9 einen vergrößerten Querschnitt durch ein praktisches Ausführungsbeispiel des Durchflußsteuerventiles gemäß den Fig. 6 und 7;

Fig.10 und 11 vergrößerte Querschnitte weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ventils.

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Anhand der Flg. 1 und 2 sei zunächst ein Ausführungsbeispiel eines bekannten Durchflußsteuerventiles erläutert, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Diese Zeichnungsfiguren veranschaulichen das Durchflußsteuerventil in seiner Anwendung bei einem Meßkreis. Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Durchflußsteuereinheit in einer vorhergehenden Stufe, 2 ist eine Druckeinstelleinheit in der folgenden Stufe und 3 ein Drucköl-Zuführanschluß. Das vom Anschluß 3 zugeführte Drucköl strömt über die Leitungen ¹J und 6 sowie durch die Durchflußsteuereinheit 1 zu einem Zylinder 7, wobei es Leitungen 5, 5p ^und 5< durchsetzt. Aus dem Zylinder gelangt das öl über eine Leitung 8 zu einem Auslaß 9. Im Zylinder 7 sind Kolben 1O₁ und 10- vorgesehen, die miteinander verbunden sind und mit dem Zylinder 7 ölräume H₁ und H₂ begrenzen. Diese ölräume sind an die Leitungen 5-, bzw. 6 angeschlossen. Wenn eine Drosselöffnung der Durchflußsteuereinheit, beispielsweise eines Nadelventil^, verkleinert wird, so verringert sich der Öldruck hinter dem Ventil, d.h. im ölraum llj. Die Kolben 1O₁ und 1O₂ des Zylinders 7 werden infolgedessen gegen die Wirkung einer im ölraum llj angeordneten Feder 12 nach rechts bewegt, so daß eine im Zylinder 7 vorgesehene Steuerdrosselöffnung 13 durch den einen Kolben, beispielsweise IO2 nahezu ganz geschlossen wird. Zum besseren Verständnis des Verhältnisses zwischen dem Kolben 10p und der Steuerdrossel- öffnung 13 zeigt Fig. 2 in vergrößertem Maßstab diese Dros- selöffnung 13 im Zylinder 7 mit den benachbarten Teilen. Es handelt sich hierbei um einen Raum 13.., der an den Zylinder angrenzt und der an einer Seite zur Leitung 5₂ hin geöffnet 1st. Verringert sich die Öffnung der Durchflußsteuereinheit 1, so verschiebt sich die eine Stirnfläche 1O₂ des Kolbens 1O₂ aus der Lage a in die Lage b (vgl. Fig. 2). Wird die Öffnung der Durchflußsteuereinheit 1 weiter verringert, so verschiebt sich der Kolben 1O₂ mit seiner Stirnfläche 10_2a noch welter nach rechts in die Lage c Infolge der Druckverringerung im ölraum 11.. Unter diesen Umständen strömt das aus der LeI-

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tung 5₂ in den Raum 13j gelangende öl durch einen engen Spalt Ik zwischen dem Kolben 1O₉ und dem Zylinder 7 in den Zylinder 7 ein. Verringert sich die öffnung der Durchflußsteuereinheit 1 weiter, so wird der Kolben 1O₂ noch weiter nach rechts bewegt, wobei sich die Länge des Spaltes I¹I in Längsrichtung des Zylinders 7 vergrößert. Nun enthält das öl üblicherweise feine Teilchen wie Staub, Oxydteilchen usw. Wird der vom öl zu durchströmende Spalte Ik_n länger, so strömt das öl nur mit Mühe durch den Spalt Ik , wodurch die Steuerwirkung der Steuer-

drosselöffnung ungenau und unstabil wird und damit eine normale Wirkungsweise beinahe unmöglich wird.

Fig. 3 zeigt ein Schema einer Anlage, die das erfindungsgemäße Durchflußsteuerventil in einem Meß- bzw. Dosierkreis benutzt. Eine Last Ik gleitet a.uf einer Gleitfläche 1^₁ und wird durch den Kolben 17 eines Zylinders 16 über eine Kolbenstange 15 hin und her bewegt, über einen Anschluß 18 wird Drucköl dem Zylinder 16 zugeführt. Über einen Anschluß 19 (entsprechend dem Auslaß 9 der Fig. 1) wird das Drucköl wieder abgeführt. Zu der Anlage gehört weiterhin das erfindungsgemäße Durchflußsteuerventil 20 mit einem zugehörigen Druckölzuführanschluß 21. Leitungen 18^, 19.«, 19₂ ^{und 21}-t verbinden die verschiedenen Anschlüsse und Elemente. Das erfindungsgemäße Durchflußsteuerventil 20 soll im wesentlichen die ölmenge konstant halten, die vom Anschluß 18 über die Leitung 18^, die ölräume l6p und 1O₁ sowie die Leitung 19₂ zum Ventil 20 strömt.

Anhand von Fig. k (die in der grundsätzlichen Darstellung der Fig. 1 entspricht) soll das erfindungsgemäße Durchflußsteuerventil 20 im einzelnen erläutert werden. In Fig. k sind entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 3 bezeichnet. Eine an die Verbindungsleitung 5, 5₂ zwischen der Durchflußsteuereinheit und der Druckeinstelleinheit 2 angeschlossene Abzweigleitung 5^ enthält eine Dros-

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seleinheit 22. Der Druckölanschluß 21 ist mit der Steuerdrossel 13 Ober die Leitungen 5jj und 5p verbunden. In diesem Falle wird der Steuerdrossel 13 stets eine geeignete ölmenge entsprechend der Öldruckdifferenz vor und hinter der Durchflußsteuereinheit 1 zugeführt. Die Steuerdrossel 13 muß nämlich weit genug geöffnet sein, um den Durchtritt einer ölmenge zu ermöglichen, wie sie der Steuerdrossel 13 vom Druckölanschluß 21 über die Drosseleinheit 22 zuströmen würde, und zwar auch dann, wenn die öffnung der Steuerdrossel klein ist. Dies wird automatisch durch den Öldruck erreicht, der über die Leitungen 5^ und 6 zu den öl räume η H₁ und H₂ gelangt. Das Durchflußsteuerventil 20 kann infolgedessen im Bereich sehr kleiner Strömungsmengen genau und stabil betrieben werden, indem die öffnung der Drosseleinheit 22 der Leitung 5j| so gewählt wird, daß die Steuerdrossel 13 zumindest so weit geöffnet wird, wie dies für einen normalen Betrieb der Druckeinstelleinheit 2 erforderlich ist.

Pig. 5 zeigt eine konstruktive Ausführungsform des Durchflußsteuerventiles 20, wobei dieselben Bezugszeichen wie in Flg. 4 benutzt sind. Das Gehäuse 2O₁ des Durchflußsteuerventiles besteht beispielsweise aus Stahl und enthält einen Ulelnlaß 2O₂, der mit dem Auslaßanschluß l6, des ölräumes 1O₁ über die Leitung 19₂ (Fig. 3) verbunden und über die im Gehäuse 2O₁ vorgesehene Leitung 4 an die Durchflußsteuereinheit 1 angeschlossen ist. Der Druckölanschluß 21 für das Durchflußsteuerventil 20 führt über die Leitung 2I₁ zum Drucköl-Einlaßanschluß 2I₂ im Ventilgehäuse 2O₁, der über die Drosseleinheit 22 mit der gleichfalls im Gehäuse 2O₁ ausgebildeten Leitung 5 In Verbindung steht. Eine Schraube 23 dient zur Einstellung der öffnung der Durchflußsteuereinheit 1. Das konische Ende 23₁ dieser in das Gehäuse 20 eingeschraubten Schraube 23 erreicht das eine Ende der Leitung 5 und bildet zusammen mit einem an diesem Ende der Leitung 5 vorgesehenen Ventilsitz 23₂ die Durchflußsteuereinheit 1. Eine Im Gehäuse 2O₁ ausgebildete und dem Zylinder 7 (Flg. 4) entsprechende

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Gleitbohrung 2k weist an Ihrem Umfang eine Nut 25 auf. In die zylindrische Bohrung 2*1 sind die miteinander fest verbundenen Kolben 1O₁ und 1O₂ eingesetzt. Diese Gleitbohrung 2¹», die Hur 25 und der eine Kolben 1O₂ bilden die in Fig. 4 schematisch veranschaulichte Druckeinstelldrossel 13. Die Feder 12 ist verhältnismäßig schwach, besitzt also eine niedrige Federkonstante. Sie ist in dem einen ölraum H₁ angeordnet, mit dessen Hilfe die Drucköldifferenz vor und hinter der Durchflußsteuereinheit 1 eingestellt wird. Auf der Schraube 23 sitzt eine Feststellmutter 26, mit der die öffnung der Durchflußsteuereinheit 1 fixiert werden kann.

Erfindungsgemäß 1st die Abzweigölleitung S]₁ In der Leitung 5 oder 5₂ zwischen der Durchflußsteuereinheit 1 und der Druckeinstelleinheit 2 vorgesehen. In dieser Leitung Sj₄ ist die Drossel 22 angeordnet. Das dem Anschluß 2I₂ vom Anschluß 21 über die .Leitung 2I₁ zugeführte öl gelangt durch die Leitung 5i| und die Drossel 22 - wie bereits beschrieben - zu der unabhängigen Ölleitung 5 oder 5₂· Die Menge des durch die Druckeinstelleinheit, d.h. die Drucksteuerdrossel 13, hindurchfließenden Öles entspricht somit der Summe der ölmengen, die Über die Durchflußsteuereinheit 1 und die Drossel 22 zugeführt werden. Um den Durchtritt dieser ölsummenmenge zu ermöglichen, muß die Drucksteuerdrossel 13 beträchtlich geöffnet sein. Bei dem erfindungsgemäßen Durchflußsteuerventil 20 ist daher die öffnung der Drucksteuerdrossel 13 größer als die einer üblichen Drossel, und zwar entsprechend der durch die Drossel 22 zugeführten ölmenge. So klein auch die (durch die Durchflußsteuereinheit 1) gesteuerte Durchflußmenge sein mag, so wird doch die öffnung der Drucksteuerdrossel 13 entsprechend der ölmenge offengehalten, die den Durchflußsteuerventil 20 von der Drossel 22 her zuströmt. Das Ventil 20 wird also in normalen Betriebsverhältnissen gehalten, so daß eine ölströmung durch einen ganz schmalen, langen Ventilspalt sowie ein Verklemmen des Ventiles durch Fremdkörper und ähnliche

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Letriebsstörungen vermieden werden. Durch die Anordnung der Drossel 22 in der Zweigleitung b^ wird im übrigen die Wirkungsweise des Durchflußsteuerventiles gegenüber der einer bekannten Ausführung nicht geändert.

Vergrüßert sich der Drucl: im ülraum IG. des Zylinders IG (Fig. 3), so steigt damit auch der Druck in der Leitung 19p (Leitung ^) an. Unter diesen Umständen vergrößert sich die üldruckdifferenz vor und hinter der Durchflußsteuereinheit 1 weiter; es vergrößert sich jedoch auch die Differenz der auf die Kolben 10. und 10p ausgeübten Drücke, so daß sich diese Kolben gegen die Wirkung der Feder 12 in Richtung des Pfeiles A (Fig. 5) bewegen, hierdurch wird die Öffnung der Drucksteuerdrossel 13 (vgl. Fig. 2 und die zugehörige Beschreibung) verringert, wodurch die Differenz des üldruckes vor und hinter der Lurchflußsteuereinheit 1 auf ihren anfänglichen V/ert zurückgeführt wird. Lie Durchflußmenge durch die Steuereinheit 1 wird infolgedessen unabhängig von Lruckänderungen im Raun l6j, d.h. Änderungen des Lruckes auf der Einlaßseite des Ventiles 20, stets konstant gehalten. La die Drossel 22 über die Leitung 5^ mit der Leitung 5 in Verbindung steht, deren Druck sich bei einer Druckänderung Im ülraum IC₁ gleichfalls ändert, schwankt die Differenz des Druckes vor und hinter der Drossel 72 mit den Druckänderungen in der Leitung Die von der Drossel 22 In die Leitung 5 strömende Olmenge ist ursprünglich Jedoch so klein gewählt, daß die Druckdifferenz in der Drossel 22 bei der praktischen Benutzung des erfindungs gemäßen Durchflußsteuerventiles keine Rolle spielt.

Anhand der Fig. C bis 9 sei ein erfindungsgemäßes Durchflußsteuerventil 20 in seiner Verwendung in einem Kreis erläutert, in welchem die zuströmende ölmenge dosiert wird.

Las Ausführungsbeispiel der Fig. C entspricht vollständig dem der Fig. 3, mit der einzigen Abweichung, daß das erfin-

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dungsgemäße Durchflußsteuerventil 20 an den anderen ölrauin des Zylinders angeschlossen ist. Es sind wiederum dieselben Bezugszeichen benutzt. Im Unterschied zu Fig. 3 ist jedoch bei Fig.6 der ülabführanschluß des Zylinders mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet, der Druckölzuführanschluß für das Durchflußsteuerventil 20 und den Antriebszylinder mit dem Bezugszeichen 19 und der ülabführanschluß des Durchflußsteuerventiles 20 mit dem Bezugszeichen 21.

Fig. 7 zeigt (entsprechend Fig. 4) die prinzipielle Anordnung des Durchflußsteuerventiles. Das Drucköl fließt jedoch bei der Anordnung gemäß Fig. 7 in entgegengesetzter Richtung wie bei der Anlage gemäß Fig. 4 (vgl. die Pfeilrichtungen). Drucköleinlaß- und Auslaßkanäle sind somit bei den Fig. 4 und 7 (ebenso wie bei den Fig. 3 und 6) gegeneinander vertauscht. Während bei der Anordnung der Fig. 4 die Feder 12 im rechten ülraum H₁ angeordnet ist, befindet sie sich bei der Ausführung der Fig. 7 im linken ölraum H₂. Die Steuerdrossel 13 ist ferner so angeordnet, daß sie von dem rechten Kolben 1O₁ gesteuert wird.

Fig. 8 zeigt das Verhältnis zwischen dem Kolben 1O₁ und dem Raum 13₁, der die Steuerdrossel 13 im Falle der Fig. 7 bildet. Die konstruktive Ausgestaltung ist genau identisch mit der der Fig. 2; lediglich die Richtung der Bewegung des Kolbens 1O₁ relativ zum Raum 13₁ ist entgegengesetzt.

Fig. 9 zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel (entspre*- chend Fig. 5) des bei der Anlage' der Fig. 6 bis 8 verwendeten Durchflußsteuerventile 20. Der Aufbau entspricht der Fig. 5 mit Ausnahme der Strömungsrichtung des Drucköles und der Anordnung der Feder 12 sowie der Steuerdrossel 13.

Da sich die Ausführungsbeispiele der Fig. 6 bis 9 einerseits und 3 bis 5 andererseits genau entsprechen, erübrigt

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sich eine ins einzelne gehende Beschreibung. Auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die ölmenge, die durah die Steuerdrossel 13 hindurchströmt, die Summe der beiden ülmengen, die das Durchflußsteuerventil 1 und die Drossel 22 passieren. Die ölströmungsrichtung ist jedoch umgekehrt.

Wird das erfindungsgemäße Durchflußsteuerventil 20 bei einem die Abflußmenge bzw. bei einem die Zuströmmenge dosierenden Kreis verwendet, so wird die Feder 12 an verschiedenen Stellen des ölraumes des Zylinders 7 angeordnet und die Drucksteuerdrossel 13 wird in unterschiedlicher Lage relativ zu den Kolben ausgebildet. Das erfindungsgemäße Durchflußsteuerventil läßt sich jedoch in beiden Fällen einsetzen. Dies soll anhand der Fig. 10 und 11 näher erläutert werden.

Fig. 10 veranschaulicht die Anwendung der Erfindung bei einem die Abströmmenge dosierenden Kreis. An beiden Enden der Gleitbohrung 24 sind nach der Außenseite des Ventilgehäuses 2O₁ hin offene Gewindebohrungen 2^₁, 2¹J₂ vorgesehen, in die Abdeckungen 27j bzw. 27₂ eingeschraubt sind. Es sind ferner am Umfang der erwähnten Gleitbohrung Nuten 25j und 25₂ vorgesehen, an die ölkanäle 5₂₁ und 5₂₂ angeschlossen sind. Diese beiden letztgenannten Kanäle schließen gemeinsam an das Ende des ölkanales 5₂ an. Wird das Ventil in einem die Abströmmenge dosierenden Kreis angeordnet und ist die Feder 12 infolgedessen im ölraum H₁ vorgesehen, so bilden der Kolben 1O₂ und die Umfangsnut^1>25₂ in gleicher Welse wie zuvor beschrieben die Steuerdrossel 13· Selbst wenn sich in diesem Falle der Kolben 10. etwas verschiebt, so bleibt die ümfangsnut 25j durch den Kolben 1O₁ vollständig geschlossen und kann infolgedessen keine Drosselsteuerung durchführen. Im übrigen entspricht die Wirkungsweise vollständig dem anhand der Flg. 3 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispiel.

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Fie· 11 veranschaulicht den Fall, daß das erfindungsgemäße Durchflußsteuerventil in einem die Zustrommenge dosierenden Kreis verwendet wird. Die Feder 12 ist hier im ölraum H₂ angeordnet. Die Umfangsnut 25p ist durch den Kolben 10p vollständig geschlossen, während die andere umfangsnut 25^ zusarjnen mit dem Kolben 1O₁ die Steuerdrossel 13 bildet. Die Wirkungsweise entspricht dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 bis y.

Lei den Ausführungsbeispielen der Fig. 10 und 11 1st die Drossel 21? keine einfache Öffnung, sondern eine veränderliche Drosselttffnunc· Es versteht sich natürlich, daß auch bei den Ausführun_t-,sbeispielen der Fig. 5 und 9 die Drossel 22 in gleicher Weise verstellbar ausgebildet werden kann.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   fl,) Durchflußsteuerventil mit einer Durchflußsteuereinhedt und einer Druckeinstelleinheit zur annähernden Konstanthaltung der Durchflußmenge eines die Durchflußsteuereinheit durchsetzenden Strömungsmittels durch Konstanthaltung der Differenz des Strömuncsniitteldruckes vor und hinter der Durchflußsteuereinheit, dadurch gekennzeichnet , daß an die Verbindungsleitung zwischen der Durchflußsteuereinheit und der Druckeinstelleinheit eine Zweigleitung angeschlossen ist, die ein Drosselelement enthält, so daß der Druckeinstelleinheit zusätzlich zu der von der Durchflußsteuereinheit gesteuerten iJtrömungsmittelrr.enge eine weitere Strömunfsmittelmenge über das Drosselelement zugeführt v/ird.
2. 2.) Durchflußsteuerventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einem die Abströmmenge dosierenden bzw. steuernden Kreis.
3. 3.) Durchflußsteuerventil nach Ansprucli 1, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einem die Zustrümmenge dosierenden bzw. steuernden Kreis.
4. 4.) Durchflußsteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lrosselelernent eine öffnung von etwa konstantem Querschnitt aufweist.
5. 5.) Durchflußsteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da/:, das Drosselelement einen veränderlichen Offnungsquerschnitt aufweist.
6. 6.) DurchfluEsteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da£ die zwi&chen der Lurchflußsteuereinheit und

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   der Druckeinstelleinheit vorgesehene Verbindungsleitung sich an dem der Druckeinstelleinheit zugewandten Ende verzweigt, wobei die Zweigleitungen an unterschiedlichen Stellen mit der Druckeinstelleinheit verbunden sind.

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