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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Ventil zur Regelung oder Steuerung
eines Fluidstroms gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs
des ersten Patentanspruchs.
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Derartige
Ventile werden bevorzugt in Hydraulik- oder Pneumatiksystemen eingesetzt,
um beispielsweise Aktuatoren oder Motoren zu regeln. Sie können
prinzipiell jedoch zur Steuerung oder Regelung jeglicher flüssiger
oder gasförmiger Fluidströme, gegebenenfalls auch
Fluidströme mit festen Bestandteilen verwendet werden.
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Die
DE 7913165 U1 offenbart
in
3e und der Beschreibung hierzu
ein Ventil für strömende Medien mit einem in einer
Ventilkammer angeordneten Aktuator, welcher ein ebenfalls in der
Ventilkammer angeordnetes Absperrelement bewegen kann, sowie mit
zwei ersten Ventilkanäle, welche von einer Seitenfläche
in die Ventilkammer münden und mit einem zweiten Ventilkanal,
welcher von einer Frontfläche in die Ventilkammer mündet,
wobei die Seitenfläche parallel zur Bewegungsrichtung des
Absperrelements liegt und die Frontfläche senkrecht zur
Bewegungsrichtung des Absperrelements. Das Absperrelement bewegt
sich bei einer Stellbewegung des Aktuators in eine Sperrstellung
und sperrt hierbei den zweiten Ventilkanal von der Ventilkammer
und dem ersten Ventilkanal ab, wobei der Aktuator die Stellbewegung auf
Grundlage des Piezoeffekts erzeugt.
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Nachteilig
ist hierbei der geringe Stellweg des verwendeten Piezoaktuators,
wodurch das Ventil nur in einem sehr geringen Maße geöffnet
oder geschossen werden kann. Das bedeutet in der Öffnungsstellung
ist die von dem Ventil zur Durchströmung geöffnete
Fläche sehr klein und erzeugt dementsprechend einen hohen
Strömungswiderstand.
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Um
das Ventil in einem größeren Maße öffnen
zu können und somit einen geringeren Strömungswiderstand
zu bewirken, sieht sie
DE 19654782
C1 vor, den Stellweg des Aktuators zu vergrößern,
indem mehrere piezoelektrische Einzelaktuatoren teleskopartig zu
einem Gesamtaktuator hintereinander gekoppelt werden. Der von dem
Gesamtaktuator erzeugte Stellweg ist somit bei einer annähernd
gleichen Baulänge gegenüber einem einfachen Aktuator
deutlich vergrößert. Des weiteren sind aus der
DE 19939476 C2 mechanische
oder aus der
EP 0477400
B1 hydraulische Übersetzer bekannt, um den Stellweg
eines Aktuators zu vergrößern. Die hier vorgeschlagenen
Lösungen ziehen jedoch immer einen erhöhten Bauteilaufwand
nach sich.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher ein Ventil mit einem in der Öffnungsstellung
geringeren Strömungswiderstand zu schaffen. Diese Aufgabe
wird gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Hiernach
umfasst ein Ventil zur Steuerung eines Fluidstroms einen Aktuator,
ein von dem Aktuator in einer Ventilkammer linear bewegbares Absperrelement,
sowie mindestens je einen in die Ventilkammer mündenden
ersten und zweiten Ventilkanal und mindestens einen in der Ventilkammer
angeordneten Dichtsitz. Das Absperrelement ist dabei derart geformt,
dass es in einer Sperrstellung an dem Dichtsitz anliegt und den
ersten Ventilkanal gegen den zweiten Ventilkanal absperrt. Erfindungsgemäß ist
hierbei die Mündung des ersten Ventilkanals nutförmig
und erstreckt sich zumindest um einen Teil des Umfangs der Ventilkammer,
wobei der Dichtsitz im Bereich der Mündung des ersten Ventilkanals
angeordnet ist.
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Bei
einer Öffnung des Ventils wird durch die Erstreckung der
Mündung des ersten Ventilkanals um zumindest einen Teil
des Umfangs der Ventilkammer die hier von dem Fluid durchströmte
Fläche deutlich vergrößert, wodurch das
geöffnete Ventil einen verringerten Strömungswiderstand
aufweist. Eine Übersetzung der Stellbewegung des Aktuators
ist zwar nicht notwendig, es kann aber zur weiteren Vergrößerung
der durchströmten Fläche ein zusätzliches Übersetzungsglied
zwischen dem Aktuator und dem Absperrelement vorgesehen sein.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Ventilkammer
mindestens eine Seitenfläche aufweist, welche parallel
zu der Bewegungsrichtung des Absperrelements liegt, sowie mindestens
eine Frontfläche, welche nicht parallel zu der Bewegungsrichtung
des Absperrelements liegt, wobei die Mündung des ersten
Ventilkanals in der Seitenfläche angeordnet ist. Besonders
bevorzugt ist dabei das Absperrelement derart geformt, dass es in der
Sperrstellung den ersten Ventilkanal sowohl gegen den zweiten Ventilkanal
als auch gegen die Ventilkammer absperrt und dass es den zweiten
Ventilkanal nicht gegen die Ventilkammer absperrt. Das Absperrelement
weist hierbei ebenfalls mindestens eine Seitenfläche auf,
welche an der Seitenfläche der Ventilkammer gleitend anliegen,
wodurch es bei einer Bewegung bevorzugt durch die Seitenfläche
der Ventilkammer geführt wird. Das Absperrelement kann
somit bei einer Bewegung in die Sperrstellung den zwischen dem ersten
Ventilkanal und der Ventilkammer strömenden Fluidstrom „abscheeren”,
wodurch der in dem ersten Ventilkanal vorliegende Fluiddruck in
der Sperrstellung des Absperrelements lediglich gegen dessen Seitenfläche
wirkt, welche einfach abstützbar ist und wodurch die zur
Aufrechterhaltung der Sperrwirkung notwendige Kraft gering ist.
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In
einer Weiterbildung hiervon ist die Mündung des ersten
Ventilkanals im Bereich eines Übergangs von der Seitenfläche
der Ventilkammer auf die Frontfläche angeordnet und die
Mündung des zweiten Ventilkanals in der Frontfläche
angeordnet. Die Mündung des ersten Ventilkanals kann sich
somit in unmittelbarer Nähe des Übergangs, beispielsweise einer
Hohlkehle, befinden oder sie kann sich direkt in dem Übergang
befinden, beziehungsweise selbst den Übergang bilden. Bevorzugt
ist hierbei der Dichtsitz ebenfalls in unmittelbarer Nähe
zu dem Übergang oder ebenfalls in dem Übergang
selbst angeordnet.
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In
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
erstreckt sich die Mündung des ersten Ventilkanals auf
den gesamten Umfang der Ventilkammer, wobei ein weiterer Dichtsitz zwischen
dem Absperrelement und der Seitenfläche der Ventilkammer
angeordnet ist. In der Sperrstellung des Absperrelements dichtet
hierbei der Dichtsitz bevorzugt einen zwischen der Frontfläche
der Ventilkammer und einer Stirnseite des Absperrelements befindlichen
ersten Spalt ab und der weitere Dichtsitz dichtet einen zwischen
der Seitenfläche der Ventilkammer und der Seitenfläche
des Absperrelements befindlichen zweiten Spalt ab. Dabei liegt das Absperrelement
an dem Dichtsitz nur in der Sperrstellung an, wohingegen es an dem
weiteren Dichtsitz vorzugsweise ständig anliegt, um dessen
Querbeanspruchung durch ein sich wiederholendes Anlegen des Dichtsitzes
an das Absperrelement bei jeder Bewegung von der Öffnungsstellung
in die Sperrstellung zu verringern.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung weiten sich die Durchmesser des
ersten und/oder des zweiten Ventilkanals im Bereich ihrer Mündungen
in Richtung der Ventilkammer auf, um die Fließgeschwindigkeit
des Fluids vor dessen Eintritt in die Ventilkammer zu reduzieren
und um somit der Entstehung von Turbulenzen in dem Ventil entgegenzuwirken.
Turbulenzen wandeln einen Teil der Bewegungsenergie des Fluids in
Wärme um und bewirken dabei einen Wirkungsgradverlust und
einen Strömungswiderstand in dem Ventil. Da sie unter anderem
durch scharfe Kanten oder starke Durchmessersprünge, beispielsweise bei
einem abrupten Übergang von dem Ventilkanal in die Ventilkammer
erzeugt werden, kann ihre Entstehung durch eine langsame Aufweitung
der Ventilkanäle in Richtung der Ventilkammer zumindest
teilweise verhindert werden.
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Zur
einfachen und kompakten Ausführung des Ventils können
das Absperrelement und der Aktuator gemeinsam in der Ventilkammer
angeordnet sein, wobei der Aktuator bevorzugt mit einer Seite an der
Ventilkammer anliegt und mit einer gegenüberliegenden Seite
direkt an dem Absperrelement. Eine vorteilhafte, da einfach herzustellende
Form für den Aktuator, die Ventilkammer und/oder das Absperrelement
ist eine Zylinder- oder Hohlzylinderform, wobei der Außendurchmesser
oder der Umfang des Absperrelements bevorzugt größer
ist, als der Außendurchmesser oder der Umfang des Aktuators,
um die von dem Fluid bei einer Öffnung des Ventils durchströmte
Fläche zu vergrößern und um die Baugröße im
Bereich des Aktuators zu verkleinern. Zur Erzeugung einer Rückstellbewegung
des Absperrelements kann sowohl eine Rückstellbewegung
des Aktuators genutzt werden, wozu dieser allerdings fest mit der Ventilkammer
und dem Absperrelement verbunden sein muss, oder es kann eine Rückstellbewegung
eines elastischen Rückstellelements, beispielsweise einer
Spiralfeder, einer Tellerfeder oder eines Gummielements, genutzt
werden, welches durch die Stellbewegung des Aktuators vorgespannt
wird. Vorteilhaft ist das elastische Element hierzu zwischen einer Wandung
der Ventilkammer, beispielsweise der Frontfläche, und dem
Aktuator oder zwischen der Wandung der Ventilkammer und dem Absperrelement
angeordnet.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Zeichnungen
näher erläutert, aus welchen weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen entnommen werden können. Es zeigen jeweils
in schematischer Darstellung,
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1 ein
Ventil bei welchem das Absperrelement und der Aktuator gemeinsam
in der Ventilkammer angeordnet sind, wobei das Absperrelement und
der Aktuator hohlzylinderförmig sind und sich die Mündung
des ersten Ventilkanals nicht um den gesamten Umfang der Ventilkammer
erstreckt;
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2 ein
Ventil bei welchem das Absperrelement und der Aktuator gemeinsam
in der Ventilkammer angeordnet sind, wobei der Aktuator zylinderförmig
ist und das Absperrelement Verbindungsöffnungen aufweist
und wobei sich die Mündung des ersten Ventilkanals um den
gesamten Umfang der Ventilkammer erstreckt.
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In 1 ist
ein Ventil in einer Öffnungsstellung mit einem hohlzylinderförmigen
Aktuator 1 und einem ebenso hohlzylinderförmigen
Absperrelement 2 dargestellt, welche in einer gemeinsamen
Ventilkammer 3 eines Ventilgehäuses 16 angeordnet
sind. Der Aktuator 1 liegt dabei mit einer Seite an einer Wandung
der Ventilkammer 3 an und ist mit dieser verbunden und
liegt mit einer gegenüberliegenden anderen Seite an dem
Absperrelement 2 an und ist mit diesem verbunden, wobei
hier die Wandung der Ventilkammer 3 dessen Frontfläche 4 ist,
in welcher die Mündung 5 des zweiten Ventilkanals 6 angeordnet
ist. Die Mündung 5 führt somit direkt
in den Hohlraum des Aktuators 1. Dagegen erstreckt sich
die Mündung 7 des ersten Ventilkanal 8 auf
der Seitenfläche 9 der Ventilkammer 3 nutförmig
auf etwa deren halben Umfang, und der aus einer Nut und einem darin
befindlichen Dichtgummi bestehende Dichtsitz 10 ist im
Bereich der Mündung 7 ebenfalls auf der Seitenfläche 9 angeordnet.
Selbstverständlich kann der Dichtsitz 10 beliebig
anders realisiert werden, beispielsweise aus einer an der Ventilkammer 3 befindlichen
Dichtfläche, an welcher in einer Sperrstellung des Absperrelements 2 eine
weitere Dichtfläche des Absperrelements 2 anliegt.
Die Durchmesser beider Ventilkanäle 6, 8 weiten
sich strömungsgünstig in Richtung der Mündungen 5, 7 auf,
wodurch Turbulenzen in der Ventilkammer 3 reduziert werden.
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Das
Absperrelement 2 liegt in der gezeigten Ausführung
der Erfindung mit einer Seitenfläche 11 gleitend
an der Seitenfläche 9 der Ventilkammer 3 an, wodurch
es in der Ventilkammer 3 parallel zu den Seitenflächen 9, 11 bewegbar
ist. Die Seitenflächen 9, 11 entsprechen
hierbei den Mantelflächen der Zylinderformen. Bei der Bewegung
des Absperrelements 2 in die Sperrstellung schiebt sich
dieses über den Dichtsitz 10 und die Mündung 7 des
ersten Ventilkanals 8 und verringert somit die von dem
Fluid durchströmte Fläche bis die Mündung 7 vollständig geschlossen
ist. Dabei sperrt das Absperrelement 2 mittels des Dichtsitzes 10 den
ersten Ventilkanal 8 sowohl von dem zweiten Ventilkanal 6 als
auch von der Ventilkammer 3 ab.
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Vorzugsweise
ist der ersten Ventilkanal 8 mit einem Ablauf niedrigeren
Drucks verbunden und der zweiten Ventilkanal 6 mit einem
Zulauf höheren Druckes verbunden, wodurch der in dem zweiten
Ventilkanal 6 anliegende Druck in der Sperrstellung gegen das
Absperrelement 2 wirkt und dieses dabei gegen den Dichtsitz 10 drückt,
was dessen Dichtwirkung erhöht. Da hierbei die Fläche
der Stirnseite 12 des Absperrelements 2 klein
sein kann, erzeugt der in der Ventilkammer 3 anliegende
Druck nur eine geringe, der Stellbewegung oder Sperrstellung entgegen
gerichtete Kraft.
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2 zeigt
eine weitere Ausgestaltung des Ventils in der Sperrstellung, wobei
der Aktuator 1 zylinderförmig ist und das Absperrelement 2 topfförmig ist
und diese ebenfalls gemeinsam in der Ventilkammer 3 angeordnet
sind. Die Mündung 7 des ersten Ventilkanals 8 erstreckt
sich hierbei um den vollen Umfang der Ventilkammer 3 und
bildet den Übergang von der Seitenfläche 9 der
Ventilkammer 3 auf die Frontfläche 4,
wobei in der Frontfläche 4 die Mündung 5 des
zweiten Ventilkanals 6 angeordnet ist. Im Bereich der Mündung 7 des
ersten Ventilkanals 8 befindet sich zwischen der Stirnseite 12 des
Absperrelements 2 und der Frontfläche 4 der
Ventilkammer 3 der erster Dichtsitz 10 und zwischen
der Seitenfläche 11 des Absperrelements 2 und
der Seitenfläche 9 der Ventilkammer 3 befindet
sich ein weiterer Dichtsitz 13, welche den ersten Ventilkanal 8 gegen
die Ventilkammer 3 und den zweiten Ventilkanal 6 absperren. Die
Dichtsitze 10, 13 können hierbei beliebig
anders ausgeführt sein, wobei der weitere Dichtsitz 13 auch derart
geformt sein kann, dass sich das Absperrelement 2 erst
in der Sperrstellung an diesen anlegt und nicht wie abgebildet,
ständig an ihm anliegt. Zur Bewegung des Absperrelements 2 in
die gezeigte Sperrstellung, führt der Aktuator 1 eine
Stellbewegung aus, wobei die Seitenfläche 9 der
Ventilkammer 3 als Führung für die Seitenfläche 11 des
Absperrelements 2 dient.
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Das
dargestellte Ventil weist zur Erzeugung einer Rückstellbewegung
des Absperrelements 2 zwischen der Frontfläche 4 der
Ventilkammer 3 und dem Absperrelement 2 ein elastisches
Rückstellelement 14 in Form einer Schrauben-Druckfeder
auf, welches bei einer Stellbewegung des Aktuators 1 vorgespannt
wird und bei der Rückstellbewegung des Aktuators 1 die
Rückstellbewegung des Absperrelements 2 bewirkt.
Zudem weist das Absperrelement 2 zwei Verbindungsöffnungen 15 auf, über welche
der in dem zweiten Ventilkanal 6 anliegende Fluiddruck
von einer Seite des Absperrelements 2, die hier dem zweiten
Ventilkanal 6 zugewandt ist, auf eine zweite Seite des
Absperrelements 2, die hier dem Aktuator 1 zugewandt
ist, übertragbar ist. Der auf die erste Seite des Absperrelements 2 wirkende Fluiddruck
wird somit zumindest zum Teil durch den auf die zweite Seite des
Absperrelements 2 wirkenden Fluiddruck ausgeglichen, was
die zur Bewegung des Absperrelements 2 in die Sperrstellung
und die zur Aufrechterhaltung der Sperrstellung notwendige Aktuatorkraft
reduziert. Die Verbindungsöffnung 15 kann dabei
auch in dem Ventilgehäuse 16 angeordnet sein und
beispielsweise den Teil der Ventilkammer 3, in dem sich
hier das elastische Rückstellelement 14 befindet,
mit dem Teil der Ventilkammer 3, in dem sich hier der Aktuator 1 befindet,
verbinden. Die Verbindungsöffnung 15 kann auch
eine elastische Membran oder einen frei beweglichen Kolben beinhalten,
welcher zwar den Fluiddruck überträgt, nicht jedoch
das Fluid an sich, um die durch die beiden Seiten des Absperrelements 2 gegeneinander
abgetrennten Teile der Ventilkammer 3 mit unterschiedlichen
Fluiden befüllbar zu gestalten.
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Selbstverständlich
kann der Aktuator 1 auch mit dem Absperrelement 2 verbunden
sein und das Rückstellelement 14 zwischen der
Frontfläche 4 und dem Aktuator 1 angeordnet
sein.
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Generell
kann sich in 1 und 2 die Frontfläche 4 mit
der Mündung 5 des zweiten Ventilkanals 6 auch
auf der gegenüberliegenden Wandung der Ventilkammer 3 befinden
oder die Mündung 5 kann sich in einem nicht von dem
Absperrelement 2 oder dem Aktuator 1 überdeckten
Bereich der Seitenfläche 9 der Ventilkammer 3 befinden.
Bei einer Anordnung der Mündung 5 des zweiten
Ventilkanals 6 in der Seitenfläche 9 der
Ventilkammer 3 kann sich die Mündung 5,
analog zur Mündung 7 des ersten Ventilkanals 8,
ebenfalls auf den gesamten Umfang oder einen Teil des Umfangs der
Ventilkammer 3 erstrecken.
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In 1 und 2 dient
die Seitenfläche 9 der Ventilkammer 3 als
Führung für das Absperrelement 2. Selbstverständlich
können in der Ventilkammer 3 jedoch auch andere
Führungsmittel, beispielsweise Führungsstangen
angeordnet sein, entlang derer das Absperrelement 2 bei
einer Bewegung geführt wird, wodurch beispielsweise die
Seitenfläche 11 des Absperrelements 2 weitestgehend
unabhängig von der Seitenfläche 9 der
Ventilkammer 3 gestaltet sein kann. Der Aktuator 1 kann
auch in einer weiteren Ventilkammer angeordnet sein, die von der Ventilkammer 3 des
Absperrelements 2 abgetrennt ist, wobei die Stellbewegung
des Aktuators 1 beispielsweise über eine Schubstange
oder über ein magnetisches oder elektromagnetisches Feld
auf das Absperrelement 2 übertragen wird. Durch
die gezeigte Anordnung des Aktuators 1 und des Absperrelements 2 in
einer einzelnen Ventilkammer 3 kann das Ventil jedoch sehr
kompakt ausgeführt werden und es sind keine Entlüftungsöffnungen
notwendig, welche das von dem Aktuator 1 bei einer Stellbewegung
verdrängte Fluid abführen. Selbstverständlich kann
das Absperrelement 2 und der Aktuator 1 auch derart
in dem Ventil angeordnet sein, dass das Ventil bei einer Stellbewegung
des Aktuators 1 öffnet, statt schließt.
Beispielsweise kann in der Ausführung der Erfindung gemäß 2 der
Aktuator 1 und das Rückstellelement 14 gegeneinander
ausgetauscht werden, wobei die Mündung 5 des zweiten
Ventilkanals 6 dann etwas versetzt zu dem Aktuator 1 in
der Fronfläche 4 angeordnet sein kann.
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Besonders
bevorzugt, da schnell ansprechend und kompakt, erzeugt der Aktuator 1 die
Stellbewegung auf Grundlage des Piezoeffekts oder der Magne tostriktion.
Gegebenenfalls ist es dann zweckmäßig die Stellbewegung
durch ein zwischen dem Aktuator 1 und dem Absperrelement 2 angeordnetes mechanisches
oder hydraulisches Übersetzungsglied zu vergrößern,
oder der Aktuator 1 kann aus mehreren teleskopartig verschalteten
Einzelaktuatoren bestehen. Selbstverständlich kann die
Form der Ventilkammer 3 oder des Absperrelements 2 oder des
Aktuators 1 beliebig sein. Bevorzugt, da einfach herstellbar,
ist jedoch eine rundzylindrische, hohlzylindrische oder zylinderverwandte
Form, beispielsweise eine Prismenform. Um zudem einen geringen Strömungswiderstand
bei einer annehmbaren kompakten Baugröße zu erreichen,
ist der Außendurchmesser beziehungsweise der äußere
Umfang des Aktuators 1 kleiner als der Außendurchmesser
beziehungsweise der äußere Umfang des Absperrelements 2,
wodurch die Ventilkammer 3 und somit das Ventilgehäuse 16 im
Bereich des Aktuators 1, wie in 2 gezeigt,
kompakter gestaltet sein kann. Selbstverständlich kann
das Rückstellelement 14 statt einer Schrauben-Druckfeder
auch ein dieselbe Funktion erfüllendes anders Bauteil sein,
beispielsweise eine oder mehrere Tellerfedern oder Gummielemente.
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- 1
- Aktuator
- 2
- Absperrelement
- 3
- Ventilkammer
- 4
- Frontfläche
der Ventilkammer 3
- 5
- Mündung
des zweiten Ventilkanals 6
- 6
- zweiter
Ventilkanal
- 7
- Mündung
des ersten Ventilkanals 8
- 8
- erster
Ventilkanal
- 9
- Seitenfläche
der Ventilkammer 3
- 10
- Dichtsitz
- 11
- Seitenfläche
des Absperrelements 2
- 12
- Stirnseite
des Absperrelements 2
- 13
- weiterer
Dichtsitz
- 14
- elastisches
Rückstellelement
- 15
- Verbindungsöffnung
- 16
- Ventilgehäuse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 7913165
U1 [0003]
- - DE 19654782 C1 [0005]
- - DE 19939476 C2 [0005]
- - EP 0477400 B1 [0005]