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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ventil und ein Verfahren zur Herstellung eines Ventils. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Leckage-Verringerung von Ventilen sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes bzw. bearbeitetes Ventil.
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Fester Bestandteil pneumatischer, hydraulischer insbesondere auch kraftstoffführender Systeme, in denen Medien bei unterschiedlichen Drücken gehalten werden, sind Ventile, mit deren Hilfe unterschiedliche Druckbereiche voneinander getrennt bzw. miteinander verbunden werden. Beispiele für derartige Ventile sind Kolben- oder Kugelventile insbesondere Rückschlagventile.
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Bedeutsam für derartige Bauteile ist die Dichtwirkung zwischen den einzelnen Komponenten, welche häufig Metall-Kunststoff-Paarungen oder Kunststoff-Kunststoff-Paarungen sind. Die Dichtheit wird durch möglichst gut aufeinander abgestimmte Oberflächen der Paarungspartner und einer Zuhaltekraft gewährleistet. Ohne eine derartige Abstimmung kann eine bestimmte Dichtheitsanforderung nicht realisiert werden und ein erhöhter Verschleiß bis hin zu einem schnelleren Versagen der Dichtung auftreten. Leckagen am Dichtsitz bedeuten Leistungsverluste bis hin zur Unbrauchbarkeit des Systems und können über die Lebensdauer erhebliche Kosten verursachen. Bei Kunststoffdichtsitzen, die beispielsweise durch Spritzgießen, Spritzprägen, Prägen oder Pressen hergestellt wurden, sind ausreichende Oberflächeneigenschaften nur durch aufwendig polierte Werkzeugeinsätze oder Nacharbeit erzielbar andernfalls ist die Oberflächengüte nicht ausreichend und es treten dennoch Leckagen auf.
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Bisher wurden die Dichtparameter durch Prägen auf gleichem Temperaturniveau aufeinander abgestimmt, d. h. durch ein Einpressen des einen Dichtpartners in den anderen mit einer Kraft, die größer ist als die beim Betrieb des Ventils verwendeten Kräfte. Ein anderer bekannter Effekt zur Verbesserung der Dichtwirkung ist das mehrfache Schalten, sodass ein Einlaufen zwischen den Dichtpartnern stattfindet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Ventilen zur Verfügung zu stellen, welches bessere Dichteigenschaften der Ventile ermöglicht sowie auch Ventile mit verbesserten Dichteigenschaften zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Ventil nach Anspruch 8 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Ventils wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Ventil mit einem Ventilraum und einem innerhalb dieses Ventilraums beweglich angeordneten Ventilkörper zur Verfügung gestellt. Dabei liegt der Ventilkörper in einer Schaltstellung des Ventils derart an einem Dichtsitz an, dass Ventilkörper eine erste Dichtfläche oder -linie und der Dichtsitz eine zweite mit der ersten Dichtfläche wenigstens zeitweise zusammenwirkende Dichtfläche des Ventils ausbildet.
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Der Ventilraum weist mit anderen Worten weiterhin einen Dichtsitz auf, an den der Ventilkörper in einer Schaltstellung des Ventils derart anlegbar ist, dass der Ventilkörper eine Dichtfläche oder -linie mit dem Dichtsitz ausbildet.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens eine der Dichtflächen bzw. Dichtpartner aus Kunststoff gefertigt und wenigstens eine Dichtfläche wird zum Abstimmen der Dichtflächen aufeinander getempert.
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Unter Tempern wird dabei eine Wärmeeinbringung auf wenigstens eine der Dichtflächen, insbesondere eine aus einem Kunststoff gefertigte Dichtfläche, verstanden. Dabei ist es jedoch auch möglich, dass die Wärmeeinbringung mittelbar erfolgt, z. B. eine Erwärmung der anderen metallischen Dichtfläche vorgenommen wird, wodurch durch einen Kontakt der beiden Flächen auch die Kunststofffläche erwärmt wird.
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Die Dichtflächen werden wenigstens zeitweise während des Temperns der Dichtfläche und/oder nach dem Tempern aneinander gepresst.
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Hierunter wird verstanden, dass diese Dichtflächen mit einer aufeinander zu gerichteten Kraft beaufschlagt werden, insbesondere in einem geschlossenen Zustand des Ventils, sodass sich die Kunststoffflächen aneinander anpassen. Auf diese Weise können Oberflächenunebenheiten optimiert werden. Vorzugsweise verändert sich hierdurch die Oberfläche zumindest der aus Kunststoff gefertigten Oberfläche. Durch das Tempern wird die Oberfläche damit weicher und kann so durch das Anpressen geformt werden.
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Besteht also bei Ventilen der oben beschriebenen Anwendungsgebiete eines der Dichtelemente aus Kunststoff, so können die Oberflächen der Dichtpartner aufeinander abgestimmt werden, indem das ganze oder ein Teil des Bauteils getempert wird und gleichzeitig oder anschließend die Dichtpartner – insbesondere mit geringer Kraft – aufeinander gepresst werden. Vorteilhaft ist genau eine der beiden Dichtflächen aus einem Kunststoff gefertigt. Die andere der beiden Dichtflächen kann dabei beispielsweise aus einem Metall gefertigt sein. Es ist möglich, dass die beiden Dichtflächen aus unterschiedlichen Kunststoffen gefertigt sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine der Dichtflächen und besonders bevorzugt der Dichtsitz aus einem Kunststoff gefertigt.
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Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird wenigstens eine der beiden Dichtflächen aus einem Metall gefertigt. Bei dieser Dichtfläche handelt es sich insbesondere um den Ventilkörper.
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Vorteilhaft erfolgt das Tempern mit einer Temperatur, welche im Bereich der Glastemperatur der verwendeten Kunststoffe liegt. Die genauen Temperaturen hängen von dem Kunststoffmaterial ab, welches für die jeweiligen Dichtflächen verwendet wird. Für die Auswahl der verwendeten Temperaturen ist die Glastemperatur des jeweiligen Kunststoffs entscheidend. Vorteilhaft erfolgt beispielsweise das Tempern von PBT (Polybutylenterephthalat) bei einer Temperatur, welche zwischen 30°C und 80°C, besonders bevorzugt zwischen 45°C und 65°C liegt.
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Die für das Prägen zu verwendenden Kräfte sind neben der vorliegenden Materialpaarung auch von der Berührungsgeometrie abhängig. Bei einer Dichtlinie, wie es bei einer Kugel in einem kegelförmigen Dichtsitz der Fall ist, hat sich eine Kraft bzw. ein Druck von 5 N/mm als vorteilhaft herausgestellt. Diese Kräfte haben sich als geeignet erwiesen, um insbesondere im Zusammenspiel mit den oben erwähnten Temperaturen eine Optimierung der Oberflächenunebenheiten zu erreichen.
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In Versuchsreihen hat sich gezeigt, dass es möglich war die Oberflächenunebenheiten zu optimieren und Luftleckagemengen um den Faktor 10 bis 20 abzusenken. Die Analyse im Rasterelektronenmikroskop hat ergeben, dass eine Oberflächenmodifikation der Dichtfläche erkennbar ist.
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Vorteilhaft erfolgt das Tempern mittels eines Verfahrens, welches aus einer Gruppe von Verfahren ausgewählt ist, welche Wärmeleitung, Konvektion, Bestrahlung, induktive Erwärmung, Tempern durch Anblasen, Durchströmung des Ventils mit einem erwärmten Medium, Kombinationen hieraus und dergleichen enthält.
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Bei der Materialkombination Metall/Kunststoff erweist sich die induktive Erwärmung als ein schnelles Verfahren. Zudem können Temper- und Prägevorgang gleichzeitig erfolgen. Dies ist auch bei den Wärmeeinbringungsverfahren Wärmeleitung, Konvektion, Bestrahlung und Tempern durch Anblasen der Fall.
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Beim Temperverfahren Durchströmung des Ventils mit einem erwärmten Medium kann zum Durchströmen der Öffnungsvorgang des Ventils genutzt werden, was bei elektrisch betriebenen Ventilen z. B. durch das Anlegen einer Spannung geschehen kann. Im Falle von federbelasteten Rückschlagventilen kann durch das Einführen eines Öffnungsstößels eine Durchströmung ermöglicht werden.
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Es wird eine Zuführleitung für ein strömungsfähiges Medium benötigt, wobei die Zuführleitung das strömungsfähige Medium in den Ventilraum führt. Weiterhin weist das Ventil eine Abführleitung für das strömungsfähige Medium auf, welche das Medium aus dem Ventilraum abführt. Alternativ ist auch ein Abströmen des strömungsfähigen Mediums in die Umgebung denkbar. Beim Durchströmen des Ventils werden die Dichtflächen der Dichtpartner erwärmt. Dies kann je nach Öffnungsweg des Ventils während des Durchströmens zu lokalen Erwärmungen der Dichtflächen führen, insbesondere wenn lediglich ein kleiner Strömungsspalt geöffnet wird. Geringe Öffnungsspalte zwischen den Dichtpartnern sind beim Durchströmen mit warmer Medium von Vorteil, da gute Wärmeübergänge realisiert werden. Die Dauer der Erwärmung der Dichtpartner ist, wie oben erwähnt, abhängig von deren Volumen und Wärmekapazitäten, und der Dichtgeometrie.
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Verfahrensvorteil ist die Integration der Temperverfahren in die Prozessabfolge bei der Herstellung des Ventils, welche ermöglicht, dass im Anschluss bei der Endprüfung die verbleibende Leckage gemessen werden kann. Der Aufwand für das Polieren der Werkzeugeinsätze kann reduziert werden bzw. entfallen. Bisher nicht realisierbare Dichtheiten lassen sich so prozesssicher verwirklichen.
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Durch die Kombination des Temperns mit der gleichzeitigen oder anschließenden Verpressung der Dichtpartner wird die oben erwähnte Anpassung der Oberflächenform und Angleichung der Oberflächenrauheiten erreicht. Die Verpresskraft kann dabei durch ein systeminternes Bauteil, wie z. B. eine Feder erfolgen oder von extern während des Temperns aufgebracht werden.
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Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Ventil gerichtet, welches eine Zuführleitung für ein fließfähiges Medium aufweist, welche Zuführleitung in einen Ventilraum mündet, wobei die Zuführleitung das fließfähige Medium in den Ventilraum führt. Weiterhin weist das Ventil eine Abführleitung für das fließfähige Medium auf, welche das fließfähige Medium aus dem Ventilraum abführt. Daneben weist das Ventil einen Ventilkörper auf, der innerhalb des Ventilraums und beweglich gegenüber dem Ventilraum angeordnet ist, wobei der Ventilraum weiterhin einen Dichtsitz aufweist, an den der Ventilkörper in einer Schaltstellung des Ventils derart anlegbar ist, dass der Ventilkörper eine erste Dichtfläche des Ventils und der Dichtsitz eine zweite mit der ersten Dichtfläche wenigstens zeitweise zusammenwirkende Dichtfläche des Ventils ausbildet.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens eine der Dichtflächen aus einem Kunststoff gefertigt und wenigstens eine Dichtfläche ist – zum Abstimmen der Dichtflächen aufeinander – getempert. Weiterhin sind bevorzugt die Dichtflächen wenigstens zeitweise während des Temperns der Dichtfläche und/oder nach dem Tempern aneinander gepresst.
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Vorteilhaft weist das Ventil eine Vorspanneinrichtung auf, welche den Ventilkörper gegenüber dem Dichtsitz vorspannt. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Fixiereinrichtung vorgesehen, welche Drehungen des Ventilkörpers gegenüber dem Dichtsitz verhindert. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass in einer Schließstellung des Ventils der Ventilkörper immer mit der gleichen Dichtfläche an dem Dichtsitz anliegt, d. h. insbesondere derjenigen Dichtfläche, welche durch das Tempern an die jeweils andere Dichtfläche angepasst wurde. Dies bedeutet, dass im Arbeitsbetrieb immer die gleichen Dichtflächen aneinander anliegen.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Figuren:
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Hierbei zeigen:
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1 eine erste Variante zum Tempern eines Ventils;
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2 eine zweite Variante zum Tempern eines Ventils;
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3 eine dritte Variante zum Tempern eines Ventils;
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4 eine vierte Variante zum Tempern eines Ventils;
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5 eine fünfte Variante zum Tempern eines Ventils;
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6 eine sechste Variante zum Tempern eines Ventils;
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7 eine siebte Variante zum Tempern eines Ventils;
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8 eine achte Variante zum Tempern eines Ventils.
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Die 1 bis 8 zeigen jeweils drei oder vier Darstellungen von Ventilen, wobei sich die jeweils linke Darstellung auf ein noch undichtes Ventil bezieht, die mittlere Figur auf den jeweiligen Temperiervorgang und die rechte Figur das anschließend entstehende dichte Ventil zeigt. Die Erfindung wird hier anhand eines Rückschlagventils 1 verdeutlicht, es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die vorgeschlagene erfinderische Vorgehensweise auch bei anderen Ventiltypen anwendbar ist.
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Das erfindungsgemäße Ventil 1 weist dabei einen Ventilraum 2 auf, innerhalb dessen ein Ventilkörper 4 beweglich, hier zumindest in der Richtung L beweglich, angeordnet ist. Das Bezugszeichen 8 kennzeichnet eine Zuführleitung, welche dem Ventil 1 in einem Arbeitsbetrieb ein fließfähiges und/oder strömungsfähiges Medium, wie beispielsweise Luft oder eine Flüssigkeit wie zum Beispiel einen Kraftstoff, zuführt. Über eine Abführleitung tritt das strömungsfähige Medium wieder aus dem Ventil 1 aus. Das Bezugszeichen 14 kennzeichnet eine Vorspanneinrichtung wie eine Feder, welche den Ventilkörper 4 in Richtung eines Ventilsitzes 6, der gleichzeitig eine Wandung des Ventils 1 bildet, drückt.
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Dieser Ventilsitz 6 ist hier kreisförmig und/oder kegelförmig ausgebildet. Falls hier das strömungsfähige Medium in der umgekehrten Richtung fließt, d. h. über die Abführleitung 12 zugeführt wird, wird der Ventilkörper 4 sich an den Ventilsitz 6 anlegen und das Ventil 1 entsprechend sperren. Das Bezugszeichen 6a kennzeichnet eine Oberfläche des Ventilsitzes 6, welcher der Ventilkörper mit seiner Oberfläche 4a anliegt.
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Der Ventilkörper 4 könnte drehfest über ein Fixiermittel 15 angeordnet sein, so dass Drehungen des Ventilkörpers verhindert werden. Es wäre jedoch auch möglich, dass der Ventilkörper 4 als Stößel ausgeführt ist, der sich nur in genau einer Richtung bewegen kann. Durch ein Fixierungsmittel 15 kann sichergestellt werden, dass eine einmal durch das Tempern angepasste Dichtfläche stets genau an derjenigen anderen Dichtfläche anliegt, welche die Anpassung ersterer Dichtfläche bewirkt hat.
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Vorzugsweise ist sichergestellt, dass in einem geschlossenen Zustand des Ventils die Dichtflächen 4a, 6a nicht gegenüber einander gleiten.
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In dem mittleren Bild wird über die Zufuhrleitung 8 ein warmes Medium, beispielsweise eine warme Flüssigkeit oder ein warmes Gas zugeführt. Dieses warme Medium beaufschlagt in diesem Fall den Ventilkörper 4 und den Ventilsitz 6 und erwirkt damit auch eine Erwärmung der jeweiligen Dichtflächen 6a und 4a. Bevorzugt ist eine der beiden Dichtflächen 4a, 6a, metallisch, die andere aus Kunststoff. Wird gleichzeitig oder anschließend der Ventilkörper in Richtung des Ventilsitzes 6 belastet, so kann sich die jeweilige Kunststofffläche aufgrund der Erwärmung anpassen, wodurch, wie im rechten Teilbild von 1 gezeigt, ein günstigeres Dichtverhalten des Ventils erreicht wird.
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2 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren. Bei diesem Verfahren wird, wie in dem mittleren Teilbild gezeigt, das Ventil 1 in einem Ofen bei beispielsweise 45°C über einen längeren Zeitraum hinweg getempert. Bei dieser Vorgehensweise kann das geschlossene Ventil durch Tempervorgänge in warmer Umgebung von mindestens 45°C für einen Zeitraum von beispielsweise 10 Minuten getempert werden.
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Bei der in 3 gezeigten Variante erfolgt die Erwärmung des Ventils durch eine Bestrahlung, beispielsweise mit infrarotem Licht. Die Strahlung wird hier beispielsweise entlang der Pfeile P2 zugeführt.
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Bei der in 4 gezeigten Variante ist ein oberer Bereich des Ventils in einer erwärmten Aufnahme 22 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform wäre es möglich, das Ventil in einer beispielsweise auf 60°C temperierte Aufnahme 22 für beispielsweise 2 Minuten zu behandeln, um auf diese Weise Oberflächenunebenheiten zu optimieren und um auch hier die Luftleckagemengen abzusenken.
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Bei der in 5 gezeigten Variante erfolgt eine Erwärmung des Ventilkörpers 4 (Pfeile P3) über eine Induktionserwärmungseinrichtung 24. Der erwärmte Ventilkörper 4 (der in den gezeigten Beispielen als Kugel ausgebildet ist) wird auch hier gegen den Ventilsitz 6 gedrückt und auf diese Weise wird die Verbesserung der Dichtwirkung erreicht.
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Bei der in 6 gezeigten Variante ist der Ventilkörper 4 nicht als Kugel-, sondern als Halbkugelfläche ausgebildet. Die Erwärmung erfolgt hier über 2 Elektroden 26 und 28 mit einem elektrischen Strom, der den Ventilkörper 4 auch an seiner Oberfläche 4a erwärmt. Auch auf diese Weise tritt wiederum eine Erwärmung der Dichtfläche 6a und die oben erwähnte Anpassung der Oberfläche auf. Bei der in 6 gezeigten Variante wäre es auch möglich, zunächst den Ventilkörper 4 zu erwärmen und anschließend, wie im rechten Teilbild gezeigt, mit einer Kraft F in Richtung des Ventilsitzes 6 zu belasten. Diese Vorgehensweise setzt voraus, dass der Ventilkörper (wenigstens abschnittsweise) elektrisch leitend ist.
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7 zeigt eine weitere Variante für ein erfindungsgemäßes Verfahren. Hier wird, wie im zweiten Bild von links gezeigt, der Ventilkörper 4 zunächst mit einem Stangenkörper 32, der wiederum an einer Beaufschlagungseinrichtung 35 angeordnet ist, nach unten gedrückt, sodass erwärmtes Medium entlang der Pfeile P4 in den Ventilraum 2 eintreten und den Ventilkörper 4 beim Durchströmen erwärmen kann. Anschließend wird, wie im zweiten Bild von rechts gezeigt, der Ventilkörper 4 wiederum durch Federkraft in den Ventilsitz 6 eingepresst, um so im Ergebnis das in der rechten Figur gezeigte dichte Ventil 1 zu erhalten.
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Bei dem in 8 gezeigten Verfahren handelt es sich bei dem Ventil um ein gesteuertes Ventil, d. h. der Ventilkörper 4 kann durch eine Spulenanordnung 36 in seiner Längsrichtung L bewegt werden. Wie in dem zweiten Bild von links gezeigt, wird auf diese Weise der Ventilkörper bei der Beaufschlagung der Spulenanordnung mit einem Strom nach unten gezogen, sodass auch hier ein warmes Medium das Ventil 1 durchströmen kann. Anschließend wird, wie im zweiten Teilbild von rechts gezeigt, der Strom abgeschaltet und die Federungseinrichtung 14 drängt den Ventilkörper 4 in seinen Ventilsitz 6. Auch hier kann auf diese Weise ein dichtes Ventil erhalten werden.
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Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
