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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz von Bauteilen vor Schwingungen, umfassend ein Gehäuse und ein in dem Gehäuse angeordnetes Halteelement, mittels welchem das Bauteil elastisch gelagert und gehaltert ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Schutz von Bauteilen vor Schwingungen, wobei Schwingungen des Bauteils zumindest verringert werden.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtung und Verfahren bekannt, welche Bauteile aktiv und/oder passiv vor Schäden schützen, die aus regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Schwingungen und Vibrationen sowie daraus resultierenden Beschleunigungskräften auf die Bauteile wirken.
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Eine derartige Vorrichtung zum Schutz von elektronischen Funktionseinheiten und/oder Funktionsgruppen vor Störgrößen ist aus der
DE 199 21 692 A1 bekannt. Dabei ist eine Aufteilung der Funktionseinheiten und/oder -gruppen in Teileinheiten und/oder -gruppen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit gegenüber den Störgrößen vorgesehen, wobei den Teileinheiten und/oder -gruppen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit gegenüber den Störgrößen eine unterschiedliche Abschirmung gegen die Störgrößen zugeordnet ist. Auch ergänzen sich mindestens zwei der Abschirmungen sich zu einer Abschirmung mit höherem Wirkungsgrad bzw. Faktor.
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Ferner ist aus der
DE 102 41 512 A1 ein Halteelement für Fahrzeugsensoren bekannt, das Mittel zum Verbinden mit mindestens einem Sensor und dem Fahrzeug aufweist. Um innerhalb eines Sperrfrequenzbereiches der Sensoren Eigenfrequenzen des Befestigungssystems Halteelement/Sensor zu verhindern, ist mindestens im Bereich der Mittel zum Verbinden mit dem Sensor das Halteelement selbst als Verstimmungselement ausgebildet.
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Weiterhin offenbart die
DE 33 23 624 A1 ein Gehäuse für schwingungs- und stoßempfindliche Geräte, welche ein Außengehäuse und ein, kleinere Abmessungen als dieses, aufweisendes Innengehäuse umfasst, das in dem Außengehäuse über Schwingelemente elastisch gehaltert ist. Dabei sind Dichtungselemente zwischen dem Außen- und dem Innengehäuse angeordnet, welche durch zwei im Bereich der Vorderkante und der Hinterkante des Innengehäuses umlaufende elastische Dichtungsrahmen gebildet sind, die fest mit dem Innengehäuse und der Innenfläche des Außengehäuses verbunden sind und deren Querschnittsprofil so ausgebildet ist, dass sie gleichzeitig die Schwingelemente bilden.
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Die
DE 695 03 297 T2 beschreibt eine Drehgeschwindigkeitssensorvorrichtung, umfassend ein konkaves Gehäuse mit einer offenen Oberseite, eine Mehrzahl von Stiften, die sich von einer Bodenfläche des Gehäuses zu der offenen Oberseite im Wesentlichen rechtwinklig zu der Bodenfläche erstrecken, und eine Mehrzahl von Vibrationsisolationselementen, die je einen eingeschnürten Bereich haben und auf jeden der Mehrzahl von Stiften gepasst sind, um an einer vorbestimmten Position des Stiftes fixiert zu sein. Die Drehgeschwindigkeitssensorvorrichtung umfasst weiterhin eine Sensorhalteplatte, die die eingeschnürten Bereiche der Mehrzahl der Vibrationsisolationselemente zur Fixierung aufnimmt, einen Drehgeschwindigkeitssensor der vibrierenden Art, der auf der Sensorhalteplatte montiert ist, eine Mehrzahl von Kragen, die auf die Mehrzahl von Stiften gepasst ist, um an der Mehrzahl der Vibrationsisolationselemente angeordnet zu sein, und eine Schaltkreisplatine, die ebenfalls auf die Mehrzahl von Stiften gepasst ist, um an der Mehrzahl von Kragen angeordnet zu sein. Dabei sind Signalverarbeitungsmittel zum Antrieb des Drehgeschwindigkeitssensors der vibrierenden Art und zur Verarbeitung eines Ausgangssignals von dem Drehgeschwindigkeitssensor der vibrierenden Art auf zumindest einer Fläche der Schaltkreisplatine montiert. Zusätzlich umfasst die Drehgeschwindigkeitssensorvorrichtung Verbindungsmittel zur elektrischen Verbindung der Signalverarbeitungsmittel und des Drehgeschwindigkeitssensors der vibrierenden Art und einen Deckel, der in die offene Oberseite des Gehäuses zur Versiegelung der Innenseite des Gehäuses eingepasst ist. Die Vibrationsisolationselemente sind beispielsweise aus Silicongummi, Buthylgummi oder Urethangummi gebildet.
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Aus der
DE 695 10 164 T2 ist ein Vibrationsgyroskop bekannt, welches einen Schwingkörper, eine an dem Schwingkörper angebrachte Erregungseinrichtung zum Erregen des Schwingkörpers und eine Schwingungsempfangseinrichtung aufweist, welche ebenfalls an dem Schwingkörper zum Empfangen einer Schwingung des Schwingkörpers und zum Ausgeben eines Schwingungssignals angebracht ist. Das Vibrationsgyroskop weist weiterhin eine Einrichtung zum Tragen des Schwingkörpers und eine Schaltungsplatine auf, wobei die Schaltungsplatine eine Oszillatoreinrichtung, eine erste Verbindungseinrichtung, die mit dem Oszillator verbunden ist, ein Schwingungserfassungselement, das ein Signal ausgibt, das einen Schwingungspegel ansprechend auf ein Eingangsschwingungssignal anzeigt und eine zweite Verbindungseinrichtung umfasst, die mit einem Eingang des Erfassungselements verbunden ist. Weiterhin ist eine dritte Verbindungseinrichtung vorgesehen, die mit einem Ausgang des Erfassungselements verbunden ist. Das Vibrationsgyroskop weist zusätzlich eine Trägerplatine zum Befestigen der Trägereinrichtung und der Schaltungsplatine auf, wobei die Trägerplatine eine vierte Verbindungseinrichtung, die mit der Erregungseinrichtung verbunden ist, eine fünfte Verbindungseinrichtung, die mit der Schwingungsempfangseinrichtung verbunden ist und eine sechste Verbindungseinrichtung, die mit dem Erfassungselement verbunden ist, umfasst, wobei jeweilige Verbindungen zwischen der ersten und vierten, zweiten und fünften, dritten und sechsten Verbindungseinrichtung errichtet sind, wenn die Schaltungsplatine an der Trägerplatine angebracht ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schutz vor Schwingungen für Bauteile zu schaffen, welche die Anforderungen der Praxis besser erfüllen als die bekannten Vorrichtungen und Verfahren und insbesondere bei optimiertem Betrieb einen hohen Schutz vor Schwingungen bieten und gleichzeitig zur Energieversorgung genutzt werden können.
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Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 12 angegebenen Merkmale.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Vorrichtung zum Schutz von Bauteilen vor Schwingungen umfasst ein Gehäuse und ein in dem Gehäuse angeordnetes Halteelement, mittels welchem das Bauteil elastisch gelagert und gehaltert ist.
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Erfindungsgemäß sind an dem Bauteil eine erste elektrische Spule oder ein erster Permanentmagnet und an dem Gehäuse ein zweiter Permanentmagnet oder eine zweite elektrische Spule derart angeordnet, dass eine Schwingung des Bauteils in dem Gehäuse zumindest verringerbar und anhand der Schwingung elektrische Energie erzeugbar ist.
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Diese Ausbildung der Vorrichtung ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise, dass die Schwingungen des Bauteils, welches beispielsweise einen Gassensor umfasst und in einem Ultraschall-Bohrkopf angeordnet ist, aktiv verringerbar sind, d. h. insbesondere anhand einer Steuereinheit steuerbar oder regelbar sind. Hieraus resultiert eine besonders effektive Schwingungsdämpfung bzw. -verringerung, so dass ein optimierter Betrieb und ein hoher Schutz des Bauteils vor Schwingungen realisierbar sind.
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Die gleichzeitig hierbei erzeugte elektrische Energie ist vorzugsweise zum Betrieb des Bauteils verwendbar, wobei das Bauteil insbesondere zumindest einen Sensor, beispielsweise ein Gassensor, ein Temperatursensor und/oder ein Feuchtigkeitssensor umfasst. Dabei ist die Energie dem Bauteil direkt zuführbar und zusätzlich oder alternativ in einer Energiespeichereinheit, welche das Bauteil umfasst, speicherbar. Ferner sind eine eventuell vorhandene Speichereinrichtung wie eine Batterie aufladbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Bauteil mit einer Datenübertragungseinheit gekoppelt, welche zweckmäßigerweise kabellos als Funk- und/oder Infrarotdatenübertragungseinheit ausgebildet ist und vorzugsweise mit der aus den Schwingungen des Bauteils erzeugten elektrischen Energie betreibbar ist. Somit sind von dem Sensor erfasste Daten an eine Auswerteeinheit übertragbar. Auch sind beispielsweise bei der Anordnung der Vorrichtung im Inneren des Ultraschall-Bohrkopfes zur Erfassung von Zusammensetzungen von Erdschichten mittels eines Gassensors Stoffkonzentrationen der jeweils in den Erdschichten vorhandenen Gasgemische ermittelbar und an die Auswerteeinheit übertragbar. Anhand der Auswerteeinheit sind die erfassten Daten in kurzer Zeit auswertbar, so dass sehr schnell Ergebnisse der Zusammensetzung der Erdschichten und beispielsweise Hinweise auf Kontaminationen der Erdschichten verfügbar sind.
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Der Sensor ragt dabei vorzugsweise durch eine Membran in einen Gasführungskanal, durch welche ein Gas aus einer Umgebung der Vorrichtung leitbar ist, wobei anhand des Sensors die Stoffkonzentrationen in dem Gasgemisch, die Temperatur und/oder die Feuchtigkeit desselben ermittelbar sind. Die Membran bildet dabei in vorteilhafter Weise ein Seitenwandelement des Gaskanals. Bei der Verwendung der Vorrichtung in dem Ultraschall-Bohrkopf weist dieser vorzugsweise zu dem Gasführungskanal korrespondierende Öffnungen auf, durch welche das Gasgemisch führbar ist. Die durch die Membran ragende Anordnung des Sensors in den Gasführungskanal ermöglicht in einfacher und effektiver Weise eine Abdichtung der mit dem Sensor verbundenen weiteren Bauteile, wie beispielsweise der Steuereinheit, elektronischer Bauelemente und des Haltelements, so dass zum einen keine Beeinflussung der mittels des Sensors erfassten Daten erfolgt und zum anderen keine Beeinträchtigung des Betriebs der mit dem Sensor gekoppelten weiteren Bauteile stattfindet. Auch ist die Membran derart elastisch ausgebildet, dass die Schwingungen des Sensors ohne Beeinträchtigung der Dichtheit ausgleichbar sind.
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In besonders vorteilhafter Weise ist in dem Gasführungskanal ein Ventil angeordnet, welches mittels des schwingenden Sensors und/oder der Steuereinheit betätigbar und/oder steuerbar ist. Somit wird eine Umwälzung und Zufuhr des Gasgemisches in dem bzw. in den Gasführungskanal realisiert, so dass stets das Gasgemisch mittels des Sensors erfassbar ist, aus welchem Daten über eine aktuelle Erdschicht ermittelbar sind.
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Alternativ oder zusätzlich ist mit dem Gasführungskanal eine Belüftungseinheit gekoppelt, anhand welcher ein Gasstrom und/oder eine Beschleunigung des Gasstroms erzeugbar sind, so dass die Umwälzung des Gases stets sichergestellt und weiter verbessert ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Darin zeigt:
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1 schematisch eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung zum Schutz eines Bauteils vor Schwingungen.
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Die einzige 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Schutz eines Bauteils 2 vor Schwingungen. Die Vorrichtung 1 ist dabei insbesondere für Anordnungen, wie z. B. einen Ultraschall-Bohrkopf, vorgesehen, in deren Betrieb große Schwingungen und Vibrationen auftreten.
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Das im dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigte Bauteil 2 umfasst einen Sensor 2.1, insbesondere einen Gassensor, mittels welchem während einer anhand des Ultraschall-Bohrkopfes ausgeführten Bohrung Stoffkonzentrationen in einem Gasgemisch, aus welchen eine chemische Zusammensetzung einer jeweiligen Erdschicht ermittelbar ist, erfasst werden.
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Hierzu ist das Bauteil 2 mittels eines Halteelements 1.1 im Inneren eines Gehäuses 1.2 der Vorrichtung 1 befestigt und der Sensor 2.1 ragt durch eine Membran 1.3 in einen Gasführungskanal G, welcher drei Gasdurchtrittsöffnungen O1 bis O3 aufweist, durch welche der Gaskanal G mit einem Gas aus der Umgebung der Vorrichtung 1 beaufschlagbar ist.
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Zu dieser Beaufschlagung weist der Ultraschall-Bohrkopf in nicht näher dargestellter Weise Öffnungen auf, welche mit den Gasdurchtrittsöffnungen O1 bis O3 der Vorrichtung 1 korrespondieren. Bei einer Bohrung mittels des Ultraschall-Bohrkopfes, beispielsweise einer Bohrung ins Erdreich, ändert sich je nach Zusammensetzung einer jeweils durchdrungenen Erdschicht eines Stoffzusammensetzung des Gases. Das heißt, es ändert sich das Gasgemisch, wobei anhand des Sensors 2.1 Stoffkonzentrationen in diesem Gasgemisch erfassbar sind.
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Zusätzlich ist in dem Gasführungskanal G ein Ventil 1.4 angeordnet, welches vorzugsweise anhand der während des Betriebs des Ultraschall-Bohrkopfes auf den Sensor 2.1 übertragenen Schwingungen durch den Sensor 2.1 betätigt wird. Mittels dieses Ventils wird die dritte Gasdurchtrittsöffnung geöffnet oder verschlossen, wobei aufgrund der Schwingungen des Sensors 2.1 und das Öffnen und Schließen des Ventils 1.4 das Gas in dem Gasführungskanal G beschleunigt und somit eine permanente Gasströmung und ein Gasaustausch während des Betriebs des Ultraschall-Bohrkopfes sichergestellt sind, so dass mittels des Sensors 2.1 stets zu einer aktuell durchdrungenen Erdschicht gehörige Daten aus dem Gasstrom erfassbar sind. Aus der Beschleunigung der Gasströmung wird weiterhin eine verbesserte Belüftung des Sensors erreicht und die Ansprechzeiten des Systems werden verbessert.
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In einer nicht näher dargestellten Weiterbildung der Vorrichtung 1 ist eine Belüftungseinheit vorgesehen, anhand welcher der Gasstrom alternativ oder zusätzlich beschleunigt wird, um einen weiter verbesserten Gasaustausch, insbesondere auch bei geringen Schwingungen des Bauteils 2 und des Sensors 2.1, zu erzielen.
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Zur Steuerung des Sensors 2.1 ist dieser mit Mitteln 2.2, einer so genannten Sensorelektronik, zu dessen Steuerung und Betrieb gekoppelt, wobei diese Mittel 2.2 beispielsweise eine Heizelement zur Beheizung des Sensors, Datenverarbeitungseinheiten zur Signalaufbereitung und/oder -verarbeitung umfassen sowie einen Energiespeicher beinhalten, der eine Batterie oder einen Akkumulator oder ähnliches sein kann.
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Die mittels des Sensors 2.1 erfassten Daten, welche neben Daten über die Stoffkonzentration auch weitere Daten, wie beispielsweise eine Temperatur und eine Feuchtigkeit, enthalten können, werden mittels einer Datenübertragungseinheit 2.3 an eine nicht näher dargestellte Auswerteeinheit übertragen, mittels welcher aus den übermittelten Daten eine Zusammensetzung der jeweiligen Erdschichten ermittelt wird, so dass beispielsweise Kontaminationen des Erdreichs während der Bohrung erfassbar sind. Die Datenübertragungseinheit 2.3 ist dabei kabellos als Funk- und/oder Infrarotdatenübertragungseinheit ausgebildet, so dass in vorteilhafter Weise keine aufwändigen Kabelführungen und aufwändige Kontaktanordnung innerhalb des rotierenden Ultraschall-Bohrkopfes zur Übertragung der erfassten Daten erforderlich sind.
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Da während der Bohrung starke Schwingungen und Vibrationen von dem Ultraschall-Bohrkopf auf das Bauteil 2 übertragen werden, ist dieses erfindungsgemäß in dem Halteelement 1.1 befestigt, welches elastisch in dem Gehäuse 1.2 gelagert und gehaltert ist. Zu dieser elastischen Anordnung ist das Halteelement 1.1 in nicht näher dargestellter Weise beispielsweise mittels Federelementen im Inneren des Gehäuses 1.2 befestigt oder ist selbst aus einem oder mehreren Federelementen gebildet.
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Zur Dämpfung der Vibrationen und Schwingungen ist an dem Bauteil 2 eine elektrische Spule 1.5 angeordnet, wobei die Spule 1.5 das Bauteil 2 vollständig umgibt. Weiterhin ist im Inneren des Gehäuses 1.2 ein Permanentmagnet 1.6 oder eine weitere Spule, die über Selbstinduktion angeregt wird oder aus der Batterie gespeist wird, angeordnet, welcher die erste elektrische Spule 1.5 und somit das Bauteil 2 umgibt und parallel verlaufend zu der Spule 1.5 angeordnet ist.
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Aufgrund der während des Betriebs des Ultraschall-Bohrkopfes auftretenden Schwingungen und Vibrationen entsteht durch die Bewegung des Bauteils 2 und daraus folgend der Spule 1.5 gegenüber dem feststehenden Permanentmagneten/Spule 1.6 eine elektromagnetische Induktion in der Spule 1.3, so dass die Schwingungsenergie in elektrische Energie umgewandelt und die Schwingungen und Vibrationen des Bauteils 2 und somit des Sensors 2.1 gleichzeitig verringert bzw. gedämpft werden, so dass Beeinträchtigungen des Betriebs des Bauteils 2 und des Sensors 2.1 oder Beschädigungen derselben vermieden werden.
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In einem nicht näher dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1, ist an dem Bauteil 2 ein Permanentmagnet und an dem Halteelement 1.1 eine Spule angeordnet, so dass die Verringerung der Schwingungen und gleichzeitige Erzeugung der elektrischen Energie durch eine Bewegung des Permanentmagneten oder der Spule relativ zur feststehenden Spule erzeugt werden.
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Die erzeugte elektrische Energie wird einer Energiespeichereinheit 2.4, welche im Bauteil 2 integriert und beispielsweise als Akkumulator oder elektrischer Kondensator ausgebildet ist, zugeführt. Mittels der in der Energiespeichereinheit 2.4 gespeicherten Energie werden die Mittel 2.2 zur Steuerung des Sensors 2.1, der Sensor 2.1 selbst, die Datenübertragungseinheit 2.3 und je nach Anwendung die Belüftungseinheit mit elektrischer Energie versorgt.
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Zu einer aktiven und an eine jeweilige Betriebssituation des Bauteils angepassten Steuerung der Dämpfung der Schwingung und Erzeugung der elektrischen Energie umfasst die Vorrichtung 1 eine Steuereinheit 1.7, anhand welcher eine elektrische Last der Spule Z steuerbar ist. Hierzu ist die Steuereinheit 1.7 beispielsweise mit einem nicht näher dargestellten Laderegler der Energiespeichereinheit 2.4 gekoppelt, wobei bei einem höheren Ladestrom die elektrische Last vergrößert wird und somit die Dämpfung der Schwingung des Bauteils 2 verstärkt wird. Bei einer Verringerung der elektrischen Last, d. h. des Ladestroms der Energiespeichereinheit, erfolgt eine geringere Dämpfung.
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Wird, wie bereits beschrieben, die Belüftungseinheit vorgesehen, anhand welcher der Gasstrom erzeugt oder beschleunigt wird, ist die Steuereinheit 1.7 vorzugsweise weiterhin mit der Belüftungseinheit gekoppelt, um den Gasstrom zu steuern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 1.1
- Halteelement
- 1.2
- Gehäuse
- 1.3
- Membran
- 1.4
- Ventil
- 1.5
- Spule
- 1.6
- Permanentmagnet
- 1.7
- Steuereinheit
- 2
- Bauteil
- 2.1
- Sensor
- 2.2
- Mittel
- 2.3
- Datenübertragungseinheit
- 2.4
- Energiespeichereinheit
- G
- Gasführungskanal
- O1
- Gasdurchtrittsöffnung
- O2
- Gasdurchtrittsöffnung
- O3
- Gasdurchtrittsöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19921692 A1 [0004]
- DE 10241512 A1 [0005]
- DE 3323624 A1 [0006]
- DE 69503297 T2 [0007]
- DE 69510164 T2 [0008]
