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Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung für einen Druckgasspeicher nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem die Erfindung die Verwendung einer derartigen Ventileinrichtung.
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Ventileinrichtungen für Druckgasspeicher sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Bei den Druckgasspeichern kann es sich insbesondere um Hochdruckspeicher für komprimiertes Erdgas oder für Wasserstoff handeln. Bei Wasserstoff sind dabei Nenndrücke von 350 oder 700 bar derzeit die Regel. Die Ventileinrichtung kann insbesondere als Ventileinrichtung an und typischer teilweise im Druckgasspeicher ausgebildet sein. Eine solche Ventileinrichtung wird auch als On Tank Valve (OTV) bezeichnet. Beispielhaft kann hierzu auf die
DE 600 16 916 T2 verwiesen werden. Diese Ventileinrichtung weist einen Druckregler sowie ein Überdruckventil und eine Entlüftung auf. Neben diesen Komponenten ist typischerweise in derartigen Ventileinrichtungen in jedem Fall ein ansteuerbares Absperrventil vorhanden, welches beispielsweise in Abhängigkeit der Verbraucher für das Gas, typischerweise elektrisch, angesteuert wird. Aus Sicherheitsgründen ist außerdem ein manuelles Absperrventil vorhanden, welches insbesondere bei Wartungsarbeiten oder dergleichen manuell betätigt werden kann. Es dient dazu, in dieser Situation, beispielsweise wenn nicht sicher ist, ob das ansteuerbare Absperrventil sicher und zuverlässig während der Wartung geschlossen bleibt, oder wenn dieses stromlos geschaltet wird, den Druckgasspeicher sicher abzusperren. Außerdem ist typischerweise ein Ablassventil bzw. Entlüftungsventil vorhanden, um bei Bedarf den Überdruck abzulassen. Der Aufbau ist dabei außerordentlich komplex und erfordert eine Vielzahl von Dichtungen, Schnittstellen, Ventilkörpern und dergleichen. Der Aufbau ist damit entsprechend groß, aufwendig und teuer in der Herstellung und sehr kompliziert in der Montage und der Wartung, was ebenfalls zu hohen Kosten führen kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Ventileinrichtung für einen Druckgasspeicher mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Ventileinrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Ventileinrichtung sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben. Eine besonders bevorzugte Verwendung der Ventileinrichtung ergibt sich aus den Merkmalen in Anspruch 7, vorteilhafte Weiterbildungen hiervon sind ebenfalls in den abhängigen Unteransprüchen genannt.
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Bei der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung ist es vorgesehen, dass das manuelle Absperrventil und das Ablassventil als ein integriertes Ventil ausgebildet sind. Durch diese Integration der Funktionalität des manuellen Absperrens ergeben sich entscheidende Vorteile. So ist beispielsweise durch die Kombination die Anzahl der Schnittstellen innerhalb der Ventileinrichtung reduziert, wodurch weniger Montageaufwand, weniger Einzelteile und insbesondere weniger Dichtungen anfallen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein Grundkörper der Ventileinrichtung weniger Einzelteile aufnehmen muss und dementsprechend weniger Bohrungen für die Ventileinrichtungen aufweisen muss. Hierdurch lässt sich bei gleichem Bauvolumen die Festigkeit des Grundkörpers der Ventileinrichtung entsprechend steigern, ohne dass teuere Materialien mit höherer Festigkeit eingesetzt werden müssen. Für das kompakte und einfache Design ergeben sich außerdem Vorteile hinsichtlich des Gewichts.
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Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung ist es dabei vorgesehen, dass das integrierte Ventil einen axial verschieblichen Ventilschieber aufweist, welcher einen ersten Durchlassbereich und einen zweiten Durchlassbereich und dazwischen einen Abdichtbereich aufweist. Dabei ist ein Gaseinlass und ein Gasauslass sowie ein Entlüftungseinlass und ein Entlüftungsauslass vorgesehen. Diese wirken mit dem Ventilschieber zusammen. Dieser besonders einfache Aufbau über einen Ventilschieber mit einem Abdichtbereich und zwei Durchlassbereichen seitlich neben diesem Abdichtbereich erlaubt einen einfachen Aufbau, bei dem beispielsweise der Ventilschieber, welcher insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildet ist, in einer Bohrung aufgenommen sein kann, welche in dem Grundkörper der Ventileinrichtung angeordnet ist. Die Bohrung steht mit Auslass- und Einlassleitungen in Verbindung, sodass der Ventilschieber je nach axialer Stellung entsprechende Dichtaufgaben übernehmen, und Einlass- und Auslassleitungen gezielt absperren und/oder verbinden kann.
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In einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist es dabei vorgesehen, dass der Gaseinlass und der Gasauslass sowie der Entlüftungseinlass und der Entlüftungsauslass so mit dem Ventilschieber zusammenwirken, dass in einer ersten Position des Ventilschiebers der Gaseinlass und der Gasauslass beide mit dem ersten Durchlassbereich verbunden sind, und dass der Entlüftungseinlass und der Entlüftungsauslass mit dem Abdichtbereich verbunden sind. In einer zweiten Position des Ventilschiebers sind dann der Gaseinlass und der Gasauslass sowie der Entlüftungseinlass und der Entlüftungsauslass alle mit dem Abdichtbereich verbunden. In einer dritten Position des Ventilschiebers sind der Gaseinlass und der Gasauslass beide mit dem Abdichtbereich verbunden und der Entlüftungseinlass und der Entlüftungsauslass sind mit dem zweiten Durchlassbereich verbunden. Über diesen konkreten Aufbau der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung ist es möglich, je nach Stellung des Ventilschiebers drei verschiedene Zustände zu realisieren. Der erste Zustand wäre beispielsweise eine sogenannte Grundstellung in der der Gaseinlass und der Gasauslass über den ersten Durchgangsbereich miteinander verbunden sind. In dieser Situation ist das manuelle Absperrventil geöffnet. Gleichzeitig ist in dieser ersten Position des Ventilschiebers der Entlüftungseinlass und der Entlüftungsauslass mit dem Abdichtbereich verbunden, also gegeneinander abgedichtet. Es findet keine Entlüftung statt. In einer zweiten Position sind alle Einlässe bzw. Auslässe mit dem Abdichtbereich verbunden, sodass sowohl das manuelle Absperrventil abgesperrt ist als auch die Entlüftung sicher verschlossenen ist. In einer dritten Position ist dann bei weiterhin verschlossenem Absperrventil lediglich die Entlüftung freigegeben, indem der Entlüftungseinlass und der Entlüftungsauslass mit dem zweiten Durchlassbereich verbunden sind. Hierbei entsteht ein sehr einfacher und effizienter Aufbau, welcher alle notwendigen Schaltstellungen, welche bisher durch zwei einzelne Ventile realisiert worden sind, in einem einzigen integrierten Ventil umfasst.
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Nach einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung ist darüber hinaus ein Temperatursensor vorgesehen. Dieser Temperatursensor kann insbesondere so vorgesehen sein, dass er die Temperatur im Inneren des Druckgasspeichers misst. Er kann dann insbesondere im Bereich der Ventileinrichtung über einen Anschluss, beispielsweise mit einer Steuerungselektronik oder dergleichen, verbunden werden, welche beispielsweise ein temperaturgesteuertes Überdruckablassventil in der Ventileinrichtung ansteuert. Auch andersartige Aufgaben, bei welchen die Kenntnis der die Temperatur wichtig ist, können einfach und effizient erfüllt werden, beispielsweise die Berechnung des Inhalts des Druckgasspeichers oder dergleichen.
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Über die erfindungsgemäße Ventileinrichtung entsteht ein sehr einfacher Aufbau, welche insbesondere eine sichere und zuverlässige Funktionalität der Ventileinrichtung in Verbindung mit dem Druckgasspeicher gewährleistet und darüber hinaus allen Sicherungsanforderungen genügt. Der Aufbau eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem Druckgasspeicher, an – oder zumindest teilweise in – welchem die Ventileinrichtung entsprechend montiert wird. Die Ventileinrichtung ist also in dieser bevorzugten Verwendung ein sogenanntes On Tank Valve.
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In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es dabei vorgesehen, dass der Druckgasspeicher Gas bei einem Nenndruck von mehr als 300 bar, insbesondere mehr als 600 bar, speichert. Die Speicherung von Gas unter hohem Druck ist die bevorzugte Verwendung für die erfindungsgemäße Ventileinrichtung, welche derart hohe Drücke leicht handhaben kann und dabei sehr sicher, einfach und zuverlässig realisiert ist. Bei dem Gas kann es sich dabei insbesondere um Wasserstoff handeln. In diesem Fall liegt die bevorzugte Verwendung des Druckgasspeichers in der Speicherung von gasförmigem Brennstoff, beispielsweise Erdgas, insbesondere jedoch Wasserstoff, in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Brennstoffzellenfahrzeug. Insbesondere in Brennstoffzellenfahrzeugen, in welchen Wasserstoff unter sehr hohem Druck, beispielsweise einem Nenndruck von 700 bar oder mehr, gespeichert wird, stellt der einfache und zulässige Aufbau der Ventileinrichtung einen erheblichen Vorteil dar. Insbesondere spielen auch Sicherheitsaspekte, beispielsweise für die Wartung, eine große Rolle, welche durch die erfindungsgemäße Ventileinrichtung mit integriertem Ablassventil und manuellem Absperrventil ideal erfüllt werden können.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung sowie ihrer Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Druckgasspeicher;
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2 eine schematische Darstellung des für die Erfindung relevanten Teils einer Ventileinrichtung an dem Druckgasspeicher in einer ersten Position;
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3 Ausschnitt aus der Darstellung gemäß 2 in einer zweiten Position;
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4 Ausschnitt aus der Darstellung gemäß 2 in einer dritten Position;
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5 Beispiel für einen möglichen Aufbau des relevanten Ausschnitts der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung in einer ersten Position;
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6 Beispiel für den Aufbau des relevanten Ausschnitts der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung in einer zweiten Position; und
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7 Beispiel für den Aufbau des relevanten Ausschnitts der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung in einer dritten Position.
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In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßiges angeordnetes Brennstoffzellenfahrzeug 1 zu erkennen. Den Kern des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 bildet eine Brennstoffzelle 2, welche beispielsweise als PEM-Brennstoffzellenstack aus einer Vielzahl von Einzelzellen aufgebaut ist. Die von der Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Leistung gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Leistungselektronik 3 zu einem elektrischen Motor 4, welcher zum Antrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 vorgesehen ist. Der Aufbau ist dabei außerordentlich stark vereinfacht, da er für die Erfindung eine untergeordnete Rolle spielt. Für den Fachmann ist jedoch klar, wie er diesen Aufbau konkret auszuführen hat. In der Brennstoffzelle 2 umfasst jede der hierin verbauten Einzelzellen einen Kathodenraum 5 und einen Anodenraum 6, von welchem hier lediglich jeweils einer beispielhaft angedeutet ist. Dem Kathodenraum 5 wird Luft aus der Umgebung über eine Luftfördereinrichtung 7, beispielsweise einem Kompressor, einem Gebläse oder dergleichen, zugeführt. Im hier dargestellten, stark vereinfachten Ausführungsbeispiel gelangt die Abluft an die Umgebung. Dem Kathodenraum 6 der Brennstoffzelle 2 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 8 zugeführt. Der Druckgasspeicher 8, welcher beispielsweise als Druckgasspeicher für einen Nenndruck von 700 bar ausgelegt ist, weist dabei eine Ventileinrichtung 9 auf, welche insbesondere als On Tank Valve (OTV) ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die Ventileinrichtung 9 an den Druckgasspeicher angebracht ist, und insbesondere ein Teil der Ventileinrichtung 9, in den Druckgasspeicher hineinragt. Diese Ventileinrichtung 9, welche den Kern der hier beschriebenen Technik darstellt, wird nachfolgend anhand der 2 bis 7 näher erläutert.
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In der Darstellung der 2 ist eine schematische Darstellung der relevanten Bauteile der Ventileinrichtung 9 zu erkennen. Diese sind in einem Anschlussflansch 10 des in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Druckgasspeichers 8 eingebracht, beispielsweise eingeschraubt. Die Ventileinrichtung 9 umfasst in dem hier dargestellten stark vereinfachten Ausführungsbeispiel ein Druckablassventil 11, welches beispielsweise in Abhängigkeit der Temperatur T, welche in der Ventileinrichtung 9 oder im Inneren des Druckgasspeichers 8 gemessen werden kann, ein Ablassen des gespeicherten Gases im Notfall bewirkt. Über einen parallelen Anschlusszweig in der Ventileinrichtung 9 ist ein ansteuerbares Absperrventil 12 zu erkennen, welches beispielsweise elektrisch angesteuert werden kann, und welches typischerweise in seinem hier dargestellten Normalzustand, also ohne Energie im Bereich der Ansteuerung, geschlossen ist. Den wesentlichen Teil des hier dargestellten Schemas der Ventileinrichtung 9 bildet ein integriertes Ventil 13, welches ein manuell betätigbares Ablassventil und ein manuell betätigbares Absperrventil umfasst. Das integrierte Ventil 13 weist dafür einen Gaseinlass 14 und einen Entlüftungseinlass 15, welcher parallel zu dem ansteuerbaren Absperrventil 12 verläuft, auf. Außerdem ist ein Gasauslass 16 und ein Entlüftungsauslass 17 vorgesehen. Über eine manuelle Betätigungseinrichtung, welche hier als Kurbel 18 beispielhaft angedeutet ist, lässt sich das integrierte Ventil 13 von der in 2 dargestellten Position entsprechend des mit 19 bezeichneten Pfeils bewegen, beispielsweise indem über ein Gewinde eine rotatorische Bewegung der Kurbel 18 in eine translatorische Bewegung des integrierten Ventils 13 bzw. eines später noch näher dargestellten Ventilschiebers 20 umgesetzt wird. Die erste in der Darstellung der 2 erkennbare Position könnte auch als Grundposition des integrierten Ventils 13 bezeichnet werden. In dieser Position sind der Gaseinlass 14 und der Gasauslass 16 miteinander verbunden, während der Entlüftungseinlass 15 und der Entlüftungsauslass 17 gegeneinander gesperrt sind. In dieser Grundstellung des integrierten Ventils 13 kann beispielsweise durch ein Öffnen des ansteuerbaren Absperrventils 12 die Gasversorgung der Brennstoffzelle 2 in dem Fahrzeug 1 vorgenommen werden. Wird das integrierte Ventil 13 bzw. sein hier nicht dargestellter Ventilschieber 20 entsprechend des mit 19 bezeichneten Pfeils bewegt, dann wechselt das integrierte Ventil 13 in die zweite in 3 dargestellte Position. In dieser zweiten Position erfüllt die integrierte Ventileinrichtung 13 die Aufgabe des manuellen Absperrventils, indem der Gaseinlass 14 gegenüber dem Gasauslass 16 entsprechend abgesperrt wird. Der Entlüftungseinlass 15 und der Entlüftungsauslass 17 bleiben dabei weiterhin gegeneinander abgesperrt. Bei einer weiteren Bewegung der integrierten Ventileinrichtung 13 in die in 4 dargestellte dritte Position kommt es zu der Funktionalität des Entlüftungsventils, über welches Gas aus dem Druckgasspeicher 3 durch die manuelle Betätigung der Kurbel 18 abgelassen werden kann. In dieser Situation ist der Entlüftungseinlass 15 mit dem Entlüftungsauslass 17 verbunden. Der Gaseinlass 14 bleibt gegenüber dem Gasauslass 16 weiterhin abgesperrt, sodass in dieser dritten Position lediglich die Entlüftungsfunktion realisiert ist.
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Ein möglicher konkreter Aufbau des integrierten Ventils 13 ist in der Darstellung der 5 bis 7 jeweils wieder in denselben Positionen wie in den Darstellungen der 2 bis 4 zu erkennen. Die integrierte Ventileinrichtung 13 besteht aus einer Bohrung 21, welche beispielsweise seitlich mit dem Gaseinlass 14, dem Entlüftungseinlass 15, dem Gasauslass 16 und dem Entlüftungsauslass 17 in fluidischer Verbindung steht. In der Bohrung 21 befindet sich ein Ventilschieber 20, welcher wiederum gemäß der mit mit Doppelpfeil 19 bezeichneten axialen Richtung verschieblich ist. Die Verschiebung kann dabei rein translatorisch oder wie oben bereits erwähnt durch die Umsetzung einer rotatorischen Bewegung in eine translatorische Bewegung beispielsweise über ein Gewinde erfolgen. Der Ventilschieber 20 umfasst in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Bereiche mit unterschiedlichem Durchmesser. Ein erster Bereich 22 mit verringertem Durchmesser dient als Durchlassbereich, welcher in der Darstellung der 5 den Gaseinlass 14 mit dem Gasauslass 16 über den diesen Durchlassbereich 22 des Ventilschiebers 19 umgebenden Ringspalt der Bohrung 21 verbindet. Im Anschluss an diesen Bereich, in der Darstellung der 5 links, befindet sich ein Abdichtbereich 23, welcher einen so großen Durchmesser aufweist, dass in der Bohrung 21 zwischen dem Abdichtbereich 23 und der Wandung der Bohrung 21 kein Ringspalt verbleibt. In der Darstellung der 5 steht der Entlüftungseinlass 15 und der Entlüftungsauslass 17 mit diesem Abdichtbereich 23 in Verbindung, sodass diese gegeneinander und gegenüber dem ersten Durchlassbereich 22 entsprechend abgedichtet sind. Der Darstellung der 5 links des Abdichtbereichs 23 folgt ein weiterer zweiter Durchlassbereich 24, welcher ebenfalls einen Ringspalt freilässt, welcher bei Bedarf Leitungselemente miteinander verbinden kann. Jeweils rechts und links der beiden Durchlassbereiche 22, 24 befinden sich weitere Bereiche, in denen der Durchmesser des Ventilschiebers 20 in etwa dem Durchmesser der Bohrung 21 entspricht. Der ganz links gezeigte, mit 25 bezeichnete Bereich dient dabei lediglich der Führung des Ventilschiebers 20. Falls die Bohrung 21 nicht als Sacklochbohrung, wie hier dargestellt, ausgeführt wäre, sondern als Durchgangsbohrung realisiert wäre, dann müsste der Bereich 25 ebenfalls als Abdichtbereich ausgebildet sein. Der am gegenüberliegenden Ende des aktiven Bereichs des Ventilschiebers 20 liegende, mit 26 bezeichnete Bereich dient einerseits der Führung des Ventilschiebers 20 und andererseits dazu, in der in 5 dargestellten Position die Verbindung des Gaseinlasses 14 mit dem Gasauslass 16 über den Ringspalt, welcher den Durchlassbereich 22 umgibt, gegenüber dem Bereich, in dem die Betätigungseinrichtung für den Ventilschieber sitzt, abzudichten.
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In der Darstellung der 6 ist nun die zweite Position des Ventilschiebers 20 dargestellt. Dieser ist gemäß des mit 19 bezeichneten Doppelpfeils verschoben worden, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel, wie es zu erkennen ist, nach rechts. Hierdurch werden sowohl der Gaseinlass 14 als auch der Gasauslass 16 ebenso wie der Entlüftungseinlass 15 und der Entlüftungsauslass 17 durch den Abdichtbereich 23 abgedichtet, sodass sämtliche Verbindungen innerhalb des integrierten Ventils 13 blockiert sind. In der Darstellung der 7 ist letztlich die dritte, oben bereits erläuterte Position anhand des konkreten Ausführungsbeispiels dargestellt. Der Ventilschieber 20 ist noch weiter nach rechts in der Darstellung der 7 verschoben worden. Der Abdichtbereich 23 dichtet wiederum den Gaseinlass 14 und den Gasauslass 16 sowohl gegeneinander als auch gegenüber den beiden Durchlassbereichen 22, 24 ab. Der Entlüftungseinlass 15 steht über den zweiten Durchlassbereich 24 bzw. den ihn umgebenden Ringspalt mit dem Entlüftungsauslass 17 in Verbindung, sodass der Ventilschieber 20 in der Darstellung in 7 sich in seiner Entlüftungsposition befindet und die integrierte Ventileinrichtung 13 als Entlüftungsventil genutzt wird.
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Der hier geschilderte konkrete Aufbau ist dabei rein beispielhaft zu verstehen, er kann ebenso andersartig ausgeführt sein, beispielsweise mit rein translatorisch bewegbaren Ventilschiebern, welche nicht rotationssymmetrisch, sondern beispielsweise viereckig oder quadratisch ausgeführt sind oder mit andersartigen Kombinationen von Ventilkörpern und Ventilsitzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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