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Die Erfindung betrifft ein Entnahmeventil für unter Überdruck stehendes Gas aus einem Druckgasspeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Entnahmeventils.
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Entnahmeventile für unter Überdruck stehende Gase aus einem Druckgasspeicher, insbesondere für komprimiertes Erdgas oder komprimierten Wasserstoff, welche typischerweise bei Nenndrücken von 260 bar bzw. 700 bar gespeichert werden, sind an sich aus den allgemeinen Stand der Technik bekannt. Über ein Entnahmeventil im Sinne der Erfindung kann dabei nicht nur Gas entnommen, sondern auch in den Druckgasspeicher getankt werden. Typischerweise erfolgt der Aufbau dabei als sogenanntes Pilot-Ventil, bei welchem über ein eingestelltes Verhältnis von Pilot-/Baypassbohrungen bzw. Steuerbohrungen der Druck des Gases in einer Druckhülse, welche weitere Betätigungselemente des Entnahmeventils aufweist, unterstützend zum Öffnen bzw. Schließen des Entnahmeventils bzw. eines einen Entnahmequerschnitt steuernden Entnahmekolbens des Ventils eingesetzt wird.
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Ein gattungsgemäßes Entnahmeventil wird insbesondere in der
EP 1 682 801 B1 beschrieben. Die Problematik bei dem dort beschriebenen Aufbau liegt nun insbesondere darin, dass der Entnahmekolben durch eine Druckdifferenz in seiner geöffneten Stellung gehalten werden soll, welche sich dadurch einstellt, dass zur Entnahme vorgesehene Gas sich über Dichtungen, Labyrinthe und Spalte von der einen Seite des Entnahmekolbens zur anderen Seite des Entnahmekolbens ausbreitet. Dabei muss zum Sicherstellen der Funktionalität ein entsprechender Druckunterschied gewährleistet sein. Dieser Druckunterschied sorgt dann für ein Halten des Entnahmekolbens in der geöffneten Stellung. In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass die Spalte, Labyrinthe und Dichtungen für keinen ausreichenden Druckunterschied sorgen, um die gewünschte Funktionalität zu gewährleisten. Dies ist zwar im Prinzip denkbar, erfordert jedoch eine sehr detaillierte Auslegung der Dichtungen auf der Basis zahlreicher experimenteller, analytischer und numerischer Untersuchungen, um den entsprechenden Druckunterschied bereitzustellen. Daher muss im Bereich der Dichtungen eine außerordentlich hohe Fertigungstoleranz eingehalten werden. Durch die Betätigung kommt es dann jedoch zu Verschleiß der Dichtungen, sodass bereits nach geringer Lebensdauer die gewünschten Verhältnisse nicht mehr eingehalten werden können und sich wieder die Problematik einstellt, dass der Entnahmekolben in bestimmten Situationen ungewollt schließt. Dieser kann dann zwar durch elektromagnetische Kräfte wieder geöffnet werden. Dies führt jedoch zu einem „Flattern” des Entnahmekolbens, welches einerseits für einen sehr diskontinuierlichen Entnahmestrom und andererseits für eine erhöhte Lärmemission sorgt. Darüber hinaus bewirkt das Flattern für einen enormen zusätzlichen Verschleiß innerhalb des elektromagnetischen Entnahmeventils, sodass seine Lebensdauer nachteilig beeinträchtigt ist. Ferner verstärkt sich das Phänomen mit zunehmendem Verschleiß immer mehr.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Entnahmeventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches diese Nachteile vermeidet und einen einfachen, zuverlässigen, eigensicheren und langlebigen Aufbau des Entnahmeventils gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 14 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung des Entnahmeventils angegeben.
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Das erfindungsgemäße Entnahmeventil sieht es, ähnlich wie das Entnahmeventil im Stand der Technik, vor, dass ein beweglicher Entnahmekolben vorhanden ist, welcher durch seine Bewegung einen Entnahmequerschnitt freigibt oder verschließt. Er ist auf der offenen Seite einer Druckhülse zumindest teilweise in diese ragend ausgebildet. Außerdem ist um die Druckhülse herum eine elektromagnetische Spule angeordnet. In der Druckhülse ist ein beweglicher Anker positioniert, welcher aus einem magnetisierbaren -und gegen die gespeicherten Medien resistenten – Material besteht, und welcher hierdurch bei Beaufschlagung der Spule mit elektrischer Leistung entsprechend bewegt werden kann. Der Entnahmekolben weist analog zum Stand der Technik eine Pilotbohrung auf, welche das Innere der Druckhülse mit einer Abströmöffnung für das entnommene Gas verbindet. Ein Dichtelement wird über ein Federelement abdichtend gegen die Pilotbohrung gepresst und kann über eine Wirkverbindung zwischen dem Dichtelement und dem Anker bei einer Bewegung des Ankers die Pilotbohrung freigeben. Erfindungsgemäß ist nun so, dass der Entnahmekolben auf seiner dem Anker zugewandte Seite zumindest teilweise aus magnetisierbarem oder permanentmagnetischem Material ausgebildet ist. Eine solche Ausgestaltung des Entnahmekolbens zumindest auf seiner dem Anker zugewandten Seite aus magnetisierbarem Material oder aus einem permanentmagnetischen Material sorgt dafür, dass in der geöffneten Stellung des Ankers, wenn dieser von magnetischen Feldlinien durchdrungen wird, ein Teil dieser Feldlinien durch das magnetisierbare Material verläuft oder mit dem permanentmagnetischen Material zusammenwirkt. Hierdurch wird der Entnahmekolben bei bestromter Spule und damit erzielter Geöffnet-Stellung des Ankers durch Magnetkräfte in Richtung des Ankers gezogen und in dieser Position gehalten. Ein unbeabsichtigtes Verschließen der Pilotbohrung durch das mit dem Anker zusammenwirkende Dichtelement kann so sicher und zuverlässig verhindert werden, solange die Spule bestromt ist. Hierdurch wird eine sehr einfache und sichere Funktionalität erzielt, welche insbesondere weitgehend unabhängig von einer exakt ausgestalteten Abdichtung zwischen der einen und der anderen Seite des Entnahmekolbens entlang des Spalts oder Labyrinths zwischen dem Entnahmekolben und der Druckhülse ist. Dementsprechend kann auf Dichtungselemente verzichtet werden, was den Aufbau sehr viel einfacher und effizienter macht. Es reicht vielmehr eine einfach herzustellende Passung, sodass der Entnahmekolben sich zuverlässig bewegen kann, aus.
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Das erfindungsgemäße Entnahmeventil kann dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung zwischen dem Anker und der verschlossenen Seite der Druckhülse einen Kern aus einem magnetisierbaren Material aufweisen. Ein solcher Kern anstelle eines zweiten ankerartigen Elements, wie es im Stand der Technik beschrieben ist, macht den Aufbau nochmals deutlich einfacher und zuverlässiger. Der Kern kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dabei insbesondere in die Druckhülse eingepresst und damit vergleichsweise fest und im Normalbetrieb unbeweglich mit dieser verbunden sein.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Idee ist es ferner vorgesehen, dass ein Luftspalt zwischen dem Kern und dem Anker ausgebildet ist, welcher bei Bestromung der Spule durch eine Bewegung des Ankers gegen die Kraft des Federelements verschließbar ist. Die Spule weist, vergleichbar wie im Stand der Technik, ein Spulenjoch auf, welcher im Bereich dieses Luftspalts um den Umfang der Druckhülse herum entsprechend unterbrochen ist. Kommt es nun zu einer Bestromung der Spule, verlaufen magnetische Feldlinien durch den Spulenjoch. Durch die Unterbrechung können sie im Spulenjoch nicht mehr weitergeleitet werden. Sie gelangen dann durch die idealerweise unmagnetisch ausgebildete Druckhülse in den Bereich des Kerns und „möchten” über den Luftspalt hinweg durch den Anker zurück zum Spulenjoch fließen. Hierdurch wird ein Anziehen des Ankers gegen den Kern erreicht, sodass der Luftspalt zwischen dem Kern und dem Anker geschlossen wird, wenn die Spule bestromt ist. Der Anker wird dabei bewegt und nimmt über die Wirkverbindung zwischen dem Anker und dem Dichtelement dieses mit, sodass die Pilotbohrung beim Bestromen der Spule durch die Bewegung des Ankers in der gewünschten Art und Weise freigegeben wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass ein weiterer Luftspalt zwischen dem Anker und dem Entnahmekolben ausgebildet ist, wobei wenigstens ein Anschlagelement vorgesehen ist, durch welches ein vollständiges Schließen des Luftspalts verhindert wird. Der weitere Luftspalt zwischen dem Anker und dem Entnahmekolben sorgt, analog zu dem oben genannten Luftspalt, falls dieser ebenfalls vorhanden ist, ansonsten jedoch auch, dafür, dass ein Teil der magnetischen Feldlinien in den Bereich des Entnahmekolbens wandert, welcher aus magnetisierbarem oder permanentmagnetischem Material besteht. Hierdurch wird der Entnahmekolben bei bestromter Spule gegen den Anker gezogen und wird, solange die Spule bestromt ist, in dieser Position festgehalten. Hierdurch ist eine sichere und zuverlässige Positionierung des Entnahmekolbens in der Position, in der er den Entnahmequerschnitt freigibt, gewährleistet, solange die Spule bestromt ist. Durch das Anschlagelement wird außerdem erreicht, dass der Luftspalt zwischen dem Anker und dem Entnahmekolben in jedem Fall eine gewisse Restgröße aufweist, sodass die Haftungskräfte nicht so groß werden, dass eine dauerhafte Anhaftung beim Abschalten erhalten bleibt, welche durch die Druckverhältnisse beim Abschalten des Stroms in der Spule nicht mehr rückgängig gemacht werden kann oder das Anithaftscheiben z. B. aus Kunststoff oder unmagnetischem Material benötigt werden.
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Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung des Aufbaus mit einem oder zwei Luftspalten sind der Anker sowie der Kern und/oder der Entnahmekolben auf ihrer wenigstens einem der Luftspalte zugewandten Seite jeweils mit wenigstens einem Konus versehen. Ein solcher Konus im Sinne der Erfindung besteht darin, dass das Material des einen feldlinienführenden beteiligten Elements, beispielsweise des Ankers, in einem Randbereich, oder bei einer kreisringförmigen Fläche auch im äußeren und im inneren Umfangsbereich, sich entsprechend verjüngt und dass das Material des anderen Bauteils auf der gegenüberliegenden Seite des Luftspalts, also beispielsweise des Kerns und/oder des Entnahmekolbens, sich genau in diesen Bereich hinein erstreckt. Im Bereich dieses als Konus bezeichneten Abschnitts wird die Größe des Luftspalts bei ansonsten voller Breite des Luftspalts entsprechend verringert, sodass ein verkleinertes Anzugsmoment und damit ein Anziehen der Teile über den Luftspalt hinweg bereits bei kleineren Strömen erfolgt. Die zwischen den Elementen wirkenden Anziehungskräfte werden also durch gezielte Feldlinienführung (Sättigungseffekt) vergrößert. Dies verbessert das Ansprechverhalten und ermöglicht ein sehr schnelles Anziehen mit einer vergleichsweise geringen Stromstärke in der elektromagnetischen Spule und maximaler Reluktanzkraft im Gewünschten Arbeitspunkt.
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In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Entnahmeventils kann es nun ferner vorgesehen sein, dass der Anker tailliert ausgeführt ist und nur an seinen dem Entnahmekolben und dem verschlossenen Ende der Druckhülse zugewandten Enden mit der Druckhülse in gleitender Verbindung steht. Der Anker kann also als rotationssymmetrischer taillierter Anker ausgebildet sein. Er steht nur an seinem oberen und an seinem unteren Ende über entsprechend bearbeitete – beispielsweise polierte oder rollierte – Flächen mit der Druckhülse in gleitender Verbindung, während im Zwischenbereich durch die Taillierung keine Berührung zwischen der Druckhülse und dem Anker auftritt. Hierdurch werden die Reibungskräfte zwischen dem Anker und der Druckhülse minimiert, was zu einem verbesserten und schnelleren Ansprechverhalten bei weniger Strombedarf in der Spule zum Betätigen des Ankers führt. Ferner wird so die Gefahr eines Verkantens des Ankers und die Reibhaftungsbedingte Hysterese reduziert. Befinden sich die Lagerbereiche mit dem maximalem Durchmesser an den jeweiligen Enden des Ankers wird außerdem die Feldlinienführung zum Spulenjoch durch die Anordnung der unterschiedlich breiten Luftspalte begünstigt.
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Eine weitere günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Entnahmeventils sieht es vor, dass der Entnahmekolben auf der der Pilotbohrung abgewandten Seite wenigstens eine Dichteinrichtung aufweist, welches mit einem Gegenelement eines Ventilsitzes zusammenwirkt und zum Abdichten des Entnahmequerschnitts ausgebildet ist. Dieser Aufbau kann dabei sowohl eine Dichteinrichtung in Form eines weichelastischen Dichtmaterials, wie beispielsweise eines Polymer-, Kautschuk- oder (Hart-)Kunststoffelements (z. B. PEEK), im Bereich des Entnahmekolbens als auch im Bereich des Gegenelements vorsehen. Insbesondere ist es jedoch auch möglich, eines der Elemente beispielsweise aus einem gegen das entnommene Gas beständigen Kunststoff- oder Polymermaterial auszubilden und das andere Element, beispielsweise die Dichteinrichtung oder das Gegenelement, metallisch auszubilden, beispielsweise mit einer in das Gegenelement bzw. die Dichteinrichtung drückenden Dichtkante.
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Ferner kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung die Dichteinrichtung einen außen liegenden mit dem unter Druck stehenden Gas verbunden Ringraum gegenüber einer zentralen Entnahmeöffnung abdichten, welche ferner über die Abströmöffnung mit der Pilotbohrung verbunden ist. In der verschlossenen Stellung kann der Entnahmekolben so das Gas sicher und zuverlässig abdichten. Über die Pilotbohrung, welche typischerweise einen sehr geringen Durchmesser aufweist, werden auch bei hohem Überdruck in dem Druckgasspeicher nur geringe Kräfte auf das über das Federelement gegen die Pilotbohrung vorgespannte Dichtelement ausgeübt, sodass bei entsprechend geringem Durchmesser der Pilotbohrung und geeigneter Auslegung des Federelements sowie dem eben beschriebenen Aufbau zur Abdichtung des Hauptentnahmekanals eine sehr gute und zuverlässige Abdichtung durch das Entnahmeventil erzielt werden kann. Dies kann bei geringen Betätigungskräften erreicht werden.
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In einer außerordentlich günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Entnahmeventils ist nun außerdem vorgesehen, das der Entnahmekolben einstückig aus magnetisierbarem und medienbeständigem Material ausgebildet ist. Eine solche einstückige Ausbildung des Entnahmekolbens ist hinsichtlich seiner Herstellung außerordentlich einfach und effizient. Er muss dann, um die gewünschte Eigenschaft zum Anziehen des Entnahmekolbens an den Anker bei bestromter Spule zu erzielen, in seiner Gesamtheit aus einem magnetisierbaren Material hergestellt werden. Dies ist einfach und effizient möglich, wobei verschiedene Materialen denkbar sind, beispielsweise das Material 1.4016IM, welches auch für den Kern und den Anker entsprechend eingesetzt werden kann. Falls dies nicht gewünscht ist, reicht es auch aus, einen Ring dieses Materials in den Entnahmekolben beispielsweise aus einem unmagnetischem Material entsprechend einzusetzen. Der Einsatz von Permanentmagneten ist im Prinzip auch denkbar, diese sind insbesondere, wenn über das Entnahmeventil Wasserstoff entnommen werden soll, jedoch sehr kritisch hinsichtlich ihrer Anfälligkeit gegenüber Wasserstoff, und müssen dann entsprechend gekapselt werden, z. B. wasserstoffdicht und chemisch resistent beschichtet werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass die Dichteinrichtungen einstückig mit dem Entnahmekolben ausgebildet sind. Bei dieser Ausgestaltung ist im Entnahmekolben als Dichteinrichtung beispielsweise eine Dichtkante vorgesehen. Sie wirkt dann mit einem Gegenelement beispielsweise aus Kunststoff oder einem gegen Wasserstoff oder gegen das sonst zu entnehmende Gas beständige Polymer und/oder (Hart-)Kunststoff zusammen, um eine ausreichende Abdichtung zu erzielen. Der Aufbau des Entnahmekolbens wird hierdurch außerordentlich einfach.
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Wie bereits erwähnt, kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Druckhülse aus einem unmagnetischen Material ausgebildet ist. Dies stellt sicher, dass die magnetischen Feldlinien in der gewünschten Art und Weise in den Anker und den magnetisierbaren Teil des Entnahmekolbens sowie gegebenenfalls den Kern, falls dieser vorhanden ist, eindringen. Als Material für die Druckhülse kann beispielweise das Material 1.4435 oder das diesem chemisch weitgehend entsprechende SUSF316L verwendet werden.
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Eine günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Entnahmeventils sieht es ferner vor, dass die dem Anker zugewandte Seite des Kerns über eine Entlüftungsverbindung mit der dem verschlossenen Ende der Druckhülse zugewandten Seite verbunden ist. Eine solche Entlüftungsöffnung kann beispielsweise eine außen an dem Kern angebrachte Nut, gegebenenfalls auch eine spiralförmig um den Kern umlaufende Nut oder dergleichen, sein. Diese stellt sicher, dass der beim Einpressen des Kerns verbleibende Raum in der Druckhülse oberhalb des Kerns, welcher sich typischerweise dadurch ergibt, dass der Kern stärker angefast ist, als die Fase des Freistichs der Druckhülse, sodass dieser bis zum Anschlag eingeschoben werden kann, mit dem restlichen Teil der Druckhülse verbunden ist. Dieser Bereich kann dann trotz des eingepressten Kerns, insbesondere bei Wasserstoff und Nenndrücken in der Größenordnung von 700 bar mit Gas beaufschlagt werden, was so nicht unbedingt gewollt ist. Durch eine entsprechende Entlüftungsverbindung wird sichergestellt, dass dieses Gas wieder zurück zum Anker und über die Spalten oder die Pilotbohrung aus der Druckhülse gelangen kann, sodass durch an dieser Stelle eingeschlossenes Gas keine unerwünschte Beeinträchtigung der Wirkungsweise des Entnahmeventils auftritt. Ein weiterer Vorteil entsteht dadurch, dass beim Einpressen eingeschlossenes Gas leichter entweichen kann.
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Das Entnahmeventil kann, wie bereits erwähnt, insbesondere bei hohen Drücken eingesetzt werden, beispielsweise für komprimiertes Erdgas, welches typischerweise bei Nenndrücken in der Größenordnung von 260 bar gespeichert wird, oder bei Wasserstoff, welcher derzeit insbesondere bei Nenndrücken von 700 bar gespeichert wird. Insbesondere für solche hohen Drücke stellt das Entnahmeventil bei sehr einfachem Aufbau und eine sehr sichere und zuverlässige Funktionalität bereit. Die bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Entnahmeventils liegt daher in der Entnahme von Gas als Brennstoff für ein Fahrzeug aus einem Druckgasspeicher, in welchem das Gas bei einem Nenndruck von mehr als 250 bar, insbesondere mehr als 650 bar, gespeichert ist. Das Fahrzeug kann dann mit dem entnommenen Gas beispielsweise über einen Verbrennungsmotor angetrieben werden. Insbesondere bei der Speicherung von Wasserstoff kann alternativ zu einem solchen Antrieb durch Verbrennen des Wasserstoffs auch die Verwendung des Wasserstoffs in einer Brennstoffzelle bzw. einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, über welches dann elektrische Antriebsleistung für das Fahrzeug bereitgestellt wird.
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Weitere günstige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Entnahmeventils ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug;
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2 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung durch einen möglichen Aufbau des erfindungsgemäßen Entnahmeventils;
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3 ein Diagramm, welches den Kraft-Weg-Verlauf über dem Luftspalt in 2 schematisch wiedergibt.
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4 eine alternative Ausführungsform des Entnahmeventils analog zur Darstellung in 2;
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5 eine weitere alternative Ausführungsform des Entnahmeventils analog zur Darstellung in 2; und
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6 eine alternative Ausführungsform eines Details in einem Entnahmeventil gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 zu erkennen. In dem Fahrzeug 1 ist ein Druckgasspeicher 2 dargestellt, welcher Teil eines Speichersystems beispielsweise für komprimiertes Erdgas oder Wasserstoff sein kann. Der Druckgasspeicher bzw., wenn mehrere vorhanden sind, jeder der Druckgasspeicher, weist ein angedeutetes Ventil 3, typischerweise ein sogenanntes On-Tank-Valve (OTV) auf. Teil dieses Ventils 3 ist dabei ein Entnahmeventil 4 für das unter dem Überdruck in dem Druckgasspeicher 2 gespeicherte Gas. Dieses ist in der Darstellung der 1 nicht explizit zu erkennen, hierauf wird später jedoch noch näher eingegangen. Das entnommene Gas gelangt zu einem Energiewandler 5, welcher beispielsweise als Verbrennungsmotor oder als Brennstoffzelle ausgebildet sein kann. Er nutzt die in dem Gas gespeicherte Energie, um beispielsweise über eine Verbrennung in einem Hubkolbenmotor mechanische Energie bereitzustellen, oder um beispielsweise in einer Brennstoffzelle aus dem Gas und Sauerstoff aus der Umgebungsluft elektrische Energie zu erzeugen. Rein beispielhaft ist über einen mit 6 bezeichneten gestrichelten Pfeil dieser Energiefluss hin zu einem der Räder 7 dargestellt. Letztlich dient das in dem Druckgasspeicher 2 gespeicherte Gas also um Antriebsenergie für das Fahrzeug 1 bereitzustellen.
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Das Entnahmeventil 4 selbst, welches beispielsweise analog zu dem eingangs genannten Stand der Technik in dem Ventil 3 angeordnet sein kann, ist in der Darstellung der 2 in einer ersten möglichen Ausführungsform in einer schematischen Schnittdarstellung dargestellt. Das Entnahmeventil 4 umfasst dabei eine Druckhülse 9, welche aus einem nicht magnetisierbaren Werkstoff, beispielsweise 1.4435 oder SUSF316L, hergestellt sein kann. Diese sogenannte Druckhülse ist an ihrem einen Ende verschlossen und steht an ihrem anderen Ende, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Dichtung abgedichtet, mit einem kreisringförmigen Raum 10 in Verbindung, welcher über eine gestrichelt angedeutete Leitung 11 mit dem Inneren des Druckgasspeichers 2 verbunden ist. Über Spalte zwischen der Innenwandung der Druckhülse 9 und den darin eingebauten Bauteilen wird sich der Druck in der gesamten Druckhülse 9, zumindest nach einiger Zeit, ausgebreitet haben. Die Druckhülse 9 wird nun von einer auf einer Seite der Druckhülse 9 angedeuteten Spule 12 umgeben. Die Spule 12 weist außerdem einen magnetisierbaren Spulenjoch 13 auf, welcher in einem mittigen Bereich hinsichtlich der axialen Länge der Druckhülse 9 eine Unterbrechung 14 aufweist. Die Spule 12 und der Spulenjoch 13 mit der Unterbrechung 14 sind dabei bevorzugt rotations- oder spiegelsymmetrisch ausgebildet und um die rotationssymmetrisch ausgebildete Druckhülse 9 angeordnet.
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In der Druckhülse 9 sind in der Darstellung der 2 von oben nach unten, also von der verschlossenen Seite der Druckhülse 9 zur offenen Seite der Druckhülse 9 hin, zuerst ein Kern 15 angeordnet, welcher aus magnetisierbarem Material besteht, beispielsweise 1.4016IM. An diesen Kern 15, welcher in die Druckhülse 9 eingepresst ist, schließt sich ein Anker 16 an, welcher beispielsweise aus dem gleichen Material gefertigt sein kann. Im Anschluss an den Anker 16 folgt ein Entnahmekolben 17, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus mehreren Teilen hergestellt ist. Er umfasst in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Dichteinrichtung 18, welche mit einem Gegenelement 19, in diesem Fall einer ebenen Fläche, den ringförmigen mit dem Inneren des Druckgasspeichers 2 in Verbindung stehenden Raum 10 gegenüber einer zentralen Entnahmeöffnung 20 abdichtet, welche mit der Energiewandlereinheit mittelbar in Verbindung steht. Der Entnahmekolben 17 umfasst außerdem ein eingeschraubtes Zentralelement 21 sowie auf seiner dem Anker 16 zugewandten Seite ein Ring 22, welcher beispielsweise als Permanentmagnet, insbesondere jedoch aus magnetisierbarem Material, beispielsweise demselben Material wie der Anker 16 und der Kern 15, ausgebildet ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Rest des Entnahmekolbens 17 mit Ausnahme der Dichtungen 18 dann beispielsweise aus einem nicht magnetisierbaren Material, beispielsweise dem Material der Druckhülse 9, ausgebildet werden. In dem dem verschlossenen Ende der Druckhülse 9 zugewandten Bereich des Entnahmekolbens 17 ist außerdem eine Pilotbohrung 23 zu erkennen, welche typischerweise als Bohrung mit sehr kleinem Durchmesser, beispielsweise einem Durchmesser von einigen 10 bis einigen 100 μm, ausgebildet ist. Sie ist mit einer Abströmöffnung 8 in dem Zentralelement 21 verbunden. Diese Pilotbohrung 23 wird in dem in 2 dargestellten verschlossenen Zustand des Entnahmeventils 4 über ein Dichtelement 24 verschlossen, welches sich über eine Stange 25, welcher den Anker 16 und den Kern 15 durchragt, und ein Federelement 26 an dem verschlossenen Ende der Druckhülse 9 abstützt.
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In der Darstellung der 2 ist der verschlossene Zustand des Entnahmeventils 4 dargestellt, bei welchem der Entnahmekolben 17 so positioniert ist, dass er den Ringraum 10 gegenüber der Entnahmeöffnung 20 entsprechend abdichtet. Wird nun die Spule 11 mit einem Strom beaufschlagt, so kommt es zu einem magnetischen Fluss insbesondere in dem Spulenjoch 13. Die magnetischen Feldlinien können aufgrund der Lücke 14 in dem Spulenjoch 13 jedoch keinen geschlossenen Magnetkreis ausbilden. Sie werden daher durch das nicht magnetisierbare Material der Druckhülse 9 hindurch in das Material des Kerns 15 wandern. Dies ist durch einige punktierte Linien beispielhaft dargestellt. Sie versuchen dann einen Luftspalt 27 zwischen dem Kern 15 und dem Anker 16 zu überwinden, um über den Anker 16 hinweg wieder in den Spulenjoch zu gelangen. Da der Luftspalt 27 kleiner als die Lücke 14 ist, ist der eingezeichnete Weg der Magnetfeldlinien der bevorzugte. Um einen maximalen magnetischen Fluss sicherzustellen ist es dabei von Vorteil, wenn der Luftspalt 27 geschlossen wird. Durch die magnetische Kräfte wird der Anker 16 daher über das Dichtelement 24 und die Stange 25 abgestützt und gegen die Kraft des Federelements 26 in Richtung des Kerns 15 bewegt, wodurch der Luftspalt 27 geschlossen wird. Der Luftspalt 27, welcher im geöffneten Zustand typischerweise weniger als 0,7 mm an Spaltbreite aufweist, wird zu Null geschlossen, sodass der Anker 16 unmittelbar an dem Kern 15 anliegt. Dies begünstigt den bevorzugten maximal möglichen magnetischen Fluss.
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Der Aufbau über das mit dem Anker 16 zusammenwirkende Dichtelement 24 sorgt dafür, dass einerseits die Kraft des Federelements 26 bei der Bewegung des Ankers überwunden werden muss. Andererseits kommt es durch die Bewegung des Ankers 16 zu einem Öffnen der Pilotbohrung 23, da das Dichtelement 24 von dieser abhebt. Wie bereits erwähnt herrscht im Inneren der Druckhülse 9 typischerweise derselbe Druck wie in dem Druckgasspeicher, also beispielsweise bei der Speicherung von Wasserstoff ca. 700 bar Nenndruck. Da in der Entnahmeöffnung 20, welche zu dem Energiewandler 5 führt, kein Druck oder ein sehr viel niedrigerer Druck vorliegt, kommt es nach dem Öffnen der Pilotbohrung 23 zu einem Abströmen des in der Druckhülse 9 befindlichen Gases über eine zentrale Abströmöffnung 27 in dem Anker 16 und die mit dieser Abströmöffnung 27 korrespondierende Entnahmeöffnung 20. Der Druck im Bereich des ringförmigen Raums 10 kann gleich sein oder auch sehr viel höher als im Bereich der Druckhülse 9 oberhalb des Entnahmekolbens 17. Falls eine Druckdifferenz vorliegt, kann diese zusätzlich zur Magnetkraft ein Verschieben des Entnahmekolbens 17 aus der in 2 dargestellten Position nach oben begünstigen. Bei gleichen Drücken, also einem Differenzdruck von Null, wird der Entnahmekolben alleine durch die magnetische Kraft geöffnet bzw. offen gehalten. Schaltungen bei maximalem Differenzdruck werden insbesondere dadurch verhindert, dass der Druckausgleich einzig durch die aktiv geschaltete Pilotbohrung 23 erfolgt.
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Das Verschieben des Entnahmekolbens 17 erfolgt dabei so lange, bis eine Schulter 28 des Entnahmekolbens 17 an einem entsprechenden Gegenanschlag 29 der Druckhülse 9 anschlägt und so die Hubbewegung des Entnahmekolbens 17 entsprechend begrenzt. Die Dichteinrichtung 18 ist dann von ihrem Gegenelement 19 entsprechend abgehoben und gibt den gewünschten Querschnitt zur Entnahme von Gas aus dem ringförmigen Raum 10 und über die Leitung 11 aus dem hier nicht dargestellten Druckgasspeicher 2 frei. Gleichzeitig kommt es entlang des Umfangs des Entnahmekolbens 17 zu einem Eindringen des Gases in den Bereich der Druckhülse 9, ebenso durch die Pilotöffnung 23. Es wird also nach kurzer Zeit ein wiederum ausgeglichenes Druckverhältnis herrschen.
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Um zu erreichen, dass dennoch der Entnahmekolben 17 sicher und zuverlässig in seiner geöffneten Position verbleibt, ist der bereits erwähnte Ring 22 aus magnetisierbarem Material auf der dem Anker 16 zugewandten Seite des Entnahmekolbens 17 angeordnet. Durch diesen Aufbau wird erreicht, dass zumindest, wenn der Entnahmekolben 17 sich in Richtung des verschlossenen Endes der Druckhülse 9 bewegt hat, bis seine Schulter 28 an dem Gegenanschlag 29 anschlägt, ein Teil der Magnetfeldlinien auch durch den Ring 22 gelangen und so den Entnahmekolben 17 sicher im Bereich des Ankers 16 halten, solange die Spule 12 bestromt ist. Der Aufbau des Entnahmekolbens 17 und insbesondere der Abstand zwischen der dem Anker 16 zugewandten Seite des Rings 22 und der Schulter 28 ist dabei so ausgelegt, dass ein Luftspalt 30 zwischen dem Ring 22 und dem Anker 16 sich nicht bis auf null verschließt, sondern immer ein minimaler Luftspalt verbleibt, um so über den Anschlag der Schulter 28 am Gegenanschlag 29 einen definierten Querschnitt zwischen der Entnahmeöffnung 20 und dem ringförmigen Raum 10 freizugeben.
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Zum Betätigen des Ventils, also zum Öffnen, wird die Spule 12 entsprechend bestromt. Typischerweise ist dabei ein etwas größerer Strom notwendig, bis der Anker 16 losbricht. Um diesen zu halten, kann der Strom anschließend reduziert werden. Es stellt sich dann der soeben beschriebene Zustand ein. Soll das Entnahmeventil 4 wieder geschlossen werden, dann wird die Spule 12 stromlos geschaltet. Der Anker 16 und der Entnahmekolben 17 über seinen Ring 22 aus magnetischem Material fallen dann voneinander ab, wobei durch die Kraft des Federelements 26 die Pilotbohrung 23 durch das Dichtelement 24 entsprechend verschlossen wird. Damit stellt sich im Bereich der Druckhülse 9 wiederum der gleiche Druck wie im Bereich der Entnahmeöffnung 20 ein, sodass sich aufgrund der Kraft des Federelements 26 wiederum der geschlossene in 2 dargestellte Zustand einstellt.
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In der Darstellung der 2 ist nun im Randbereich des Luftspalts 27 zwischen dem Anker 16 und dem Kern 15 ein Überstand 31 des Kerns 15 und ein mit diesem Überstand 31 korrespondierendes zurückgenommenes Material 32 des Ankers 16 zu erkennen. Dies wird insgesamt auch als Konus bezeichnet und ist mit dem Bezugszeichen 33 versehen. Ein solcher 33 Konus ermöglicht eine Maximierung der Anziehungskraft zwischen Anker 16 und Kern 15 bei einem definierten Abstand. In der Darstellung der 3 ist die Anziehungskraft F über dem Abstand ΔI der beteiligten Elemente dargestellt. Die gestrichelte Linie zeigt den normalen Zustand bei dem, je kleiner der Abstand wird, die Kraft umso größer wird. Durch den Konus 33 lässt sich ein qualitativer Verlauf erreichen, welcher dem durchgezogenen Verlauf entspricht. In dem in der 3 beispielhaft mit I1 bezeichneten Bereich entsteht ein zusätzliches Kraftmaximum, sodass bei entsprechender Auslegung des Konus 33 und der Breite des Luftspalts 27 eine verbesserte Anziehung durch eine höhere Anziehungskraft zwischen Anker 16 und Kern 15 oder bei der gleichen Anziehungskraft eine weniger starke Bestromung der Spule 12 erzielt werden kann. Insgesamt kann so ein verbessertes, schnelleres und mit weniger Leistung zu realisierendes Ansprechen erzielt werden.
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In der Darstellung der 4 ist nun ein Aufbau vergleichbar dem in 2 bereits ausführlich beschriebenen Aufbau zu erkennen. Ein Unterschied gegenüber dem in 2 dargestellten Aufbau besteht darin, dass das Federelement 26 hier nicht mehr im Bereich einer Bohrung innerhalb des Kerns 15 angeordnet ist, sondern in einer Bohrung innerhalb des Ankers 16, sodass der Kern 15 ohne Bohrung verbleiben kann, was aus fertigungstechnischer Sicht einfacher ist. Der Aufbau ohne die zentrale Stange 25, welche sowohl den Anker 16 als auch den Kern 15 durchdringt, ermöglicht außerdem den Einsatz von zwei Koni 33 zwischen dem Anker und dem Kern, einmal nämlich im Außenbereich der kreisringförmigen Fläche, in welcher die elektromagnetischen Kräfte wirken, und das andere mal am Innenumfang eben dieser Fläche. Die das Federelement 26 in dem Anker 16 haltenden Elemente bestehen aus der verkürzten Stange 25 und einem Abstützelement 40, welches das Federelement 26 am Kern 15 abstützt. Diese sind dann typischerweise aus nicht magnetisierbarem Material hergestellt, sodass hier keine Kräfte wirken und die Verwendung der beiden Koni 33 von besonderem Vorteil ist. Ein weiterer Konus 33 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der 4 auch zwischen dem Ring 22 des Entnahmekolbens 17 und dem Anker 16 ausgebildet, sodass auch hier beim entsprechenden Abstand eine größere Anziehungskraft zwischen dem mit dem Entnahmekolben 17 verbundenen Ring 22 und dem Anker 16 erzielt werden kann. Die Haltekraft des Entnahmekolbens 17 am Anker 16 wird bei bestromter Spule hierdurch nochmals erhöht bzw. bei gleicher Haltekraft kann der notwendige Strom verringert werden.
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Im Gegensatz zu dem in 2 dargestellten Aufbau ist es bei dem in 4, und im später noch beschriebenen in 6 dargestellten Aufbau, möglich, Bauteile bzw. Untergruppen des Entnahmeventils 4 auszutauschen, ohne dass der eingepresste Kern 15 aus der Druckhülse 19 entfernt werden muss, was eine erhebliche Erleichterung hinsichtlich der Montage und Reparatur darstellt.
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Der Kern 15 wird zwar wie bereits erwähnt in das verschlossene Ende der Druckhülse 9 eingepresst. Dennoch kann es zu entsprechenden Hohlräumen kommen, welche insbesondere notwendig sind, da der innere Querschnitt des verschlossenen Endes der Druckhülse 9 typischerweise nicht mit einer sehr scharfen Kante frei gestochen werden kann. Dementsprechend ist an dem Kern 15 eine Fase 34 vorgesehen, sodass dieser in axialer Richtung bis zum Anschlag in das verschlossene Ende der Druckhülse 9 eingepresst werden kann. Hierdurch können sich trotz des eingepressten Kerns 15 Hohlräume ergeben, welche in der Darstellung der 4 mit dem Bezugszeichen 35 versehen sind. In diesen Hohlräumen kann sich Gas, welches entlang der Wandung der Druckhülse zwischen der Druckhülse 9 und dem Kern 15 nach oben wandert, einschließen. Dieses Gas wird typischerweise den Nenndruck des Gases in dem Druckgasspeicher 2 aufweisen. Wird die Druckhülse 9 nun entleert und mit Umgebungsdruck versehen, dann kann dieses Gas entweichen und gegebenenfalls den Kern 15 lockern. Dies kann eventuell auch im Betrieb beim Öffnen des Entnahmeventils 4 auftreten. Um dies sicher und zuverlässig zu vermeiden ist es in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass eine beispielsweise spiralförmig um den Kern 15 angeordnete Entlüftungsnut 36 vorgesehen ist, sodass dieses Gas bzw. ein von diesem Gas aufgebautes Druckpolster abgebaut werden kann. Eine entsprechende Bohrung 97 durch den Kern 15, welche in 6 dargestellt ist, könnte als Alternative ebenso genutzt werden.
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Ein weiterer Unterschied ist in der Darstellung der 4 im Bereich des Ankers 16 dargestellt, jedoch nur sehr schwer zu erkennen. Zur Verdeutlichung des Sachverhalts ist deshalb der Anker 16 nochmals alleine in einer Seitenansicht in 5 zu erkennen. Der Anker 16 weist eine Taillierung 37 auf. Das heißt, er hat an seinem oberen Ende eine mit 38 bezeichnete Fläche und an seinem unteren Ende eine mit 39 bezeichnete Fläche, welche mit dem Inneren der Druckhülse 9 in gleitendem Eingriff stehen. Dazwischen ist die Taillierung 37 angeordnet, wodurch Reibungskräfte verringert werden und die Gefahr eines Verkantens des Ankers 16 reduziert wird.
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In der Darstellung der 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Entnahmeventils 4 dargestellt. Der Unterschied zwischen den 4 und 6 ist im Wesentlichen innerhalb des Ankers 16 zu erkennen, welcher ebenfalls wiederum tailliert ausgebildet sein kann. Das Federelement 26 ist ebenfalls innerhalb des Ankers 16 angeordnet und kann, wie hier dargestellt, als Spiralfeder ausgebildet sein. Ebenso kann es als Federpaket von Tellerfedern ausgebildet sein, was den Vorteil hat, dass weniger Freiraum verbleibt, in welchem sich Gas sammeln kann. Hierdurch kommt es zu einer schnelleren Ansprache des Entnahmeventils 4, da über die Pilotbohrung 23 die Druckhülse 9 schneller entleert wird. Der Unterschied gegenüber dem in 4 dargestellten Aufbau liegt nun im Wesentlichen darin, dass die mit dem Federelement 26 in Verbindung stehenden Elemente, einmal das der Stange 25 entsprechende Element und einmal ein Abstützelement 40 oberhalb des Federelements 26, welches mit dem Kern 15 korrespondiert, sind im Vergleich zu den entsprechenden Elementen 25, 40 in der Darstellung der 4 im Durchmesser dünner ausgeführt. So kann mehr magnetisierbares Material in dem Anker 16 verbaut werden, weshalb dieser schneller anspricht. Um den Aufbau zu realisieren, ist jedoch innerhalb des Ankers ein zweites Bauelement 41, welches vorzugsweise ebenfalls aus magnetisierbarem Material besteht, vorzusehen. Dieses kann beispielsweise mit dem restlichen Material des Ankers 16 verschraubt, verklemmt oder verpresst sein. Außerdem ist am oberen, der Druckhülse 9 zugewandten Ende des Kerns 15 ein Zentraler Freistich 98 zu erkennen. Dieser Freistich 98, welcher auch bei den Aufbauten gemäß der vorherigen Figuren eingesetzt werden kann, verbessert, insbesondere ergänzend zu der Fase 34, die Fügefähigkeit des Aufbaus. Der hier dargestellte Aufbau entspricht ansonsten dem Aufbau in der Darstellung der 4 und in seiner Funktionalität dem in 2 bereits im Detail beschriebenen Aufbau. Weitere Details aus den vorhergehenden Figuren sind hier nicht dargestellt, können aber ebenso vorhanden sein. Auch ist der Anker 16 hier ebenfalls tailliert ausgeführt, was in der Darstellung der 6 jedoch nur sehr schwer zu erkennen ist.
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In der Darstellung der 7 ist abschließend eine weitere Variante des Aufbaus zu erkennen. Anstelle des Rings 22 aus magnetisierbarem Material, ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Entnahmekolben 17 einstückig ausgebildet und besteht komplett aus magnetisierbarem Material. Dies ist hinsichtlich des Aufbaus außerordentlich einfach und effizient, da im Bereich des Entnahmekolbens 17 keine verschraubten, eingeklebten oder eingepressten Bauteile mehr notwendig sind. Idealerweise ist der Aufbau dabei so ausgebildet, dass die Dichteinrichtung 18 als Dichtkante an dem einstückigen Entnahmekolben 17 ausgeführt ist. Diese wirkt dann mit dem entsprechenden Gegenelement 19 zusammen, welches in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem gegenüber dem gespeicherten Gas, beispielsweise Wasserstoff, beständigen Kunststoff- oder Polymermaterial hergestellt ist. Der Entnahmekolben ist außerdem als Leichtbauteil realisiert und weist dazu zwei Ausnehmungen 96. Dadurch wir der Entnahmekolben 17 leichter und damit auch seine Trägheit kleiner. Außerdem werden die Längen der metallischen Dichtflächen 95 zwischen dem Entnahmekolben 17 und der Druckhülse kürzer und können damit leichter mit definierten Spaltmaß realisiert werden. Ein weiterer Unterschied sind die Anschläge 99 zwischen dem Entnahmekolben 17 und einem Grundkörper 100 auf welchem die Druckhülse 9 dichtende aufsitzt. Sie können insbesondere in der Art eines Zahnkranzes bzw. einer Krone einstückig mit dem Grundkörper 100 realisiert sein. Sie begrenzen die Bewegung des Entnahmekolbens 17 nach unten schonen so die Dichtungen 18/19 im Betrieb. Ansonsten entsprechen der Aufbau und die Funktionalität dem bereits beschriebenen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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