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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern des Flusses
eines Hochdruckfluids und insbesondere ein Ventil zur Verwendung
in Langzeit-Polymerarbeitsgängen
(engl: high cycle polymer operations).
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Stand der Technik
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Die
Flusssteuerung von Hochdruckfluiden ist bedeutend in unterschiedlichen
Industrien, darunter beispielsweise Herstellung, chemische Produktion, Kühlung, Kunststoffformen,
Fahrzeug- und medizinische Anwendungen in der Kunststoffformindustrie, wobei
Fluide oft bei erhöhten
Temperaturen (von vielen hundert Fahrenheit) und bei erhöhten Drücken (von
vielen tausend psi) vorliegen.
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In
vielen Verfahren der Polymerproduktion, die in der internationalen
Veröffentlichung
Nr.
WO 98/31521 (Pierick
et. al.), internationalen Veröffentlichung
Nr.
WO 99/32544 (Anderson
et. al.) und internationalen Veröffentlichung
Nr.
WO 98/08667 (Burnham
et. al.) beschrieben sind, wird ein Gas Treibmittel mit einem geschmolzenen
Polymer gemischt, um ein Gemisch aus Gas und Polymer zu produzieren. Diese
Prozesse können
dazu verwendet werden, beispielsweise Spritzguss-, Blasform- oder
extrudierte Polymermaterialien zu produzieren. Typischerweise wird
ein Hochdruckgas eingespritzt und mit einem geschmolzenen Polymer
gemischt, bevor das Polymer geformt oder extrudiert wird. Bestimmte
Prozesse, z. B. Spritzgießen,
verwenden ein zyklisches Produzieren von Produkt, z. B. durch viele
Teile, die aufeinander folgend in derselben Form hergestellt werden.
In solchen Fällen
kann es bevorzugt sein, dass das Hochdruckgas von dem Polymerstrom während des
Zeitraums, in dem das Polymer zu einer Form überführt wird, isoliert werden kann.
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Hochdruckfluidventile,
die in zyklischen Arbeitsgängen
verwendet werden, sind typischerweise anstrengenden mechanisch rauen
Bedingungen ausgesetzt. Es ist ein Ziel der Erfindung, ein robustes Hochdruckventil
für eine
solche Verwendung zur Verfügung
zu stellen.
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Es
sei auf die Offenbarung der
GB-A-651688 hingewiesen.
Die Offenbarung zeigt ein Ventil für eine Dampflokomotive mit
einer Ventilstange, die durch eine Stopfbuchse verläuft. Die
Stopfbuchse wird als „gewöhnlich" bezeichnet. Die
Offenbarung ist aus dem Jahr 1951.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Erfindung stellt in einem Aspekt ein Ventil zur Verfügung, wie
es in Anspruch 1 nachstehend definiert ist, umfassend einen Ventilsitz,
einen Ventilstift mit einem Antriebsende und einem Dichtungsende, wobei
der Ventilstift in dem Ventil derart montiert ist, dass das Dichtungsende
dazu in der Lage ist an dem Ventilsitz anzuschließen, und
einer Dichtungsscheibe, welche den Ventilstift hält, wobei die Dichtungsscheibe
ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist. Ein innerer Durchmesser
der Dichtungsscheibe variiert zwischen dem ersten Ende und dem zweiten
Ende.
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Die
Erfindung stellt ein Ventil zur Verfügung, das einen Ventilsitz
umfasst, der in einem Ventilkörper
positioniert ist, und einen Ventilstift umfasst, der in dem Ventilkörper positioniert
ist, wobei der Ventilstift ein Dichtungsende und ein Antriebsende
aufweist. Das Dichtungsende ist dazu in der Lage, an dem Ventilsitz
anzuschließen,
um ein Fließen
eines Fluids durch das Ventil zu verhindern. Eine Kolbenstange ist
in einem Gehäuse
positioniert, wobei die Kolbenstange ein erstes Ende und ein zweites
Ende aufweist und dazu in der Lage ist, eine axiale Kraft auf den
Ventilstift zu übertragen.
Die Kolbenstange ist von dem Ventilstift entkoppelt.
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Die
Erfindung stellt ein Ventil zur Verfügung, das einen Ventilsitz
umfasst, der in einem Ventilkörper
positioniert ist, und einen Ventilstift umfasst, der in dem Ventilkörper positioniert
ist. Der Ventilstift weist ein Dichtungsende und ein Antriebsende
auf. Das Dichtungsende ist konfiguriert um an dem Ventilsitz anzuschließen, um
einen Fluss eines Fluids durch das Ventil zu verhindern. Eine erregte
Dichtung umgibt einen Abschnitt des Ventilstifts und verhindert ein
Fließen
von Fluid durch die Dichtung.
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Die
Erfindung stellt ein Ventil zur Verfügung, das einen Ventilsitz
umfasst, einen Ventilstift umfasst, der dazu in der Lage ist, eine
fluiddichte Dichtung mit dem Ventilsitz auszubilden und eine dem Ventilsitz
benachbarte Ventilstiftführung
umfasst. Die Ventilstiftführung
weist einen inneren Durchmesser auf, der im Wesentlichen gleich
dem äußeren Durchmesser
des Ventilstifts ist.
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Die
Erfindung stellt ein Ventil zur Verfügung, das einen Ventilsitz
umfasst, der in einem Ventilkörper
montiert ist, und einen Ventilstift mit einem Dichtungsende und
einem Antriebsende umfasst. Der Ventilstift ist verschiebbar in
dem Ventilkörper
montiert und axial zwischen einer ersten Position, in der das Dichtungsende
an dem Ventilsitz anschließt,
und einer zweiten Position, in der Fluid durch das Ventil fließen kann,
beweglich. Eine Ventilführung
ist dem Ventilsitz benachbart positioniert und eine erregte Dichtung
umgibt einen Abschnitt des Ventilstifts. Eine Kolbenstange bewegt
den Ventilstift von der zweiten Position zu der ersten Position
und die Kolbenstange ist dazu in der Lage, eine axiale Kraft auf
den Ventilstift zu übertragen,
während
sich die Achse der Kolbenstange unabhängig von der Achse des Ventilstifts bewegen
kann.
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Die
Erfindung stellt ein System zur Verfügung, das eines der oben genannten
Ventile in Kommunikation mit einem Polymerschaum-Verarbeitungsapparat
wie z. B. einem Extrudier-, Spritzguss- oder Blasgussapparat umfasst.
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Andere
Vorteile neue Merkmale und Gegenstände der Erfindung werden aus
der folgenden Detailbeschreibung der Erfindung offenbar werden, wenn
sie in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen beachtet wird, welche schematisch sind und welche nicht
dazu gedacht sind, maßstabsgetreu
gezeichnet zu sein. In den Figuren ist jede gleiche oder annähernd gleiche
Komponente, die in verschiedenen Figuren dargestellt ist, durch
ein einziges Bezugszeichen wiedergegeben. Aus Gründen der Klarheit ist weder
jede Komponente in jeder Figur bezeichnet noch ist jede Komponente
jeder Ausführungsform
der Erfindung gezeigt, wenn eine Illustration nicht dazu notwendig
ist, dass der Durchschnittsfachmann die Erfindung versteht.
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Kurze Figurenbeschreibung
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1 stellt
im Querschnitt ein Einspritzventil aus dem Stand der Technik dar.
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2 stellt
im Querschnitt eine Ausführungsform
eines Fluid-Einspritzventils gemäß der Erfindung
dar.
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3 stellt
im Querschnitt eine vergrößerte Ansicht
einer Dichtung des in 2 dargestellten Fluid-Einspritzventils
dar.
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4 stellt
im Querschnitt eine vergrößerte Ansicht
des Dichtungsbereichs einer Ausführungsform
der Erfindung dar.
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5 stellt
im Querschnitt eine vergrößerte Ansicht
des Dichtungsbereichs einer anderen Ausführungsform der Erfindung dar.
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6 stellt
im Querschnitt eine Ansicht einer Ausführungsform eines Polymer-Verarbeitungssystems
gemäß der Erfindung
dar.
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Detailbeschreibung
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Ein
Beispiel eines typischen Ventils aus dem Stand der Technik, das
verwendet wird, um den Fluss eines Hochdruckfluids, wie z. B. komprimierten
Stickstoffs, in eine Polymermischung zu steuern, wird in 1 dargestellt.
Diese Beschreibung soll nicht implizieren, dass andere, ähnliche
Anordnungen nicht zum Stand der Technik gehören. Das Ventil enthält einen
Ventilkörper 10 mit
einem Ventilsitz 20, der in dem Ventilkörper gehalten wird. Ein Ventilstift 30 ist verschiebbar
so in dem Ventilkörper 10 montiert, dass
das Dichtungsende 32 des Ventilstifts an den Ventilsitz 20 anschließen und
den Fluss von Gas durch den Ventilkörper und aus dem Gasausgang 40 heraus
verhindern kann, der zu einem Polymerschaum-Verarbeitungssystem
führen
kann. Der Durchmesser des Ventilstifts ist einheitlich bis zu der konisch
zulaufenden Spitze am Dichtungsende und der innere Durchmesser des
Ventilkörpers
ist durchgehend einheitlich. Typischerweise ist der Unterschied
zwischen diesen zwei Durchmessern groß genug, zumindest 0,75 mm
(0,03 Zoll), um einen angemessenen Fluss von komprimiertem Gas zwischen dem
Ventilstift 30 und dem inneren des Ventilkörpers 10 zu
erlauben, wenn das Ventil geöffnet
ist. Der Ventilsitz kann aus 316 Edelstahl und der Ventilstift aus 17-4
gehärtetem
Stahl zusammengestellt sein. Obwohl in allen hierin beschriebenen
Ausführungsformen
das Ventil der Erfindung so beschrieben wird, dass es dazu in der
Lage ist, den Fluss von Fluid in einer Position zu verhindern, während es
den Fluss von Fluid in einer anderen Position erlaubt, kann das Ventil
von einem durchschnittlichen Fachmann leicht mit der Unterstützung der
vorliegenden Veröffentlichung
verändert
werden, um den Fluss von Fluid in der ersten Position zu hemmen
(jedoch nicht vollständig
zu verhindern), während
es dem Fluid erlaubt, in der zweiten Position zu fließen. Das
Ventil kann leicht so konstruiert werden, dass es zur Steuerung
von Fluidfluss zwischen und aus im Wesentlichen allen Flussraten
von vollständiger
Verhinderung von Fluidfluss bis freiem Fluidfluss in der vollständig „geöffneten" Position des Ventils
erlaubt. Folglich kann das Ventil in allen Ausführungsformen eine erste Rate
von Fluidfluss in einer ersten Position und eine zweite Rate von
Fluidfluss (verschieden von der ersten Flussrate) in einer zweiten
Position erlauben. Jeder der ersten oder zweiten Raten kann vollständige Verhinderung
von Fluidfluss definieren.
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Der
Ventilstift 30 ist in dem Ventilkörper von einer oberen Dichtungsscheibe 50,
einer unteren Dichtungsscheibe 60 und einer Fluorpolymerdichtung 70 gehalten.
Die obere Dichtungsscheibe 50 ist über eine Mutter 55 einstellbar
und dient dazu, die Dichtung 70 zwischen der oberen Dichtungsscheibe 50 und
der unteren Dichtungsscheibe 60 zu komprimieren. Der innere
Durchmesser der oberen Dichtungsscheibe 50 ist einheitlich
und ist so gestaltet, um Toleranzen zu schließen, um den Ventilstift 30 präzise zu
führen,
wenn sich der Ventilstift zum Öffnen
und Schließen
des Ventils verschiebt. Zum Beispiel kann der innere Durchmesser
der oberen Dichtungsscheibe 50 weniger als 0,013 mm (0,0005
Zoll) größer als
der Durchmesser des Ventilstifts 30 sein. Dadurch kann
die obere Dichtungsscheibe 50 dazu verwendet werden den
Ventilstift 30 auszurichten und zu leiten.
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Der
Ventilstift 30 ist an die Kolbenstange 80 an einer
Kreuzung 81 gesenkgedrückt,
so dass jede Bewegung der Kolbenstange 80 auf den Ventilstift 30 übertragen
wird. Wenn sich die Kolbenstange 80 abwärts bewegt (bezüglich 1)
bewegt sich daher auch der Ventilstift 30 abwärts in eine
Position, in der das Dichtungsende 32 mit der Ventildichtung 20 anschließt, um eine
druckdichte Dichtung zu bilden. Wenn sich die Kolbenstange 80 aufwärts bewegt, wird
der Ventilstift 30 von dem Ventilsitz 20 weg gezogen
und Gas kann durch den Einlass 12, durch die Ventilkörperaushöhlung 14 zwischen
der Wand der Aushöhlung
und dem Ventilstift, durch einen Verschluss zwischen dem Stiftdichtungsende 32 und Ventilsitz 20 und
durch einen Ausgang 40 fließen, der in Kommunikation mit
einem Polymerschaum-Verarbeitungssystem steht. Durch Steuern der
Bewegung des Kolbens 110 durch Zuführen komprimierter Luft entweder
zu Kammer 112 oder Kammer 114 ist daher die Bewegung
der Kolbenstange 80 und deshalb der Ventilstift 30 gesteuert.
Wenn das Ventil geschlossen werden soll, wird komprimierte Luft
zur Kammer 112 geleitet. Wenn das Ventil geöffnet werden
soll, wird komprimierte Luft der Kammer 114 zugeführt.
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Wenn
Hochdruckgas durch den Einlass 12 in den Ventilkörper eingespritzt
wird, ist es wichtig, dass das System abgedichtet ist, um das Austreten
von Hochdruckgas zu verhindern. Dies kann zu einem gewissen Maß durch
eine PTFE Dichtung 70 vereinfacht werden, das um den Ventilstift 30 herum
platziert ist, um eine Dichtung zwischen der inneren Wand des Ventilkörpers 10 und
dem Ventilstift 30 zu bilden. Da die PTFE Dichtung mit „Kaltverstreckung" oder „Kriechdehnung" beginnen kann, kann
die obere Dichtungsscheibe 50 angezogen und dadurch gegen
die einstellbare Dichtung 70 komprimiert werden, um die
Dichtung auszudehnen, um Leckage durch die Dichtung zu minimieren.
Wenn die Dichtung so weit geflossen ist, dass sie nicht länger zum
Abdichten in der Lage ist, kann sie ersetzt werden. PTFE ist ein
Material, das eine Dichtung zur Verfügung stellen kann und die Hin-
und Herbewegung des Ventilstifts 30 zwischen den offenen
und geschlossenen Positionen erlaubt. Die Hin- und Herbewegung kann
typischerweise eine Verfahrstrecke von 3,18 mm (0,125 Zoll) oder
mehr betragen.
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Das
in 1 dargestellte Ventil kann angemessen in einem
Hochdruck-Polymerschaum-Verarbeitungssystem arbeiten, es kann jedoch
auch nach ungefähr
20.000 Arbeitsschritten versagen, wodurch eine begrenzte Lebensdauer
definiert wird. Die Dichtung 70 benötigt nicht nur wiederholtes
Anziehen und Ersetzen, sondern ein elliptisches Loch kann in dem Ventilsitz 20 abgetragen
werden, wodurch Gas durch den Sitz durch den Ausgang 40 austreten
kann, wenn das Ventil in der geschlossenen Position ist. Wenn es mit
einem Polymerschaum-Verarbeitungssystem
verwendet wird ist dies nachteilig, weil Hochdruckgas durch das
Verarbeitungssystem passieren kann, wenn nachgeordnete Verschlüsse geöffnet sind. Häufiges Ersetzen
des Ventilsitzes kann bei dem System der 1 benötigt werden.
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Die
Erfinder haben einige Gründe
gefunden, die zu dem verfrühten
Versagen des Ventils aus dem Stand der Technik aus 1 beitragen
können.
Zum Beispiel, weil die einstellbare Dichtung 70 fließt und wiederholt
angezogen wird, beginnt die Dicke der Dichtung sich zu verringern.
An diesem Punkt kann die obere Dichtungsscheibe 50 die
innere Oberfläche des
Ventilkörpers 10 berühren und
falsch ausgerichtet werden, weil der Absatz 16 typischerweise
nicht genau senkrecht zu der Achse des Ventilstifts 30 verläuft. Das
bedeutet, dass die Bohrung der oberen Dichtungsscheibe 50 nicht
länger
richtig mit der axialen Bewegung des Ventilstifts 30 ausgerichtet
sein muss und weil der Ventilstift 30 vorsichtig in die
obere Dichtungsscheibe 50 bei sehr niedrigen Toleranzen gefügt ist,
drückt
jede Änderung
dieses Winkels den Ventilstift von der Mitte weg, so dass die konisch
zulaufende Ventilspitze 32 nicht länger axial mit dem Ventilsitz 20 ausgerichtet
ist. Weil sich die konisch zulaufende Ventilspitze 20 wiederholt
aus der Mitte bewegt, beginnt sie eine ungleiche Kante des Ventilsitzes 20 abzunutzen,
wo der Ventilstift zuerst in Kontakt mit dem Ventilsitz beim Schließen kommt.
Weil der Ventilstift 30 an die Kolbenstange 80 gesenkgedrückt ist,
bewirkt zusätzlich jede
Veränderung
des Winkels der Bewegungsrichtung der Kolbenstange 80 eine ähnliche Änderung
in der Bewegung der Ventilstange 30, was zu zusätzlichen
Kräften
führt,
die zu Fehlausrichtung zwischen Ventilstift 30 und Ventilsitz 20 führen kann.
Darum trägt
die allgemeine Steifigkeit der Ventilkomponenten, von der zuvor
angenommen wurde, dass sie ein wiederholbares, langlebiges System
zur Verfügung
stellt, dass Ausrichtung unter hohem Druck und hohen Temperaturbedingungen halten
kann, eigentlich zur Fehlausrichtung und dem daraus folgenden Versagen
des Ventils selbst bei.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Ventil zur Verfügung, von dem gezeigt worden
ist, dass es beständige
Dichtheit von Hochdruckfluid über
mehr als 20.000 Arbeitsschritte eines Spritzgusssystems zur Verfügung stellt,
ohne die Notwendigkeit, Dichtungen nachzustellen oder Ventilsitze
auszuwechseln. Bevorzugte Ventile der Erfindung können beständige Dichtung über 100.000,
500.000, 1 Million, 2 Millionen oder mehr als 2,5 Millionen Arbeitsschritten
zur Verfügung
stellen. Eine Ausführungsform
der Erfindung ist in 2 vorhanden. 2 weist
eine Darstellung einer Ausführungsform
eines Fluidsteuerungsventils 200 auf, das den Fluss von
Fluiden, enthaltend Gase und superkritische Fluide, steuern kann
und beständige
wiederholbare Arbeitsschritte bei Temperaturen von zumindest um
343°C (650°F) und größere Drücke als
41,4 MPa (6.000 psi) zur Verfügung
stellt. Das Ventil 200 enthält einen Ventilstift 230,
einen Ventilsitz 220 und ist geformt, um ein Dichtungsende 232 des
Stifts, eine Kolbenstange 280, einen Kolben 310,
der mit der Stange wirkverbunden und in einem Zylinder 311 beweglich
ist und eine Kugel 320, die angeordnet ist, um eine Kraft
von der Stange 280 zu dem Stift 230 zu übertragen,
aufzunehmen. Der Ventilstift 230, der zylindrisch sein kann,
kann aus einem temperaturbeständigen
Material, z. B. einem Metall oder einer Legierung wie z. B. Wolframkarbid,
zusammengestellt sein und weist ein Dichtungsende 232 auf,
das gestaltet ist um an dem Ventilsitz 220 anzuschließen und
ein Antriebsende 234 gegenüber dem Dichtungsende 232 aufweist. Das
Dichtungsende 232 kann jede Form haben und kann eine Fluidtyp-Dichtung
bilden, wenn es in Kontakt mit der Dichtung 220 ist und
kann konisch zulaufend, wie in 2 gezeigt,
oder beispielsweise halbkugelförmig
sein. Im Betrieb verschiebt sich das Dichtungsende 232 in
eine Ventilführung 245,
die ein Abschnitt der Kammer 214 sein kann, die enger als der
darüber
liegende Abschnitt ist.
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Die
Ventilführung 245 kann
so gestaltet sein, dass sie mit sehr kleinen Freiräumen zwischen
dem Ventilstift 230 und den Wänden der Ventilführung 245 Toleranzen
schließt.
Die Führung
kann ein innerer Teil des Ventilkörpers 210 oder alternativ
eine separate Einlage sein. Der innere Durchmesser der Ventilführung 245 ist
im Wesentlichen derselbe wie der Durchmesser des Ventilstifts 230.
Die Ventilführung 245 kann
sich bis zur vollen Länge
der inneren Oberfläche 216 erstrecken,
aber es ist bevorzugt, dass die Ventilführung so kurz wie möglich ist,
während
sie immer noch den Ventilstift 230 einschränkt, wenn
der Ventilstift 230 vollständig von dem Ventilsitz 220 abgehoben
ist. Auf diese Art wird der Widerstand gegen Fluidfluss zwischen
dem Einlass 212 und Auslass 240 minimiert, so
wie die Reibung zwischen Ventilstift 230 und Ventilführung 245 minimiert
wird. Auf diese Weise wird das Dichtungsende 232 in richtiger
Ausrichtung mit dem Ventilsitz 220 auf Grund der geschlossenen
Toleranzen zwischen der Ventilführung 245 und
dem Ventilstift 230 gehalten.
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Um
den Durchgang von Hochdruckfluid durch den Einlass 212 zur
Kammer 214 und aus dem Ausgang 240, wenn der Ventilstift
in der oberen oder geöffneten
Position ist, zu erleichtern, können
Fluidkanäle
innerhalb oder in der Nähe
der Ventilführung vorgesehen
sein. Ein oder mehrere Kanäle
können
in der inneren Wand der Ventilführung 245,
beispielsweise unter Verwendung von EDM Techniken, die dem Fachmann
bekannt sind, ausgebildet werden oder alternativ können eine
oder mehrere Formen, wie beispielsweise Ebenen oder Wölbungen
in die Oberfläche
des Ventilstifts 230 in dem Bereich des Endes 232 bearbeitet
werden. Beispielsweise kann die Ebene 238 in den Ventilstift 230 gearbeitet
werden, um einen Fluiddurchgang zwischen dem Ventilstift 230 und
der Ventilführung 245 zur
Verfügung
zu stellen. Bevorzugt zwei oder mehr Ebenen sind einander symmetrisch
gegenüberliegend.
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Dem
Ende 232 des Ventilstifts 230 gegenüberliegend
ist das Antriebsende 234, das einen verbreiterten Kontaktbereich
enthalten kann, wie in 2 dargestellt, dessen Oberfläche entweder
flach, wie in 2 dargestellt, oder alternativ
konkav oder konvex sein kann. Direkt oberhalb des Antriebsendes 234 ist
die Kugel 320 gezeigt, welche aus jedem geeigneten Material
hergestellt sein kann, einschließlich Wolframkarbid oder gehärtetem Stahl.
Die Kugel 320 dient als Punktquelle, um Kraft von der Kolbenstange 280 auf
das Antriebsende des Ventilstifts 230 zu übertragen.
Die Kolbenstange 280 kann durch jede Vorrichtung angetrieben
sein, die dazu in der Lage ist, eine Kraft zur Verfügung zu
stellen, enthaltend einen pneumatischen Kolben, wie in 2 dargestellt,
einen hydraulischen Kolben oder einen elektrisch betriebenen Antrieb.
Die Kugel 320 kann zwischen der Kolbenstange 280 und
dem Ventilstift 230 enthalten sein, ohne an einer der Komponenten
befestigt zu sein, mit denen sie in Kontakt steht. Auf diese Weise
kann sich die Kugel 320 frei aufwärts bewegen, wenn die Kolbenstange 280 angehoben
wird, bis sie von einem Anschlag, wie beispielsweise der Randleiste 292 zurückgehalten
wird. In alternativen Ausführungsformen
kann die Kugel oder eine andere Punktquelle einen einstückigen Teil
von entweder der Kolbenstange 280 oder dem Ventilstift 230 bilden, ohne
an dem anderen befestigt zu sein. Es ist jedoch bevorzugt, dass
die Kraft von der Kolbenstange 280 auf den Ventilstift 230 über eine
Punktquelle übertragen
wird und dass die Kolbenstange 280 und der Ventilstift 230 nicht
aneinander befestigt sind. Wenn die Kolbenstange 280 aus
der axialen Ausrichtung mit dem Ventilstift 230 kommen
sollte oder wenn sich eine Punktquelle an irgendeiner der Komponenten aus
der Mitte bewegen sollte, kann die Antriebskraft auf diese Weise
sauber von der Kolbenstange auf den Ventilstift 230 übertragen
werden, ohne unangemessenes Drehmoment auf den Ventilstift 230 anzuwenden,
das frühzeitige
Abnutzung in Richtung einer Seite des Ventilsitzes 220 hervorrufen
könnte.
Das Einfügen
eines Anschlags wie z. B. der Randleiste 292 stellt ein
bevorzugtes Maß an
minimalem Verfahren für
den Ventilstift 230 zur Verfügung, während sie keine präzise, beschränkte Bewegung
der Kolbenstange 280 benötigt. Der Anschlag kann angeordnet sein,
um die Bewegung des Ventilstifts direkt zu beschränken oder
kann angeordnet sein, um die Bewegung der Kugel 320 zu
beschränken,
welche wiederum die Bewegung des Ventilstifts 230 beschränkt.
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Der
Ventilstift 230 bildet in Verbindung mit der unteren Dichtungsscheibe 260,
der erregten Dichtung 270 und der Dichtungsscheibe 250 eine
fluiddichte Dichtung, um Fluss von Fluid in den Hohlraum 291 zu
verhindern, der mit der Umwelt außerhalb des Ventils fluidverbunden
sein kann. Die untere Dichtungsscheibe 260 kann von jeder
Größe und Form
sein, die geeignet ist, die Dichtung 270 in der Kammer 214 aufzunehmen.
Eine Stopfbuchse 290 wird verwendet, um die Dichtungsscheibe 250 an
ihrem Ort zu halten.
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Die
erregte Dichtung 270 kann eine nicht einstellbare Dichtung
sein, die eine fluiddichte Dichtung ohne auf das Obere oder Untere
der Dichtung ausgeübte äußere Kräfte ausbilden
kann. Die erregte Dichtung 270 kann beispielsweise eine „V"-Dichtung sein, die
eine Dichtungsoberfläche
sowohl für
das Innere als auch für
das Äußere der
Dichtung zur Verfügung stellt.
Die erregte Dichtung sollte die Hin- und Herbewegung des Ventilstifts 230 erlauben,
ohne den Durchgang von signifikanten Mengen von Hochdruckfluid zu
erlauben. Die erregte Dichtung 270, die im Querschnitt
in 3 gezeigt ist, kann eine Feder 420 enthalten,
die eine Ausdehnungskraft zur Verfügung stellt, die sowohl dazu
dient, die äußere Kante der
erregten Dichtung 270 in Kontakt mit der inneren Oberfläche 216 zu
drücken,
als auch die innere Kante der erregten Dichtung 270 in
Kontakt mit der Wand des Ventilstifts 230 drückt. Die
Feder 420 kann aus jeder elastischen Substanz hergestellt
sein, die bei Kompression eine nach Außen gerichtete Kraft zur Verfügung stellt.
Bevorzugt ist die Feder 420 eine Ringfeder, die einen Kreis
innerhalb der zylindrischen Dichtung bildet. Der sich zusammenziehende
Abschnitt 410 der erregten Dichtung, der in Kontakt mit entweder
der Oberfläche
des Ventilstifts 230 oder der inneren Wand des Ventilkörpers 210 ist,
kann aus jedem Material hergestellt sein, das dazu in der Lage ist,
eine fluiddichte Dichtung unter hohen Temperaturen und Hochdruckbedingungen
zu bilden, die in dem Verfahren, in dem die Dichtung verwendet wird,
anzutreffen sind. Bevorzugt beinhaltet die erregte Dichtung 270 ein
wärmebeständiges Elastomer
und besteht besonders bevorzugt aus Polymer/PTFE. In einer Ausführungsform
hat eine Dichtung der Firma Parker GNP, das als Typ HS-11-008-S-106
bezeichnet wird, akzeptable Ergebnisse nach 2,7 Millionen Arbeitsschritten
aufgewiesen.
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Die
Dichtungsscheibe 250 kann eine angeflanschte Dichtungsscheibe
sein, wie in 2 gezeigt, und kann dazu dienen,
die erregte Dichtung 270 aufzunehmen sowie den Ventilstift 230 zu
zentrieren und auszurichten. Die innere Bohrung der Dichtungsscheibe 250 durch
die der Ventilstift 230 verläuft ist von unterschiedlichem
Durchmesser am oberen Ende gegenüber
dem unteren Ende. Zum Beispiel kann das untere Ende der Dichtungsscheibe 250 einen
inneren Durchmesser aufweisen, der sehr dicht an dem Durchmesser
des Ventilstifts liegt und das obere Ende der Dichtungsscheibe 250 kann
einen inneren Durchmesser von einigen tausendstel Zoll breiter aufweisen.
Diese Zusammenstellung erlaubt es der Dichtungsscheibe immer noch,
beim Zentrieren des Ventilstifts 230 zu helfen. Die Variation im
Durchmesser stellt jedoch genug Bewegungsfreiheit zur Verfügung, dass
jede Fehlausrichtung zwischen der Dichtungsscheibe 250 und
dem Ventilstift 230 nicht zu einer Kraft wird, die den
Ventilstift 230 aus der Ausrichtung mit dem Ventilsitz 220 drückt. Diese
Gestaltung hilft es, das Problem zu lösen, dem das Ventil aus 1 begegnet,
wo jede Fehlausrichtung der oberen Dichtungsscheibe 50 dazu
neigte, den Ventilstift offline zu drücken und ein elliptisches Loch
in dem Ventilsitz 20 abzunutzen. In einer am meisten bevorzugten
Ausführungsform
ist der innere Durchmesser der Dichtungsscheibe 250 mit
etwa 1,2° zulaufend
(in 2, 4 und 5 übertrieben)
und der innere Durchmesser ist an der Unterseite der Dichtungsscheibe
kleiner und an der Oberseite größer, obwohl
ein umgekehrtes Zulaufen ähnlich funktionieren
könnte.
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Das
Ventil 200 kann auch eine Kompressionsfeder 236 enthalten,
die eine aufwärts
gerichtete Kraft zur Verfügung
stellt, um den Ventilstift 230 von dem Ventilsitz 220 zu
entfernen, wenn die Kolbenstange 280 zurückgezogen
ist, besonders wenn Stange 280 und Stift 230 nicht
aneinander befestigt sind, d. h. nicht wirkverbunden um ein Zurückziehen des
Stifts 230 zu bewirken wenn die Stange 280 zurückgezogen
wird. Die Kompressionsfeder kann von jedem Federtyp sein, der dazu
in der Lage ist, eine Kraft zum Öffnen
des Ventils zur Verfügung
zu stellen, und kann beispielsweise aus Metall, Polymer oder elastischem
Elastomer hergestellt sein, was robust genug ist, um der Umwelthärte des
Einsatzes, in dem es verwendet wird, standzuhalten. Bevorzugt ist die
Hin- und Herbewegung des Ventilstifts 230 auf weniger als
etwa 2,54 mm (0,1 Zoll) begrenzt und liegt bevorzugter in dem Bereich
von 0,25 bis 2,5 mm (0,01 bis 0,1 Zoll). In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform
bewegt sich der Ventilstift 230 näherungsweise 1,25 mm (0,050
Zoll) zwischen den offenen und geschlossenen Positionen, wobei die
Verfahrlänge
durch die Randleiste 292 gesteuert wird.
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In
einer anderen Ausführungsform,
die in 4 dargestellt ist, können zusätzliche Dichtungen verwendet
werden, um das Hochdruckfluid, das durch den Einlass 212 einströmt, weiter
von dem Hohlraum 291 und von der Umwelt außerhalb
des Ventils zu isolieren. Zusätzlich
zur unteren Dichtungsscheibe 260 und der erregten Dichtung 270 können zusätzliche
Dichtungen entweder stromaufwärts
oder stromabwärts
von der ersten Dichtung hinzugefügt
werden, um ein robusteres Ventil herzustellen. Die Dichtungen können Rücken an
Rücken angeordnet
sein oder alternativ, wie in 4 dargestellt
ist, kann ein Abstandshalter wie beispielsweise eine Zwischendichtungsscheibe 360 zwischen
der ersten Dichtung 270 und der zweiten Dichtung 370 positioniert
werden. Die zweite Dichtung 370 kann identisch mit der
ersten Dichtung 270 sein oder kann von einer unterschiedlichen
Gestaltung und einem unterschiedlichen Material sein. Angemessene
Materialien können
Polytetrafluoroethylen (PTFE) und synthetisches Gummi wie z. B.
das unter dem Markennamen VITON® (DuPont
Dow Elastomers, L. L. C.) verkaufte enthalten.
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5 stellt
eine andere Ausführungsform dar,
in der eine Sekundärdichtung
verwendet wird, um das Hochdruckfluid weiter von der Umwelt zu isolieren.
Zusätzlich
zu der unteren Dichtungsscheibe 260 und der ersten Dichtung 270 kann
eine Sekundärdichtung,
O-Ring 240, zwischen der Primärdichtung 270 und
der oberen Dichtungsscheibe 350 platziert sein. Der O-Ring kann direkt
hinter der Primärdichtung 270 platziert
sein oder eine Zwischendichtungsscheibe oder anderer Abstandshalter
kann zwischen den beiden Dichtungen platziert werden. Der O-Ring
kann aus jedem Material zusammengestellt sein, das dazu geeignet
ist, dem Druck, der Temperatur und den Abnutzungsbedingungen, die
von der Dichtung erfahren werden, standzuhalten. Der O-Ring 340 kann
beispielsweise aus PTFE oder synthetischem Gummi wie z. B. das unter
dem Markennamen CITON® (DuPont Dow Elastomers,
L. L. C.) verkaufte zusammengestellt sein. Natürlich können Tertiär- und zusätzliche Dichtungen auch eingesetzt werden,
wenn festgestellt wurde, dass sie in einer bestimmten Maschine oder
Verfahren nützlich
sind.
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Wieder
Bezug nehmend auf 2 kann eine Kammer 312,
die innerhalb des Zylinders 311 oberhalb der Kolben definiert
ist, mit einer Hochdruckluftquelle verbunden sein, beispielsweise
Luft bei 414 kPa (60 psi), um eine angemessene Kraft auf die Kolbenstange 280 auszuüben, um
das Ventil 200 zu schließen. Die Kompressionsfeder 316 kann
eine zusätzliche
Kraft zur Verfügung
stellen, um beim Schließen
des Ventils zu helfen, da Hochdruckgas, das durch den Einlass 212 einströmt, in einigen
Anordnungen dazu neigen kann, den Ventilstift 230 aufwärts zu drücken. Um
das Ventil zu öffnen,
kann ein ähnliches
Maß an
Luftdruck in die Kammer 312 überführt werden und die von der
komprimierten Luft ausgeübte,
aufwärts
gerichtete Kraft in Kombination mit der durch das Hochdruckfluid,
das in das System am Einlass 212 einströmt, ausgeübten Kraft ist groß genug
um die Kraft, die von der Feder 316 zur Verfügung gestellt
wird, zu überwinden
und ist daher dazu in der Lage, das Ventil schnell zu öffnen.
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Das
Ventil kann bei hohen Drücken
und Temperaturen betrieben werden und Konstruktionsmaterialien sollten
angemessen gewählt
werden. Eine Temperaturdifferenz von 149, 260 oder mehr als 316°C (300, 500
oder mehr als 600°F)
zwischen verschiedenen Teilen des Ventils können in manchen Einsätzen, inklusive
Polymerverarbeitungseinsätzen, erfahren
werden. Zum Beispiel kann das Ventil in der Nähe eines Einspritzkörpers Temperaturen
erreichen, die 316°C
(600°F) überschreiten,
aber in der Nähe
des Luftaktors beachtlich kälter
sein, beispielsweise 60°C
(140°F).
Teile, die den Bedingungen in der Nähe des Einspritzkörpers ausgesetzt
sind, sollten aus geeignet hitzebeständigem Material gefertigt sein.
Dieser Hochtemperaturbetrieb kann die Verwendung von Polymerventilsitzen
und Komponenten ausschließen
und Metalle oder Keramiken können bevorzugt
sein. Zusätzlich
kann das Fluid als Lösung wirken
und das Polymer über
einen Zeitraum verziehen, wenn das Ventil zur Steuerung des Flusses
von Superkritischen Fluiden (SCF) verwendet wird. Polymere können auch
anfällig
für bestimmte
Kontamination, Schwellen oder Verziehen auf Grund von Hitze sein.
Metalle sind viel weniger anfällig
für diese
Probleme. Zusätzlich
ist es bevorzugt, dass Ventilstift, -sitz und Ventilführung aus
Metall sind, weil der Sitz in bevorzugten Ausführungsformen dazu in der Lage sein
soll, Millionen von Aufpralldurchgängen bei hoher Temperatur zu überstehen
und der Ventilstift bevorzugt dazu in der Lage ist, sich durchgehend
ohne Abnutzung hin- und herzubewegen. Die Wahl von langlebigen,
wärmebeständigen Materialien
für die Führung, den
Ventilstift und -sitz erlauben es diesen Komponenten, sich in enger
Nähe zu
dem Polymerschmelzstrom zu befinden. Daher kann ein Ventil mit einem
Sitz, einer Führung
und einem Ventilstift aus einem temperaturbeständigen Metall in einem Hochtemperatureinsatz
bevorzugt werden. Die Antriebskomponenten wie beispielsweise der
Kolben und die Kolbenstange können
weiter von der Wärmequelle entfernt
angeordnet sein und müssen
daher nicht denselben extremen Bedingungen ausgesetzt sein.
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Der
Ventilsitz 220 und Ventilstift 230 können aus
denselben oder unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, aber
um Abnutzung zu vermeiden ist es bevorzugt, dass der Ventilstift 230 aus
einem härteren
Material besteht als der Ventilsitz 220. Es ist bevorzugt,
dass der Ventilsitz 220 aus einem harten Material hergestellt
ist, aber so, dass Metallpartikel nicht während des Betriebs in den Sitz
eingebracht werden. Es ist bevorzugt, dass der Ventilsitz und Ventilstift
aus belastbaren, wärmebeständigen Materialien
hergestellt sind, wie beispielsweise gehärtetem Stahl, Legierungen,
Keramiken oder möglicherweise
in einigen Einsätzen
Hochtemperaturpolymeren. Z. B. kann der Ventilsitz 220 aus
H1150 17-4PH gehärtetem
Stahl mit einer Rockwell C Härte
von etwa 33–36
hergestellt sein, während
der Ventilstift 230 aus Wolframkarbid mit einer Rockwell
C Härte von
etwa 66 oder mehr hergestellt sein kann.
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Das
Ventil der vorliegenden Erfindung kann mit einem Polymerschaum Verarbeitungsapparat
wie beispielsweise einer Blasform-, Spritzguss- oder Extrudierform-Maschine
verwendet werden. In einer Ausführungsform,
die in 6 dargestellt ist, wird das Ventil 200 in
Verbindung mit dem Spritzgusssystem 500 verwendet. Das
Spritzgusssystem enthält
einen Zylinder 532 und eine in dem Zylinder enthaltene Schraube 538 zum
Bewegen und Mischen von Polymerschmelze. Ebenfalls vorhanden sind
ein Antriebsmotor 540 zum Antreiben der Schraube und eine
Heizeinheit 542 zum Halten des Zylinders auf einer erhöhten Temperatur.
Polymermaterial ist in einem Trichter 544 vorhanden und
wird in den Extruder 514 durch eine Mündung 546 zugeführt. Eine
Quelle 590 eines Treibmittels, das ein superkritisches
Fluid (SCF) sein kann, ist an dem Extruder vorhanden und der Fluidfluss
wird durch das Ventil 200 reguliert, welches dazu dient,
wahlweise Treibmittel von der Quelle 590 zum Treibmittelanschluss 516 zu
transportieren, der mit einem Polymerverarbeitungsraum 534 kommuniziert.
SCF kann in dem Treibmittel-Empfangsbereich 562 aufgenommen
werden und wird mit dem Polymer in einem Mischungsbereich 560 gemischt.
Die Mischung von Polymer und Treibmittel passiert dann durch einen
Keim bildenden Durchgang 567 und durch einen Auslass 570 in
eine Gießform 580.
Das Ventil 200 kann mit der Aktion von Verschluss 564 und
Schraube 538 synchronisiert sein, so dass die Zufuhr von
Treibmittel von dem Extruder 514 isoliert ist, wenn der
Verschluss 564 offen ist. Das Ventil 200 kann
geöffnet
werden, wenn es gewünscht
ist, Treibmittel zu der Polymermischung hinzuzufügen. Bevorzugt ist das Ventil 200 in
der Nähe des
Polymerverarbeitungsraums 534, so dass im Wesentlichen
sämtliches
Hochdruckfluid in Kommunikation mit dem Polymer schon den Mischungsbereich 560 des
Extruders erreicht hat, wenn das Ventil geschlossen ist.
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In
einer solchen Konfiguration kann das Ventil 200 geöffnet werden
(siehe 2), um es Fluid, wie z. B. SCF, zu gestatten,
durch den Einlass 212 in die Aushöhlung 214 und durch
den Auslass 240 zu passieren, um es dem Fluid zu ermöglichen
sich mit dem Polymer zu mischen. Wenn das Polymer in eine Form einzuspritzen
ist, wird eine Kraft, beispielsweise Hochdruckluft, dem Hohlraum 312 zugeführt, die eine
abwärts
gerichtete Kraft auf den Kolben 310 und die Kolbenstange 280 ausübt. Die
abwärts
gerichtete Kraft wird auf die Kugel 320 übertragen,
welche dann eine Punktquelle zum Antriebsende 234 und Ventilstift 230 zur
Verfügung
stellt. Der Ventilstift 230 wird wiederum abwärts getrieben
bis das Dichtungsende 232 mit dem Sitz 220 in
Kontakt steht, um eine fluiddichte Dichtung zur Verfügung zu
stellen. Wenn die fluiddichte Dichtung hergestellt ist und die Zufuhr
von Hochdruckfluid von dem Ausgang 240 abgeschnitten ist,
kann Polymer in dem Kunststoffherstellungssystem in einen Gießformhohlraum
eingespritzt werden ohne ein Hinzufügen oder Beeinträchtigung
von dem Fluid.
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Wenn
der Formarbeitsschritt vollständig
ist und gewünscht
ist, dass zusätzliches
Gas mit neuem Polymermaterial gemischt wird, wird ein Signal an den
Aktor gesendet und Hochdruckluft, z. B. bei 414 kPa (60 psi), wird
der Kammer 314 innerhalb des Zylinders 311 unterhalb
des Kolbens, welche durch den Kolben von der Kammer 312 isoliert
ist, zur Verfügung
gestellt. Die Hochdruckluft in der Kammer 314 stellt eine
aufwärts
gerichtete Kraft auf den Kolben 310 zur Verfügung, welche
wiederum die angebrachte Kolbenstange 280 aufwärts zurückzieht.
Mit der zurückgezogenen
Kolbenstange 280 kann die Feder 236 eine angemessene
Kraft, optional in Kombination mit derjenigen, die von einem Hochdruckfluid
in Kommunikation mit dem Ventil ausgeübt wird, zur Verfügung stellen,
um den Ventilstift 230 und die Kugel 320 aufwärts zu bewegen,
bis die Kugel 320 durch die Randleiste 292 in
der Stopfbuchse 290 gehalten wird. Das Verfahrmaß des Stifts 230 wird
so gesteuert, dass es weniger ist als das, welches benötigt würde, damit
der Stift vollständig
aus der Ventilstiftführung 245 entfernt
ist. Auf diese Weise bleibt der Ventilstift 230 in einer
richtigen Mittenausrichtung zum anschließen an den Ventilsitz 220 während des nächsten Einspritzarbeitsschritts.
Wenn eine angemessene Zufuhr von Hochdruckfluid durch den Ausgang 240 passiert
ist, kann die Luftquelle von der Kammer 314 zurück zur Kammer 312 übertragen werden,
um den Schließprozess
wieder in Gang zu setzen.
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Ein
Merkmal der Erfindung ist, dass das Ventil einen Kolben enthält, der
sich hin- und herbewegt, um einen Ventilstift in und aus einem Ventilsitz
anzutreiben, wobei der Kolben von dem Ventilstift abgekoppelt ist.
Das heißt,
der Kolben ist nicht auf eine Weise mit dem Ventilstift wirkverbunden,
so dass Komponenten, die den Kolben mit dem Ventilstift verbinden,
die Ausrichtung des Ventilstifts beeinflussen. Genau treibt der
Kolben eine Kolbenstange an, welche wiederum den Ventilstift antreibt
(optional über ein
Hilfsobjekt, z. B. eine Kugel zwischen der Stange und dem Stift),
während
die Achsen der Stange und des Stifts frei sind, sich relativ zu
einander zu bewegen. Ein Vorteil hiervon ist, dass der Kolben und
die Stange nicht die Ausrichtung des Ventilstifts in Bezug auf den
Ventilsitz beeinflussen. Dieses Merkmal, in Kombination mit einer
innen spitz zulaufenden Dichtungsscheibe, erlaubt maximale axiale
Bewegungsfreiheit des Ventilstifts. Der Ventilstift kann dann einzig
durch die Ventilstiftführung
geführt
werden, welche nicht in Fehlausrichtung in Bezug auf den Ventilsitz
kommen wird, und es ist daher gesichert, dass der Ventilstift in
Ausrichtung mit dem Ventilsitz bleibt.