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Die vorliegende Erfindung betrifft ein fremdenergiefrei arbeitendes Drucksteuerventil, insbesondere Entlüftungsventil für pyrotechnische gasgetriebene Sicherheitseinrichtungen von Fahrzeugen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus der
US 2005/0051217 A1 ist ein derartiges Drucksteuerventil bekannt, das bei einem Airbag zum Einsatz kommt. Das Drucksteuerventil besitzt ein hohlzylindrisches oder hülsenförmiges, beidseitig axial offenes Ventilgehäuse, das eine radiale Austrittsöffnung aufweist und bei dem eine axial offene Seite eine Eintrittsöffnung bildet. Ferner weist das Drucksteuerventil ein relativ zum Gehäuse verstellbares Ventilglied auf, das topfförmig ausgestaltet ist und somit einen hohlzylindrischen oder hülsenförmigen Körper besitzt, der an einem axialen Ende offen ist und am anderen axialen Ende verschlossen ist. Das Ventilglied ist koaxial in das Gehäuse eingesetzt und darin hubverstellbar. Somit durchsetzt das Ventilglied die beiden axialen Öffnungen des Gehäuses, so dass letztlich die axial offene Seite des Ventilglieds die Eintrittsöffnung des Gehäuses bildet. In Abhängigkeit der axialen Relativlage zwischen Ventilgehäuse und Ventilglied kann die Radialöffnung des Ventilglieds mehr oder weniger mit der Radialöffnung des Ventilgehäuses in Überdeckung gebracht werden, wodurch ein durchströmbarer Querschnitt eines im Ventilgehäuse von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung führenden Strömungspfads variiert werden kann. Ferner weist das Drucksteuerventil eine Rückstellfeder zum Antreiben des Ventilglieds in eine Anfangsstellung auf, in welcher der durchströmbare Querschnitt des Strömungspfads einen Anfangswert aufweist, der beim bekannten Drucksteuerventil Null ist. Mit anderen Worten, in der Anfangsstellung ist der Strömungspfad gesperrt. Ventilglied und Ventilgehäuse sind so aufeinander abgestimmt, dass der durchströmbare Querschnitt des Strömungspfads mit zunehmendem Verstellweg des Ventilglieds relativ zum Ventilgehäuse ausgehend von der Anfangsstellung zunimmt. Mit ansteigendem Druck an der Eintrittsseite verstellt sich das bewegliche Ventilglied gegenüber dem stationären Ventilgehäuse, wodurch die Überdeckung der radialen Öffnung des Ventilglieds mit der radialen Austrittsöffnung des Ventilgehäuses zunimmt. Beim bekannten Drucksteuerventil nimmt mit ansteigender Druckdifferenz, also mit zunehmendem Verstellweg des Ventilglieds der durchströmbare Querschnitt des Strömungspfads bis zu einem Maximalwert zu und bleibt dann auch bei weiter ansteigendem Druck bis zu einer Endstellung des Ventilglieds konstant.
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Mit Hilfe eines derartigen Drucksteuerventils kann beispielsweise der Druck in einem Airbag reduziert werden, wenn ein Fahrzeuginsasse infolge eines Unfalls auf den Airbag auftrifft. Durch das geöffnete Drucksteuerventil kann Gas aus dem Airbag austreten, um den Aufprall abzudämpfen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Drucksteuerventil der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sich insbesondere bei einer Verwendung in einer Sicherheitseinrichtung eine verbesserte Funktionalität und/oder eine erhöhte Zuverlässigkeit und/oder eine reduzierte Verletzungsgefahr ergibt.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Drucksteuerventil so auszugestalten, dass der durchströmbare Querschnitt des durch das Drucksteuerventil hindurchgeführten Strömungspfads mit zunehmender Druckdifferenz zunächst bis zu einem Maximalwert zunimmt und dann bei weiter steigender Druckdifferenz abnimmt. Durch diese Bauweise kann beispielsweise bei einer Verwendung mit einem Airbag eine Anpassung an die Körpergröße und/oder an das Gewicht eines Fahrzeuginsassen erzielt werden. Im Crashfall steigt der Druck im Airbag im Falle eines Aufpralls des jeweiligen Fahrzeuginsassens auf den Airbag bei einer leichten Person weniger stark an als bei einer schweren Person. Durch die vorgeschlagene Bauweise kann für leichte Personen in der Regel eine bessere Dämpfungswirkung erzielt werden als bei schweren Personen. Darüber hinaus wird auch für schwere Personen erreicht, dass der dem Aufprall entgegenstehende Widerstand des Airbags nicht schlagartig, sondern druckabhängig zunimmt, um die jeweilige Person sanfter abfangen zu können. Insgesamt können dadurch Kraftspitzen reduziert und die Verletzungsgefahr vermindert werden.
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Darüber hinaus sind auch andere Anwendungsformen für derartige Drucksteuerventile denkbar, beispielsweise bei anderen Sicherheitseinrichtungen, wie zum Beispiel Seitenaufprallpolster in einem Fahrzeuginnenraum oder für den Fußgängerschutz ausfahrbare Stoßfänger oder für den Fußgängerschutz anhebbare Fronthauben. Ferner sind auch von Fahrzeugsicherheitseinrichtungen abweichende Verwendungsmöglichkeiten für derartige Drucksteuerventile denkbar, beispielsweise bei pneumatischen Stoßdämpfern oder dergleichen.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Drucksteuerventil so ausgestaltet sein, dass der durchströmbare Querschnitt des Gaspfads in einer Endstellung des Ventilglieds einen Endwert aufweist, der vom Wert Null abweicht. Hierdurch wird erreicht, dass auch bei maximaler Druckdifferenz eine Gasströmung durch das Druckregelventil möglich ist.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Ventilglied zumindest eine Bypassöffnung aufweisen, die in der Anfangsstellung geschlossen ist und die in einer von der Anfangsstellung entfernten Endstellung des Ventilglieds offen ist. Hierdurch wird erreicht, dass auch in der Endstellung des Ventilglieds über die wenigstens eine Bypassöffnung eine Umströmung des Ventilglieds und somit eine Durchströmung des Druckregelventils möglich ist, während gleichzeitig die jeweilige Bypassöffnung in der Anfangsstellung des Ventilglieds deaktiviert ist.
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Das Ventilgehäuse kann entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform einen Innenquerschnitt aufweisen, der von einer die Eintrittsöffnung aufweisenden Eintrittsseite bis zu einer die Austrittsöffnung aufweisenden Austrittsseite abnimmt. In Verbindung mit einem Ventilglied, das sich mit zunehmendem Differenzdruck in einer sich von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung erstreckenden Richtung verstellt und das seitlich über einen zwischen dem Ventilglied und dem Ventilgehäuse ausgebildeten Spalt umströmbar ist, reduziert sich der durchströmbare Querschnitt aufgrund des abnehmenden Innenquerschnitts mit zunehmender Entfernung des Ventilglieds von der Eintrittsöffnung. Die Reduzierung des durchströmbaren Querschnitts kann dabei durch eine entsprechende Gestaltung des Innenquerschnitts des Ventilgehäuses gestuft oder ungestuft, insbesondere linear oder progressiv oder degressiv realisiert werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 bis 4 jeweils eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Drucksteuerventils bei unterschiedlichen Zuständen,
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5 eine Draufsicht auf ein Ventilglied entsprechend einer Blickrichtung V in 1.
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Entsprechend den 1 bis 4 umfasst ein Drucksteuerventil 1 ein Ventilgehäuse 2, ein Ventilglied 3 und eine Rückstellfeder 4. Das Drucksteuerventil 1 arbeitet fremdenergiefrei, also insbesondere ohne elektrische Energie. Es kann dazu verwendet werden, den Druck in einem ersten Raum 5 in Abhängigkeit des in einem zweiten Raum 6 herrschenden Drucks zu steuern. Das Drucksteuerventil 1 kann hierzu an ein Bauteil 7, zum Beispiel eine Wand, angebaut sein, das die beiden Räume 5, 6 voneinander trennt. Beispielsweise kann das Drucksteuerventil 1 in einer hier nur im Bereich des Bauteils 7 dargestellten Sicherheitseinrichtung 8 verwendet werden, die bevorzugt pyrotechnisch und gasgetrieben arbeitet. Beispielsweise umfasst diese Sicherheitseinrichtung 8 einen Airbag. Das Drucksteuerventil 1 dient dann dazu, den sich im Airbag aufbauenden Druck zu steuern. Der Innenraum des Airbags bildet dann den Raum 5, während der Raum 6 zweckmäßig durch die Umgebung gebildet ist. Das Drucksteuerventil 1 ist dementsprechend durch den Überdruck im Airbag gegenüber dem Umgebungsdruck gesteuert.
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Das Ventilgehäuse 2 weist zumindest eine Eintrittsöffnung 9 auf, die im gezeigten Einbauzustand mit dem ersten Raum 5 kommuniziert. Ferner weist das Ventilgehäuse 2 zumindest eine Austrittsöffnung 10 auf, die im eingebauten Zustand mit dem zweiten Raum 6 kommuniziert. Das Ventilglied 3 ist relativ zum Ventilgehäuse 2 verstellbar, und zwar insbesondere parallel zu einer Längsmittelachse 11. Insbesondere ist das Drucksteuerventil 1 bezüglich dieser Längsmittelachse 11 rotationssymmetrisch ausgestaltet. Vorzugsweise sind auch das Ventilgehäuse 2 und/oder das Ventilglied 3 bezüglich der Längsmittelachse 11 rotationssymmetrisch ausgestaltet. Das Ventilglied 3 dient zum Steuern bzw. zum Variieren eines durchströmbaren Querschnitts eines durch das Ventilgehäuse 2 hindurchgeführten bzw. im Ventilgehäuse 2 von der Eintrittsöffnung 9 zur Austrittsöffnung 10 führenden Strömungspfads 12. Der Strömungspfad 12 ist in 1 durch einen mit unterbrochener Linie dargestellten Pfeil repräsentiert, während er in den 2–4 durch mit durchgezogener Linie gezeichnete Pfeile 12 dargestellt ist.
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Die Rückstellfeder 4 dient zum Antreiben des Ventilglieds 3 in eine Anfangsstellung, die in 1 wiedergegeben ist. In dieser Anfangsstellung weist der durchströmbare Querschnitt des Strömungspfads 12 einen Anfangswert auf. Dieser Anfangswert ist bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform gleich Null. Mit anderen Worten, in der Anfangsstellung ist der Strömungspfad 12 verschlossen. Dementsprechend ist er in 1 nur mit unterbrochener Linie angedeutet.
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Mit zunehmendem Überdruck im ersten Raum 5 relativ zum zweiten Raum 6 öffnet das Ventilglied 3 den Strömungspfad 12 und ermöglicht eine Gasströmung entlang des Strömungspfads 12 vom ersten Raum 5 durch das Drucksteuerventil 1 in den zweiten Raum 6. Hierzu verstellt sich das Ventilglied 3 relativ zum Ventilgehäuse 2 entlang der Längsmittelachse 11.
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Das Ventilglied 3 und das Ventilgehäuse 2 sind nun so aufeinander abgestimmt, dass der durchströmbare Querschnitt des Strömungspfads 12 mit zunehmendem Verstellweg des Ventilglieds 3 relativ zum Ventilgehäuse 2, also mit zunehmendem Abstand von der Anfangsstellung zunächst zunimmt. Dabei nimmt der durchströmbare Querschnitt bis zum Erreichen einer in 2 angedeuteten Offenstellung bis zu einem vorbestimmten Maximalwert zu. Mit anderen Worten, in der in 2 gezeigten Offenstellung besitzt der Strömungspfad 12 seinen geringsten Durchströmungswiderstand. Beispielsweise kann diese Offenstellung dadurch charakterisiert sein, dass der Maximalwert des durchströmbaren Querschnitts etwa gleich groß ist wie der Öffnungsquerschnitt der Eintrittsöffnung 9 und/oder der Öffnungsquerschnitt der Austrittsöffnung 10. Ebenso kann dieser Maximalwert des Strömungspfads 12 zwischen der Eintrittsöffnung 9 und der Austrittsöffnung 10 größer sein als die Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung 9 bzw. der Austrittsöffnung 10. Insbesondere können die Querschnittsflächen der Eintrittsöffnung 9 und der Austrittsöffnung 10 gleich groß sein.
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Das Drucksteuerventil 1 ist ferner so ausgestaltet bzw. sind das Ventilglied 3 und das Ventilgehäuse 2 so aufeinander abgestimmt, dass der durchströmbare Querschnitt des Strömungspfads 12 ab dem Maximalwert mit weiter zunehmender Entfernung des Ventilglieds 3 von der Eintrittsöffnung 9 abnimmt. 3 zeigt einen Zustand, bei dem das Ventilglied 3 über die in 2 gezeigte Offenstellung hinaus verstellt ist und eine weitere Offenstellung einnimmt, die sich durch einen reduzierten durchströmbaren Querschnitt des Strömungspfads 12 von der in 2 gezeigten Offenstellung unterscheidet. Mit anderen Worten, mit zunehmendem Verstellweg des Ventilglieds 3 nimmt ab der in 2 gezeigten Offenstellung der durchströmbare Querschnitt des Strömungspfads 12 ab, was mit einem Anstieg des Durchströmungswiderstands des Steuerventils 1 einhergeht.
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Besonders vorteilhaft ist die hier gezeigte Ausführungsform, bei welcher das Drucksteuerventil 1 durch eine entsprechende Abstimmung des Ventilglieds 3 und des Ventilgehäuses 2 so ausgestaltet ist, dass der durchströmbare Querschnitt des Gaspfads 12 in einer in 4 dargestellten Endstellung des Ventilglieds 3 einen Endwert aufweist, der weiterhin eine Durchströmung des Ventilglieds 1 bzw. des Ventilgehäuses 2 ermöglicht. Diese Endstellung liegt dann vor, wenn das Ventilglied 3 seinen maximalen Verstellweg erreicht, also seinen maximalen Abstand von der Eintrittsöffnung 9 aufweist. Der Endwert des durchströmbaren Querschnitts des Gaspfads 12, der bei der in 4 gezeigten Endstellung des Ventilglieds 3 vorliegt, ist dabei größer als der Anfangswert des durchströmbaren Querschnitts des Gaspfads 12, der in der Anfangsstellung gemäß 1 vorliegt. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn der Anfangswert bei einer anderen Ausführungsform einen vom Wert Null abweichenden Wert aufweist.
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Entsprechend 5 kann das Ventilglied 3 zumindest eine Bypassöffnung 13 aufweisen. Im Beispiel sind ohne Beschränkung der Allgemeinheit genau vier derartige Bypassöffnungen 13 vorgesehen, die in Umfangsrichtung symmetrisch verteilt angeordnet sind. Diese Bypassöffnungen 13 sind am Ventilglied 3 so angeordnet, dass sie in der Anfangsstellung gemäß 1 geschlossen bzw. deaktiviert sind und in der Endstellung gemäß 4 geöffnet bzw. aktiviert sind. Im Beispiel sind die Bypassöffnungen 13 an einem außenliegenden Rand 14 des Bypassventils 3 ausgebildet. Hierbei handelt es sich exemplarisch um radial bzw. nach außen offene Aussparungen, die in den Rand 14 eingearbeitet sind. Grundsätzlich ist hier auch eine Perforation des Rands 14 denkbar.
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Entsprechend den 1 bis 4 weist das Ventilgehäuse 2 einen Ventilsitz 15 auf, der die Eintrittsöffnung 9 einfasst. In diesem Sitz 15 liegt das Ventilglied 3 am Ventilgehäuse 2 an, wenn es seine Anfangsstellung gemäß 1 einnimmt. Der Ventilsitz 15 weist im Beispiel eine sich in Richtung zur Eintrittsöffnung 9 verjüngende konische Sitzkontur auf. Komplementär dazu besitzt das Ventilglied 3 zweckmäßig einen konisch geformten Rand 14. Der konische Rand 14 verjüngt sich dabei ebenfalls in Richtung zur Eintrittsöffnung 9. In der Anfangsstellung gemäß 1 wirkt der konische Rand 14 mit der konischen Sitzkontur des Ventilsitzes 15 zusammen. Vorzugsweise kommt es dann zu einer flächigen Anlage zwischen Ventilglied 3 und Ventilsitz 15. Grundsätzlich kann das Ventilglied 3 zumindest im Bereich seines Rands 14 die Kontur eines Kugelsegments aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Sitzkontur des Ventilsitzes 15 ein zur Längsmittelachse 11 hin gekrümmtes konvexes Profil aufweisen.
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Das Ventilgehäuse 2 besitzt bei der hier gezeigten Ausführungsform einen Innenquerschnitt, der entlang des Strömungspfads 12 abnimmt. Der Innenquerschnitt nimmt dabei von einer die Eintrittsöffnung 9 aufweisenden Eintrittsseite 16 des Ventilgehäuses 2 bis zu einer die Austrittsöffnung 10 aufweisenden Austrittsseite 17 des Ventilgehäuses 2 ab. Im Beispiel nimmt der Innenquerschnitt in der Strömungsrichtung ungestuft ab. Gezeigt ist dabei eine lineare Querschnittsabnahme. Hierzu ist das Ventilgehäuse 2 mit einem konischen oder kegelstumpfförmigen Mantel 18 ausgestattet. Eine stufenlose Abnahme des Innenquerschnitts kann beispielsweise auch durch eine gekrümmte Wandung realisiert werden, beispielsweise um eine degressive oder um eine progressive Querschnittsabnahme entlang des Strömungspfads 12 zu erzielen. Alternativ ist es ebenso möglich, das Ventilgehäuse 2 bzw. dessen Mantel 18 so auszugestalten, dass sich eine gestufte Querschnittsabnahme ausbildet.
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Das Ventilglied 3 liegt in seiner Endstellung gemäß 4 mit seinem außen liegenden Rand 14 am Ventilgehäuse 2 an. Das Gehäuse 2 bzw. dessen Mantel 18 bildet dabei einen Anschlag für die Verstellbewegung des Ventilglieds 3. Durch die Bypassöffnungen 13 wird auch in dieser Endstellung eine seitliche Umströmung des Ventilglieds 3 realisiert. In den zwischen der Anfangsstellung gemäß 1 und der Endstellung gemäß 4 liegenden Offenstellungen, von denen zwei in den 2 und 3 exemplarisch wiedergegeben sind, umströmt die Gasströmung das Ventilglied 3 in einem radial zwischen dem Ventilglied 3 und dem Gehäuse 2 ausgebildeten Ringspalt 19, der sich mit zunehmendem Abstand des Ventilglieds 3 von der Eintrittsöffnung 9 verkleinert. In der Endstellung gemäß 4 ist dieser Ringspalt 19 eliminiert bzw. gesperrt. Die Umströmung des Ventilglieds 3 erfolgt dann ausschließlich durch die wenigstens eine Bypassöffnung 13.
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Das Ventilgehäuse 2 weist neben dem Mantelkörper 18 außerdem einen Bodenkörper 20 auf. Während der Bodenkörper 20 die Eintrittsöffnung 9 aufweist, besitzt der Mantelkörper 18 gegenüber der Eintrittsöffnung 9 die Austrittsöffnung 10. Ferner weist der Bodenkörper 20 hier den Ventilsitz 15 auf. Das Ventilglied 3 und die Rückstellfeder 4 sind im Inneren des Gehäuses 2 angeordnet. Die Rückstellfeder 4 stützt sich einerseits am Ventilgehäuse 2, und zwar am Mantelkörper 18, zweckmäßig im Bereich der Austrittsöffnung 10 ab, und zwar beispielsweise an einem die Austrittsöffnung 10 einfassenden Ringkragen 21. Andererseits stützt sich die Rückstellfeder 4 am Ventilglied 3 ab, und zwar vorzugsweise am Rand 14.
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Im gezeigten Beispiel bildet das Drucksteuerventil 1 ein separat herstellbares Bauteil, das an ein anderes Bauteil 7, insbesondere einer Sicherheitseinrichtung 8 angebaut werden kann. Alternativ ist es ebenso möglich, das Ventilgehäuse 2 zumindest teilweise in das Bauteil 7 zu integrieren. Das Bauteil 7 kann dabei eine Tragplatte oder dergleichen sein. Insbesondere kann das Bauteil 7 aus Kunststoff spritzgeformt sein.
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Das Drucksteuerventil 1 kann insbesondere als Entlüftungsventil verwendet werden, insbesondere bei einem Airbag oder bei einer anderen pyrotechnischen, gasgetriebenen Sicherheitseinrichtung 8 eines Kraftfahrzeugs.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2005/0051217 A1 [0002]
