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Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung zum Einstellen einer Strömung von gasförmigem Wasserstoff gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche Ventileinrichtung zum Einstellen einer Strömung von gasförmigem Wasserstoff ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Die Ventileinrichtung wird üblicherweise auch als „Wasserstoffventil” bezeichnet und kommt beispielsweise bei einer Wasserstoffanlage eines Kraftwagens zum Einsatz. Das Wasserstoffventil wird beispielsweise dazu verwendet, die Strömung des Wasserstoffes durch wenigstens ein Wasserstoff führendes Element der Wasserstoffanlage, beispielsweise eine Leitung, einzustellen. Beispielsweise wird das Wasserstoffventil dazu verwendet, das Ausströmen des Wasserstoffes aus einem Wasserstofftank zu steuern oder zu regeln. Hierzu kann das Wasserstoffventil geöffnet und geschlossen werden. Ist das Wasserstoffventil geöffnet, so kann das Wasserstoff führende Element von dem Wasserstoff durchströmt werden. Ist das Wasserstoffventil geschlossen, so ist die Strömung des Wasserstoffes durch das Wasserstoff führende Element im Vergleich zum geöffneten Zustand des Wasserstoffventils geringer. Dabei ist es möglich, dass die Strömung des Wasserstoffes mittels des Wasserstoffventils unterbunden ist.
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Die Ventileinrichtung umfasst ein Gehäuse, welches beispielsweise als Hülse ausgebildet ist. Das Gehäuse weist einen mit dem gasförmigen Wasserstoff beaufschlagbaren Aufnahmeraum auf. Dies bedeutet, dass in dem Gehäuse, das heißt in dem Aufnahmeraum, der Druck des gasförmigen Wasserstoffes herrscht oder herrschen kann. Dieser Druck kann bei einem Wasserstofftank bis zu 875 bar betragen.
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Die Ventileinrichtung umfasst ferner wenigstens einen Anker, welcher in dem Aufnahmeraum aufgenommen ist. Der Anker ist relativ zu dem Gehäuse translatorisch bewegbar. Darüber hinaus umfasst die Ventileinrichtung wenigstens eine Spule. Die Spule umgibt das Gehäuse außenumfangsseitig zumindest teilweise. Dies bedeutet, dass die Spule außerhalb des Aufnahmeraums, das heißt auf einer dem Aufnahmeraum abgewandten Außenseite des Gehäuses, angeordnet ist und zumindest einen Teilbereich des Gehäuses umgibt. Durch Versorgen der Spule mit elektrischem Strom wird ein Magnetfeld erzeugt, mittels welchem zum Öffnen und/oder Schließen der Ventileinrichtung der Anker bewegbar ist. Mit anderen Worten, wird elektrischer Strom durch die Spule hindurch geleitet, so wird dadurch ein Magnetfeld erzeugt. Mittels dieses Magnetfelds kann der Anker relativ zu dem Gehäuse translatorisch bewegt werden, so dass dadurch ein Öffnen und/oder Schließen der Ventileinrichtung bewirkt wird. Das Versorgen der Spule mit elektrischem Strom wird üblicherweise auch als „Bestromung” bezeichnet. Dabei überbrückt beziehungsweise durchdringt das Magnetfeld das Gehäuse, so dass der Anker mittels des Magnetfelds bewegt werden kann.
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Die
EP 2 233 806 A1 offenbart ein elektromagnetisches Ventil mit einem Eisenkern und einer Spule, mittels welcher ein Magnetfeld zum Bewegen des Eisenkerns erzeugbar ist.
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Es wurde gefunden, dass zum Bewegen des Ankers, insbesondere zum Öffnen der Ventileinrichtung, üblicherweise hohe durch die Spule hindurchzuleitende Ströme erforderlich sind. Dadurch kann sich die Spule sehr stark erwärmen. Dies führt zu übermäßig hohen Bauteiltemperaturen, was sich negativ beispielsweise auf Dichtungsmaterial der Ventileinrichtung auswirken kann. Darüber hinaus resultiert aus hohen Spulenströmen ein hoher Energieverbrauch der Ventileinrichtung.
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Um diese Probleme zu vermeiden oder zumindest zu verringern, kann eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung (PWM-Ansteuerung) der elektrischen Spule eingesetzt werden. Eine solche pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Spule ist jedoch sehr aufwendig und kostenintensiv.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Ventileinrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine übermäßige Erwärmung der Spule auf einfache und kostengünstige Weise vermieden werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Ventileinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Ventileinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine übermäßige Erwärmung der Spule auf einfache und kostengünstige Weise vermeiden lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gehäuse eine den Aufnahmeraum begrenzende, erste Schicht und eine die erste Schicht außenumfangsseitig umgebende zweite Schicht aufweist. Mit anderen Worten ist die zweite Schicht auf einer dem Aufnahmeraum abgewandten Außenseite der ersten Schicht angeordnet und umgibt eine außenumfangsseitige Mantelfläche der ersten Schicht zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest überwiegend und vorzugsweise vollständig. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die zweite Schicht direkt auf die erste Schicht aufgebracht ist, so dass die zweite Schicht die erste Schicht beziehungsweise deren außenumfangsseitige Mantelfläche berührt.
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Die erste Schicht ist dabei aus einem ersten Material gebildet, das wasserstoffversprödungssicher ist. Mit anderen Worten ist das erste Material zumindest im Wesentlichen resistent gegen Wasserstoffversprödung. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Material um einen austenitischen Stahl.
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Die zweite Schicht ist aus einem zweiten Material gebildet, das eine höhere Festigkeit als das erste Material aufweist. Das zweite Material ist beispielsweise ein ferritischer Stahl. Bei dem zweiten Material kann es sich ferner um ein hochfestes Material, insbesondere um einen faserverstärkten Kunststoff und insbesondere um einen kohlefaserverstärkten Kunststoff handeln.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen Schichtaufbau des beispielsweise als Hülse ausgebildeten Gehäuses zu realisieren. Die erste Schicht stellt dabei einen Kern des Schichtaufbaus dar, wobei die erste Schicht beziehungsweise der Kern sehr dünnwandig ausgeführt werden kann. Das erste Material kann nicht-magnetisierbar sein.
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Die erste Schicht ist ein innerer Teil des Gehäuses, wobei der innere Teil von einem Mantel in Form der zweiten Schicht umschlossen wird. Da die zweite Schicht eine höhere Festigkeit als die erste Schicht aufweist, kann dem Gehäuse insgesamt trotz der Dünnwandigkeit der ersten Schicht eine hinreichende Festigkeit und Stabilität verliehen werden, so dass im Aufnahmeraum des Gehäuses auch besonders hohe Drücke, das heißt Gasdrücke herrschen können, ohne dass es zu unerwünschten Verformungen und/oder Beschädigungen des Gehäuses kommt. Durch den Schichtaufbau lässt sich eine besonders geringe Gesamtwanddicke des Gehäuses realisieren, wobei die Gesamtwanddicke die Dicke der ersten Schicht und die Dicke der zweiten Schicht umfasst. Somit können das Gewicht und die Abmessungen, das heißt der Bauraumbedarf des Gehäuses und der Ventileinrichtung insgesamt, gering gehalten werden. Insbesondere lässt sich ein besonders geringer Außenumfang, insbesondere Außendurchmesser, des Gehäuses realisieren. In der Folge lassen sich auch die Abmessungen der Spule besonders gering halten.
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Infolge der nur sehr geringen Gesamtwanddicke des Gehäuses kann das mittels der Spule erzeugbare Magnetfeld auch besonders gut auf den wenigstens einen im Gehäuse angeordneten Anker wirken. Mit anderen Worten lässt sich aufgrund der geringen Gesamtwanddicke eine besonders vorteilhafte Magnetkraftübertragung von der Spule auf den Anker realisieren. Dadurch kann der Anker bereits mit einem geringen Strom, welcher durch die Spule hindurch geleitet wird, bewegt werden. Dadurch kann eine übermäßige Erwärmung der Spule auch ohne den Einsatz einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung dieser vermieden werden. Mit anderen Worten ist eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Spule nicht erforderlich, um eine übermäßige Erwärmung der Spule zu vermeiden. Somit kann auf eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Spule verzichtet werden.
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Da eine übermäßige Aufheizung der Spule vermieden werden kann, können auch übermäßige thermische Belastungen von Bauteilen, beispielsweise von Dichtungsmaterial der Ventileinrichtung, vermieden werden. Darüber hinaus kann eine besonders einfache Entwärmung der Ventileinrichtung, das heißt eine besonders einfache Wärmeabfuhr von der Ventileinrichtung realisiert werden.
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Da darüber hinaus das erste Material H2-versprödungssicher, das heißt zumindest im Wesentlichen resistent gegen Wasserstoffversprödung ist und das erste Material den Aufnahmeraum begrenzt, kann Wasserstoff in den Aufnahmeraum strömen und in Kontakt mit dem ersten Material kommen, ohne dass es zu einer unerwünschten beziehungsweise übermäßigen Wechselwirkung zwischen dem Wasserstoff und dem ersten Material kommt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in der einzigen Fig. eine schematische und geschnittene Perspektivansicht einer Ventileinrichtung in Form eines Wasserstoffventils, mit einem Gehäuse, das einen Schichtaufbau mit zwei Schichten aufweist.
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Die Fig. zeigt in einer schematischen und perspektivischen Schnittansicht eine Ventileinrichtung 10. Die Ventileinrichtung 10 ist als Wasserstoffventil ausgebildet und dient zum Einstellen einer Strömung von gasförmigem Wasserstoff. Die Ventileinrichtung 10 ist beispielsweise an einem Wasserstoff führenden Element einer Wasserstoffanlage eines Kraftwagens angeordnet. Bei dem Wasserstoff führenden Element handelt es sich beispielsweise um einen Wasserstofftank 12 zum Speichern von Wasserstoff. Der Wasserstoff dient beispielsweise zum Betreiben einer Brennstoffzelle und somit zum Antreiben des Kraftwagens. Hierzu wird der Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 12 abgeführt und der Brennstoffzelle zugeführt.
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Der Wasserstofftank 12 weist wenigstens ein Leitungselement in Form einer von dem Wasserstoff durchströmbaren Durchgangsöffnung 14 auf, über welche der Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 12 abführbar und der Brennstoffzelle zuführbar ist. Die Ventileinrichtung 10 dient dabei zum Steuern oder Regeln der Strömung des Wasserstoffes durch die Durchgangsöffnung 14, das heißt aus dem Wasserstofftank 12 zur Brennstoffzelle.
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Hierzu umfasst die Ventileinrichtung 10 wenigstens ein Ventilelement 16, welches zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung bewegbar ist. In der Schließstellung ist die Strömung des Wasserstoffes durch die Durchgangsöffnung 14 unterbunden, da beispielsweise die Durchgangsöffnung 14 mittels des Ventilelements 16 in der Schließstellung fluidisch versperrt ist. In der Offenstellung ist die Strömung des Wasserstoffes durch die Durchgangsöffnung 14 freigegeben.
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Die Ventileinrichtung 10 umfasst ein Gehäuse in Form einer druckfesten Hülse 18, welche einen Aufnahmeraum 20 aufweist. Der Aufnahmeraum 20 ist mit dem gasförmigen Wasserstoff beaufschlagbar. Dies bedeutet, dass in dem Aufnahmeraum 20 der Druck des gasförmigen Wasserstoffes herrscht oder herrschen kann. Mit anderen Worten liegt im Inneren der Hülse 18 der Druck des gasförmigen Wasserstoffes an. Dieser Druck kann beim Wasserstofftank 12 bis zu 875 bar betragen.
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Die Ventileinrichtung 10 umfasst darüber hinaus einen ersten Anker 22 und einen zweiten Anker 24, wobei der erste Anker 22 beispielsweise Bestandteil des Ventilelements 16 ist. Die Anker 22, 24 sind in der Hülse 18, das heißt in dem Aufnahmeraum 20 angeordnet, wobei wenigstens einer der Anker 22 und 24 translatorisch relativ zu der Hülse 18 bewegbar ist. Beispielsweise ist es vorgesehen, dass der Anker 24 relativ zur Hülse 18 fixiert ist, wobei der Anker 22 relativ zur Hülse 18 translatorisch bewegbar ist. Somit ist der Anker 22 relativ zum Anker 24 translatorisch bewegbar.
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Die Ventileinrichtung 10 umfasst auch eine Feder 26, welche einerseits an einem Boden 28 der Hülse 18 und andererseits am Ventilelement 16 angeordnet ist. In der Offenstellung ist die Feder 26 im Vergleich zur Schließstellung gespannt, vorliegend komprimiert, so dass das Ventilelement 16 in der Offenstellung mittels der gespannten Feder 26 mit einer Federkraft beaufschlagt ist. Mittels dieser Federkraftbeaufschlagung kann das Ventilelement 16 aus der Offenstellung in die Schließstellung bewegt, insbesondere gedrückt, werden.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Feder 26 auch in der Schließstellung gespannt ist, so dass dadurch das Ventilelement 16 auch in der Schließstellung mittels einer von der Feder 26 bereitgestellten Federkraft beaufschlagt und dadurch sicher in der Schließstellung gehalten wird.
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Die Ventileinrichtung 10 umfasst ferner eine elektrische Spule 30, welche die Hülse 18 außenumfangsseitig umgibt. Dies bedeutet, dass die Hülse 18 auf einer dem Aufnahmeraum 20 abgewandten Außenseite 32 der Hülse 18 angeordnet ist und zumindest einen Teilbereich einer außenumfangsseitigen Mantelfläche 34 der Hülse 18 umgibt.
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Wird die Spule 30 bestromt, das heißt wird ein elektrischer Strom durch die Spule 30 hindurch geleitet, so wird ein Magnetfeld erzeugt. Mittels dieses Magnetfelds werden die Anker 22, 24 magnetisiert, da die Anker 22, 24 aus einem magnetisierbaren Material gebildet sind. Durch das Magnetisieren der Anker 22 und 24 ziehen sich die Anker zusammen. Darunter ist zu verstehen, dass sich die Anker 22 und 24 gegenseitig anziehen. Da der Anker 24 relativ zur Hülse 18 fixiert und der Anker 22 relativ zur Hülse 18 translatorisch bewegbar ist, wird der Anker 22 durch das Magnetisieren der Anker 22 und 24 translatorisch in Richtung des Ankers 24 bewegt. Dadurch wird das Ventilelement 16 insgesamt unter Komprimieren der Feder 26 aus der Schließstellung in die Offenstellung bewegt, das heißt geöffnet. Wird das Bestromen der Spule 30 beendet, so kann sich die in der Offenstellung komprimierte Feder 26 entspannen, wodurch der Anker 22 und somit das Ventilelement 16 aus der Offenstellung zurück in die Schließstellung bewegt werden.
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Der Anker 22 ist mit einer Ventildichtung 36 des Ventilelements 16 verbunden. Wird das Ventilelement 16 aus der Schließstellung in die Offenstellung bewegt, so hebt die Ventildichtung 36 von einem korrespondierenden Ventilsitz ab, so dass die Ventileinrichtung 10 geöffnet und somit die Durchgangsöffnung 14 beziehungsweise die Strömung des Wasserstoffes durch die Durchgangsöffnung 14 freigegeben wird. In der Schließstellung sitzt die Ventildichtung 36 auf dem korrespondierenden Ventilsitz auf, so dass die Strömung des Wasserstoffes durch die Durchgangsöffnung 14, das heißt aus dem Wasserstofftank heraus, unterbunden ist.
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Wird elektrischer Strom durch die Spule 30 hindurch geleitet, so wird diese prinzipbedingt erwärmt. Je höher der Strom ist, der durch die Spule 30 geleitet wird, desto stärker wird die Spule 30 erwärmt.
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Um nun eine übermäßige Erwärmung der Spule 30 auf besonders einfache und kostengünstige Weise zu vermeiden, ist es vorgesehen, dass die Hülse 18 eine den Aufnahmeraum begrenzende, erste Schicht 38 und eine zweite Schicht 40 aufweist. Hierdurch ist ein Schichtaufbau der Hülse 18 geschaffen, wobei der Schichtaufbau die in gegenseitiger Überdeckung angeordneten Schichten 38 und 40 umfasst. Aus der Fig. ist erkennbar, dass die Schicht 40 die Schicht 38 außenumfangsseitig zumindest teilweise umgibt. Dies bedeutet, dass die Schicht 40 auf einer dem Aufnahmeraum 20 abgewandten Außenseite der Schicht 38 angeordnet ist und eine außenumfangsseitige Mantelfläche der Schicht 38 umgibt.
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Dabei ist die Schicht 40 direkt auf die Schicht 38 aufgebracht, so dass die Schicht 40 die Schicht 38 berührt. Die Schicht 38 begrenzt den Aufnahmeraum 20. Darunter ist zu verstehen, dass der sich in dem Aufnahmeraum 20 befindende Wasserstoff in Kontakt, das heißt in direkten Kontakt, mit der Schicht 38 kommt. Die Schicht 38 ist dabei aus einem wasserstoffversprödungssicheren, ersten Material gebildet. Bei dem ersten Material handelt es sich beispielsweise um einen austenitischen Stahl. Die Schicht 40 ist aus einem vom ersten Material unterschiedlichen, zweiten Material gebildet. Das vom ersten Material unterschiedliche, zweite Material weist eine höhere Festigkeit als das erste Material auf. Bei dem zweiten Material handelt es sich beispielsweise um einen ferritischen Stahl. Ferner kann vorgesehen sein, dass das zweite Material magnetisierbar ist. Das zweite Material kann ein hochfestes Material sein. Ferner kann das zweite Material ein höchstfestes Material sein. Dabei kann es sich bei dem zweiten Material um einen faserverstärkten Kunststoff, insbesondere um einen kohlefaserverstärkten Kunststoff, handeln.
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Diesem Schichtaufbau der Hülse 18 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine effiziente Wirkungsweise der Ventileinrichtung 10 dadurch realisierbar ist, dass zwischen der Spule 30 und den Ankern 22 und 24 nur ein möglichst kleiner Spalt existiert. Eine effiziente Wirkungsweise führt dazu, dass mit einem nur geringen, durch die Spule 30 hindurch zu leitenden Strom eine hohe Magnetkraft des Magnetfelds realisierbar ist. Vorteilhafterweise ist dieser Spalt mit einem magnetisierbaren Material gefüllt, das das Magnetfeld überträgt. Das mittels der Spule 30 erzeugbare Magnetfeld muss nämlich die Hülse 18 durchdringen, um die Anker 22 und 24 zu magnetisieren und schließlich das Ventilelement 16 aus der Schließstellung in die Offenstellung zu bewegen. Die Anker 22, 24 sind nämlich von der druckfesten Hülse 18 umgeben, welche wiederum von der Spule 30 umgeben ist.
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Üblicherweise muss die als Druckhülse wirkende Hülse 18, insbesondere bei hohen Gasdrücken wie beim Wasserstofftank 12, eine sehr hohe Wanddicke aufweisen, um dadurch eine hohe Druckfestigkeit zu gewährleisten. Darüber hinaus ist es üblicherweise erforderlich, dass die Hülse 18 insgesamt aus einem nicht-magnetisierbaren Material, insbesondere einem nicht-magnetisierbaren Stahl gebildet ist, um hierdurch eine Wasserstoffversprödung zu vermeiden. Durch diese üblicherweise vorgesehene hohe Wanddicke und die Tatsache, dass die Hülse 18 aus einem nicht-magnetisierbaren Material gebildet ist, kann eine nur schlechte Übertragung der Magnetkräfte von der Spule 30 auf die Anker 22, 24 realisiert werden. Dadurch ist zur Erreichung der erforderlichen Magnetkraft zum Bewegen des Ventilelements 16 aus der Schließstellung in die Offenstellung ein hoher Strom erforderlich, der durch die Hülse 18 hindurch geleitet werden muss. Dabei kommt es zu übermäßigen Energieverlusten. Ferner kann dadurch eine übermäßige Erwärmung der Spule 30 bewirkt werden. Um die durch die hohe Stromstärke bewirkte Erwärmung der Spule 30 und somit der Ventileinrichtung 10 insgesamt zu begrenzen, kann eine pulsweitenmodulierte Steuerung der Spule 30 eingesetzt werden. Dies ist jedoch sehr aufwendig und somit kostenintensiv.
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Durch den Schichtaufbau der Hülse 18 lassen sich nun diese Probleme vermeiden. Durch den Schichtaufbau kann nämlich eine nur sehr geringe Gesamtwanddicke der Hülse 18 realisiert werden, so dass der Abstand zwischen der Hülse 18 und den Ankern 22, 24 nur gering ist. Darüber hinaus kann die Magnetkraftübertragung insbesondere dann unterstützt werden, wenn die zweite Schicht 40 aus einem magnetisierbaren Material gebildet ist. Da aufgrund der geringen Gesamtwanddicke der Abstand zwischen der Spule 30 und den Ankern 22, 24 gering ist, reicht bereits ein geringer, durch die Spule 30 hindurchzuleitender elektrischer Strom aus, um hinreichend hohe Magnetkräfte zum Bewegen des Ventilelements 16 aus der Schließstellung in die Offenstellung zu erzeugen. Darüber hinaus können die Abmessungen der Hülse 18 und der Ventileinrichtung 10 sowie das Gewicht gering gehalten werden. Da ein nur geringer Strom zum Bewirken der Bewegung des Ventilelements 16 ausreicht, kann auch eine übermäßige Erwärmung der Spule 30 und der Ventileinrichtung 10 insgesamt vermieden werden, ohne dass hierzu eine aufwendige pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Spule 30 erforderlich wäre. Ferner kann die Ventileinrichtung 10 mit einem nur sehr geringen Energiebedarf und somit besonders effizient betrieben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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