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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verschlussvorrichtung für einen Gasgenerator, auf einen Gasgenerator, auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verschlussvorrichtung, auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verschlussvorrichtung, auf eine entsprechende Vorrichtung, auf ein entsprechendes Computerprogramm sowie auf ein entsprechendes Speichermedium.
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Ein Luftsack kann beispielsweise mit einem pyrotechnisch erzeugten Gas befüllt werden. Ferner sind Gasdruckbehälter bekannt, die per pyrotechnischem Auslöser angestochen werden können, um mit einem darin enthaltenen Gas einen Luftsack zu füllen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Verschlussvorrichtung für einen Gasgenerator, ein Gasgenerator, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verschlussvorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verschlussvorrichtung, weiterhin eine Vorrichtung, die diese Verfahren verwendet, ein entsprechendes Computerprogramm sowie schließlich ein entsprechendes Speichermedium gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird eine Verschlussvorrichtung für einen Gasgenerator vorgestellt, wobei die Verschlussvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
ein Ventilgehäuse mit einer Ventilgehäuseausnehmung, wobei das Ventilgehäuse zumindest einen Ableitkanal zum Ableiten eines Fluids aus der Ventilgehäuseausnehmung und zumindest einen Steuerkanal aufweist; und
einen Ventilkörper, der in der Ventilgehäuseausnehmung zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition verschiebbar angeordnet ist und zumindest einen Durchleitkanal zum Leiten des Fluids durch den Ventilkörper aufweist, wobei der Ventilkörper den Ableitkanal in der Ruheposition freigibt und in der Arbeitsposition verschließt, wobei der Ventilkörper eine Steuerfläche aufweist, die derart in der Ventilgehäuseausnehmung angeordnet ist, dass zwischen der Steuerfläche und dem Ventilgehäuse zumindest eine Steuerkammer ausbildbar ist, wobei der Durchleitkanal mit der Steuerkammer durch den Steuerkanal fluidisch verbunden oder verbindbar ist, und wobei die Steuerfläche ausgebildet ist, um beim Leiten des Fluids in die Ventilgehäuseausnehmung derart mit dem Fluid beaufschlagt zu werden, dass der Ventilkörper durch das Fluid von der Ruheposition in die Arbeitsposition bewegt wird.
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Unter einem Gasgenerator kann eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Fluids, etwa eines Kaltgases, verstanden werden. Insbesondere kann der Gasgenerator ausgebildet sein, um einen Luftsack einer Personenschutzeinrichtung eines Fahrzeugs mit dem Fluid zu befüllen. Unter einem Ventilkörper kann beispielsweise ein in dem Ventilgehäuse verschiebbarer Kolben mit einer Durchgangsbohrung als Durchleitkanal verstanden werden. Unter einer Ruheposition kann eine Position des Ventilkörpers verstanden, in der der Ventilkörper kraftausgeglichen ist. Unter einer Steuerkammer kann ein Bereich der Ventilgehäuseausnehmung verstanden werden, der durch den Steuerkanal mit dem Fluid befüllt werden kann, um den Ventilkörper zu verschieben. Unter einem Steuerkanal kann ein Kanal zum Leiten eines Fluidstroms in die Steuerkammer verstanden werden. Die Steuerkammer kann durch eine Steuerfläche und das Ventilgehäuse begrenzt sein. Unter einer Steuerfläche kann eine mit dem Fluid beaufschlagbare Fläche des Ventilkörpers verstanden werden. Die Steuerfläche kann relativ zu einer Bewegungsachse des Ventilkörpers derart ausgeformt sein, dass der Ventilkörper durch das Beaufschlagen der Steuerfläche mit dem Fluid entlang der Bewegungsachse in die Arbeitsposition bewegt wird. Beispielsweise kann sich die Steuerfläche senkrecht zur Bewegungsachse erstrecken. Unter einer Arbeitsposition kann eine Position des Ventilkörpers verstanden werden, in der eine Kraft auf die Steuerfläche wirkt.
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Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein Gasgenerator ein Schieberventil aufweisen kann, das in einer Ruheposition geöffnet ist und durch einen Speicherdruck des Gasgenerators in eine Schließposition gebracht werden kann. Dadurch wird ein kontrolliert wiederholbares Absperren, Einstellen und Öffnen eines hohen Volumenstroms ermöglicht, etwa zum Füllen eines Luftsacks in Fahrzeugen in Abhängigkeit von einer Unfallart und -intensität oder von Fahrzeuginsassen. Durch eine derartige bedarfsgerechte Entfaltung des Luftsacks lässt sich der Schutz von Fahrer und Insassen deutlich verbessern, insbesondere wenn diese in Größe, Gewicht und Position außerhalb der Normwerte liegen. Um Verletzungen durch das Öffnen des Luftsacks zu vermeiden oder zu vermindern, kann hierbei beispielsweise auch eine jeweilige Position der Oberkörper erfasst werden.
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Dadurch, dass das Ventil in Ruhelage geöffnet ist, können Zeit- und Energieverluste bei einer Erstauslösung eines Druckspeichers des Gasgenerators vermieden werden, d. h., ein Gas kann ähnlich wie bei ungeregelten Systemen ungehindert zum Luftsack ausströmen, sodass eine erste Befüllung ebenso schnell erfolgen kann wie bei bestehenden Gasgeneratoren.
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Weiterhin kann durch die Nutzung des Speicherdrucks zur Ansteuerung des Ventils die Ansteuerenergie auf ein Minimum reduziert werden, sodass das Ventil auch ohne Bordnetzspannung oder Energiespeicher eines Steuergeräts mehrfach angesteuert werden kann. Somit steht dem Ventil auch bei hohen Beschleunigungswerten eine ausreichende Stellkraft zur Verfügung.
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Beispielsweise lässt sich durch eine reduzierte oder anpassbare Ringsteuerfläche ein mit geringer Magnetkraft schnell schaltbares Ventil realisieren, wobei ein entdrosselter Steuerschieber des Ventils mit Hochdruck statt durch Druckreduzierung angesteuert wird. Bei der Aktivierung befindet sich der Ventilschieber bereits in Endstellung, sodass keine Schieberbewegung erforderlich ist. Da das Ventil bis zur Zündung drucklos ist, kann das Ventil als Schieberventil ausgeführt sein.
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Durch die eindeutige Position aller Teile des Ventils während des gesamten Produktlebens kann zudem die Funktionssicherheit des Ventils erhöht werden.
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Schließlich lässt sich ein Ventil gemäß dem hier vorgestellten Ansatz mit wenigen einfachen Teilen und wenigen Spaltdichtungen sehr kostengünstig und platzsparend realisieren. Durch einen axialen Anbau und einen schlanken Aufbau des Ventils kann die Montage des Ventils in Rohren oder Säulen einer Fahrzeugkarosserie vereinfacht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des hier beschriebenen Ansatzes kann das Ventilgehäuse mit zumindest einer Vorsteuerkammer vorgesehen sein. Die Vorsteuerkammer kann den Steuerkanal in zumindest zwei Teilkanäle trennen, wobei ein Vorsteuerventilkörper in der Vorsteuerkammer zwischen einer Öffnungsposition und einer Schließposition verschiebbar angeordnet ist. Der Vorsteuerventilkörper kann in der Öffnungsposition eine fluidische Verbindung zwischen den zwei Teilkanälen ermöglichen und in der Schließposition die zwei Teilkanäle fluidisch voneinander trennen. Insbesondere kann hierbei die Schließposition einer Ruheposition des Vorsteuerventilkörpers entsprechen. Unter einer Vorsteuerkammer kann eine Ausnehmung in dem Ventilgehäuse verstanden werden, wobei die Vorsteuerkammer durch den Steuerkanal, genauer durch zumindest einen Teilkanal des Steuerkanals, mit der Ventilgehäuseausnehmung fluidisch verbunden sein kann. Unter einem Vorsteuerventilkörper kann beispielsweise ein in der Vorsteuerkammer verschiebbar angeordneter Kolben verstanden werden, der derart in der Vorsteuerkammer positioniert werden kann, dass ein Fluidstrom durch den Steuerkanal in die Steuerkammer entweder freigegeben oder gesperrt wird. Unter einer Ruheposition des Vorsteuerventilkörpers kann eine Position verstanden werden, in der der Vorsteuerventilkörper kraftausgeglichen ist. Dadurch, dass ein solches Vorsteuerventil bis zum Einleiten des Fluids in die Ventilgehäuseausnehmung drucklos ist, d. h. nicht einer langzeitstabilen Abdichtung eines Fluidbehälters dient, kann der Vorsteuerventilkörper sehr kompakt und leicht ausgeführt werden. Somit kann der Vorsteuerventilkörper mit niedrigem Energieaufwand sehr schnell in der Vorsteuerkammer hin- und herbewegt werden, wodurch eine Ansteuerzeit verkürzt werden kann und eine genaue Dosierung des Fluidstroms ermöglicht wird. Ferner kann die Funktionsfähigkeit eines solchen Vorsteuerventils jederzeit überprüft werden, d. h., es kann beispielsweise eine Testschaltung ohne Luftsackauslösung durchgeführt werden. Somit lässt sich die Zuverlässigkeit der Verschlussvorrichtung erhöhen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Bewegungsachse des Ventilkörpers und eine Bewegungsachse des Vorsteuerventilkörpers in unterschiedliche Richtungen orientiert sind. Dadurch kann eine Bauhöhe der Verschlussvorrichtung reduziert werden.
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Die Verschlussvorrichtung kann des Weiteren eine Vorsteuerkammeröffnung aufweisen, die ausgebildet ist, um die Vorsteuerkammer mit einer Außenumgebung der Verschlussvorrichtung fluidisch zu verbinden. Insbesondere kann hierbei der Vorsteuerventilkörper ausgeformt sein, um die Vorsteuerkammeröffnung in der Öffnungsposition zu verschließen. Durch eine solche sehr einfach zu realisierende Vorsteuerkammeröffnung kann ein Druck aus der Vorsteuerkammer und der damit verbundenen Steuerkammer abgelassen werden, um ein schnelles Zurückbewegen des Ventilkörpers von der Arbeitsposition in die Ruheposition zu ermöglichen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Verschlussvorrichtung mit einer Antriebseinheit vorgesehen sein, die ausgebildet ist, um den Vorsteuerventilkörper zwischen der Öffnungsposition und der Schließposition zu bewegen. Unter einer Antriebseinheit kann beispielsweise ein elektromagnetischer oder pneumatischer Antrieb verstanden werden. Die Antriebseinheit gewährleistet eine zuverlässige und kontrollierte Betätigung der Verschlussvorrichtung. Aufgrund der geringen Stellkräfte des Vorsteuerventilkörpers kann die Antriebseinheit im Vergleich zu direkt ansteuernden Magnetventilen mit geringen Kosten bereitgestellt werden.
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Ferner kann der Ventilkörper einen zumindest teilweise um den Ventilkörper herum verlaufenden Rand aufweisen, wobei eine der Steuerkammer zugewandte Fläche des Rands als Steuerfläche fungiert. Durch einen solchen einfach zu realisierenden Rand, der beispielsweise als Ring ausgebildet sein kann, lässt sich die Steuerfläche flexibel an unterschiedliche Maße der Ventilgehäuseausnehmung oder einen verfügbaren Druck anpassen. Somit ist eine möglichst effiziente Ansteuerung des Ventilkörpers gewährleistet.
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Die Verschlussvorrichtung kann mit zumindest einem Rückstellelement vorgesehen sein, das in der Ventilgehäuseausnehmung angeordnet ist und ausgebildet ist, um den Ventilkörper von der Arbeitsposition in die Ruheposition zu bewegen. Unter einem Rückstellelement kann beispielsweise ein mechanischer Energiespeicher verstanden werden. Insbesondere kann das Rückstellelement als Feder ausgeführt sein. Dadurch, dass das Rückstellelement über eine lange Lebensdauer eine hohe Energieverfügbarkeit aufweist, lässt sich im Bedarfsfall eine hohe Funktionssicherheit der Verschlussvorrichtung sicherstellen.
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Um einen Druckausgleich zwischen einem Druck der Ventilgehäuseausnehmung und einem Druck einer Umgebung der Verschlussvorrichtung zu ermöglichen, kann die Verschlussvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier gezeigten Ansatzes mit zumindest einem Druckausgleichskanal vorgesehen sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner einen Gasgenerator mit folgenden Merkmalen:
einer Verschlussvorrichtung gemäß einem der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen; und
einem mit einem Fluid befüllbaren Fluidbehälter, der einen an der Ventilgehäuseausnehmung anordenbaren oder angeordneten Fluidbehälterverschluss aufweist.
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Unter einem Fluidbehälter kann beispielsweise ein Gashochdruckspeicher verstanden werden, der etwa mit einer Berstscheibe als Fluidbehälterverschluss fluiddicht verschlossen ist. Ein solcher Fluidbehälter bietet über eine lange Lebensdauer eine sehr gute Dichtheit sowie eine hohe Gasverfügbarkeit im Bedarfsfall.
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Somit ermöglicht der Gasgenerator nicht nur die schnelle und zuverlässige Dosierung eines Fluidstroms, wie er etwa zum Entfalten eines Luftsacks benötigt wird, sondern bietet gleichzeitig auch den Vorteil einer langfristigen Gasdichtheit.
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Eine besonders effiziente Dosierung wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Verschlussvorrichtung gemäß einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen erreicht, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Einleiten eines Fluids in die Ventilgehäuseausnehmung;
Bewegen des Ventilkörpers von der Ruheposition in die Arbeitsposition aufgrund des Beaufschlagens der Steuerfläche mit dem Fluid; und
Schließen des Steuerkanals, um einen Fluidstrom in die Steuerkammer zu unterbrechen.
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Der hier beschriebene Ansatz schafft zudem ein Verfahren zum Herstellen einer Verschlussvorrichtung gemäß einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Ventilgehäuses mit einer Ventilgehäuseausnehmung, wobei das Ventilgehäuse zumindest einen Ableitkanal zum Ableiten eines Fluids aus der Ventilgehäuseausnehmung und zumindest einen Steuerkanal aufweist;
Bereitstellen eines Ventilkörpers, der zumindest einen Durchleitkanal zum Leiten des Fluids durch den Ventilkörper und eine Steuerfläche aufweist; und
Anordnen des Ventilkörpers in der Ventilgehäuseausnehmung, sodass der Ventilkörper zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition verschiebbar ist, wobei der Ventilkörper den Ableitkanal in der Ruheposition freigibt und in der Arbeitsposition verschließt, wobei die Steuerfläche derart in der Ventilgehäuseausnehmung angeordnet wird, dass zwischen der Steuerfläche und dem Ventilgehäuse zumindest eine Steuerkammer ausbildbar ist, wobei der Durchleitkanal mit der Steuerkammer durch den Steuerkanal fluidisch verbunden oder verbindbar ist, und wobei die Steuerfläche ausgebildet ist, um beim Leiten des Fluids in die Ventilgehäuseausnehmung derart mit dem Fluid beaufschlagt zu werden, dass der Ventilkörper durch das Fluid von der Ruheposition in die Arbeitsposition bewegt wird.
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Schließlich schafft der hier vorgestellte Ansatz eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Verschlussvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Gasgenerators in einem Zustand mit einem geöffneten Ventilkörper (Ruheposition) und einem geschlossenen Vorsteuerventilkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Gasgenerators in einem Zustand mit einem geschlossenen Ventilkörper und einem geöffneten Vorsteuerventilkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Gasgenerators in einem Zustand mit einem geöffneten Ventilkörper (Ruheposition) und einem geschlossenen Vorsteuerventilkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Gasgenerators in einem Zustand mit einem geschlossenen Ventilkörper und einem geöffneten Vorsteuerventilkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine schematische Darstellung einer Verschlusseinrichtung mit einem 4/2-Wegeventil gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Verschlussvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Betreiben einer Verschlussvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Verschlussvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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10 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Herstellen einer Verschlussvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Verschlussvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Verschlussvorrichtung 100 umfasst ein Ventilgehäuse 105 mit einer Ventilgehäuseausnehmung 110. In der Ventilgehäuseausnehmung 110 ist ein Ventilkörper 115 entlang einer Bewegungsachse 120 zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition verschiebbar angeordnet. Die Ventilgehäuseausnehmung 110 ist über einen Ableitkanal 125 fluidisch mit einer Außenumgebung der Verschlussvorrichtung 100 verbunden. Der Ableitkanal 125 ist in der Ruheposition freigegeben und in der Arbeitsposition durch den Ventilkörper 115 verschlossen. In 1 ist der Ventilkörper 115 in der Ruheposition dargestellt.
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Der Ventilkörper 115 ist mit einem Durchleitkanal 130 ausgeführt, der in 1 beispielhaft als eine sich entlang der Bewegungsachse 120 erstreckende zentrale Durchgangsöffnung in dem Ventilkörper 115 dargestellt ist. Der Ventilkörper 115 weist zudem eine Steuerfläche 132 auf. Die Steuerfläche 132 bildet zusammen mit einer der Steuerfläche 132 benachbarten Wandfläche des Ventilgehäuses 105 eine Steuerkammer 135 in der Ventilgehäuseausnehmung 110. Das Ventilgehäuse 105 ist ferner mit einem Steuerkanal 140 ausgebildet, der die Steuerkammer 135 mit einem von der Steuerkammer 135 getrennten Bereich der Ventilgehäuseausnehmung 110 fluidisch verbindet.
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Der Ableitkanal 125 ist ausgebildet, um ein in die Ventilgehäuseausnehmung 110 eingeleitetes Fluid aus der Ventilgehäuseausnehmung 110 abzuleiten, wobei das Fluid von einem an der Ventilgehäuseausnehmung angeordneten Druckspeicher bereitgestellt werden kann. Beispielsweise ist der Ableitkanal 125 mit einem hier nicht gezeigten Luftsack verbunden, der ausgebildet ist, um beim Einleiten des Fluids in die Ventilgehäuseausnehmung 110 mit dem Fluid befüllt zu werden. Bei dem Ableitkanal 125 kann es sich um ringförmig um die Ventilgehäuseausnehmung 110 angeordnete Abströmbohrungen handeln.
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Der Durchleitkanal 130 dient dazu, das Fluid durch den Ventilkörper 115 in einen von dem Ableitkanal 125 abgewandten Bereich der Ventilgehäuseausnehmung 110 zu leiten, in den der Steuerkanal 140 mündet. Durch den Steuerkanal 140 strömt das Fluid weiter in die Steuerkammer 135, wo es auf die Steuerfläche 132 trifft. Der Ventilkörper 115 ist ausgebildet, um durch die Beaufschlagung der Steuerfläche 132 mit dem Fluid, das insbesondere unter hohem Druck in die Ventilgehäuseausnehmung 110 eingeleitet werden kann, von der Ruheposition in die Arbeitsposition gebracht zu werden, in der der Ableitkanal 125 durch den Ventilkörper 125 verschlossen ist. 1 zeigt den Ventilkörper 115 in der Ruheposition, in der der Ableitkanal 125 freigegeben ist.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Ventilgehäuseausnehmung 110 über einen Druckausgleichskanal 145 zusätzlich mit einer Außenumgebung der Verschlussvorrichtung 100 verbunden. Der Druckausgleichskanal 145 ist ausgebildet, um einen Druckausgleich zwischen einem Druck der Ventilgehäuseausnehmung 110 und einem Druck der Außenumgebung der Verschlussvorrichtung 100 zu ermöglichen. Durch den Druckausgleich lässt sich der Ventilkörper 115 mit geringem Kraftaufwand von der Arbeitsposition zurück in die Ruheposition bewegen.
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Weiterhin ist der Ventilkörper 115 in 1 mit einem umlaufenden Rand 150 gezeigt. Somit weist der Ventilkörper einen gestuften Aufbau auf, dessen Querschnitt beispielhaft der Form eines kleinen t entspricht. Eine der Steuerkammer 135 zugewandte Wandfläche des Rands 150 fungiert als Steuerfläche 132, die sich im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsachse 120 erstreckt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Ventilkörper 115 als Steuerkolben mit einer Ringfläche als Steuerfläche 132 realisiert sein. Der Ventilkörper 115 kann auch als Differenzkolben bezeichnet werden.
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Zusätzlich umfasst die Verschlussvorrichtung 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Vorsteuerkammer 155, die den Steuerkanal 140 in zwei Teilkanäle trennt. In der Vorsteuerkammer 155 ist ein Vorsteuerventilkörper 157 verschiebbar zwischen einer Öffnungsposition und einer Schließposition angeordnet. Beispielhaft ist der Vorsteuerventilkörper 157 wie der Ventilkörper 115 entlang der Bewegungsachse 120 verschiebbar angeordnet. Der Vorsteuerventilkörper 145 ist ausgebildet, um in der Schließposition die beiden Teilkanäle fluidisch voneinander zu trennen und in der Öffnungsposition eine fluidische Verbindung zwischen den beiden Teilkanälen herzustellen. 1 zeigt den Vorsteuerventilkörper 157 in der Schließposition. Die Schließposition entspricht hier einer Ruheposition des Vorsteuerventilkörpers 157. Mittels des Vorsteuerventilkörpers 157 ist es möglich, einen Fluidstrom in die Steuerkammer 135 zu steuern.
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Der Querschnitt zwischen dem Vorsteuerventilkörper 157 und dem Ventilgehäuse 105 erlaubt eine Rückstellung des Ventilkörpers 115 in dem das Medium aus der Steuerkammer 135 in die Umgebung ausströmen kann, wenn der Vorsteuerventilkörper 157 geschlossen ist. Dies bedeutet, dass der Vorsteuerventilkörper 157 die Ventilgehäuseausnehmung 110 von dem Steuerkanal 140 trennt. In der in 1 dargestellten Ausführungsvariante ist der Querschnitt zwischen dem Vorsteuerventilkörper 157 und dem Ventilgehäuse 105 als Ringspalt dargestellt.
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Der Steuerkanal 140 kann derart ausgeformt sein, dass ein in die Steuerkammer 135 mündendes Kanalende und ein in die Ventilgehäuseausnehmung 110 mündendes Kanalende relativ zur Bewegungsachse 120 versetzt zueinander angeordnet sind, wobei der gegenseitige Versatz einer maximalen Ausdehnung der Steuerkammer 135 entlang der Bewegungsachse 120 entsprechen kann.
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Eine der Steuerfläche 132 gegenüberliegende Wandfläche des Rands 150 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel über ein Rückstellelement 160 mit dem Ventilgehäuse 105 verbunden. Das Rückstellelement ist ausgebildet, um den Ventilkörper 115 von der Arbeitsposition in die Ruheposition zurückzubewegen.
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Der Ventilkörper 115 kann als Ringkolben ausgebildet sein, der durch eine Feder als Rückstellelement 160 stromlos geöffnet ist, wobei der Ableitkanal 125, auch Abströmbohrung genannt, über den Vorsteuerventilkörper 157 verschlossen werden kann.
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2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Gasgenerators 200 in geschlossenem Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Gasgenerator 200 umfasst die in 1 gezeigte Verschlussvorrichtung 100 als Steuerventil sowie einen mit einem Fluid befüllten Fluidbehälter 205 als Druckspeicher, wobei der Fluidbehälter 205 mit einem Fluidbehälterverschluss 210 fluiddicht verschlossen ist. Bei dem Fluid handelt es sich beispielsweise um ein unter Hochdruck stehendes Gas. Der Fluidbehälterverschluss 210 kann als Berstscheibe realisiert sein, die ein einfaches und kostengünstiges Mittel darstellt, um die Gasdichtheit des Fluidbehälters 205 und somit die Funktionsfähigkeit des Gasgenerators 200 im Bedarfsfall über die Lebensdauer des Gasgenerators 200 sicherzustellen. Die Verschlussvorrichtung 100 ist derart an dem Druckbehälter 205 angebracht, dass der Fluidbehälterverschluss 210 der Ventilgehäuseausnehmung 110 gegenüberliegt.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Vorsteuerventilkörper 157 im Unterschied zu 1 nicht entlang der Bewegungsachse 120, sondern entlang einer Steuerachse 217 verschiebbar in der Vorsteuerkammer 155 angeordnet, wobei die Steuerachse 217 beispielhaft senkrecht zu Bewegungsachse 120 verläuft. Der Vorsteuerventilkörper 157 ist mit einer Antriebseinheit 215 gekoppelt, die ausgebildet ist, um den Vorsteuerventilkörper 157 zwischen der Öffnungsposition und der Schließposition zu bewegen. In 2 ist die Antriebseinheit 215 beispielhaft als Hubmagnet dargestellt. Der Vorsteuerventilkörper 157 kann demgemäß auch als Hubmagnet-Vorsteuerventil bezeichnet werden.
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Der Vorsteuerventilkörper 157 ist mit einem kürzeren Kolben 220 und einem längeren Kolben 225 ausgeführt, die sich je entlang der Steuerachse 217 erstrecken. Die Kolben 220, 225 sind über eine Kolbenstange 230 miteinander verbunden und in einem festen Abstand zueinander angeordnet. Ein dem kürzeren Kolben 220 benachbartes Ende der Kolbenstange 230 ist mit der Antriebseinheit 215 mechanisch gekoppelt. Insbesondere kann diese mechanische Kopplung in der Form eines einteiligen Knochenkolbens ausgestaltet sein. In der in 2 gezeigten Schließposition ist der Steuerkanal 140 durch den längeren Kolben 225, auch Schieber genannt, verschlossen.
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Ferner ist das Ventilgehäuse 105 mit einer Vorsteuerkammeröffnung 240 ausgeführt, die ausgebildet ist, um einen Druckausgleich zwischen einem Druck der Vorsteuerkammer 155 und dem Druck der Außenumgebung der Verschlussvorrichtung 100 zu ermöglichen. Die Vorsteuerkammeröffnung 240 ist in der Schließposition freigegeben. Der kürzere Kolben 220 kann ausgebildet sein, um die Vorsteuerkammeröffnung 240 in der hier nicht gezeigten Öffnungsposition zu verschließen.
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Eine von dem kürzeren Kolben 220 abgewandte Seite des längeren Kolbens 255 ist über eine Vorsteuerventilfeder 235 mit dem Ventilgehäuse 105 verbunden. Die Vorsteuerventilfeder 235 ist ausgebildet, um den Vorsteuerventilkörper 157 von der Öffnungsposition zurück in die Schließposition zu bewegen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Gasgenerator 200 als Kaltgasgenerator ausgeführt. Durch die Verwendung eines Kaltgases als Fluid kann ein an den Gasgenerator 200 anschließbarer Luftsack aus einem weniger temperaturbeständigen und kostengünstigeren Material gefertigt werden, sodass sich ein entsprechendes Sicherheitskonzept mit einem im Vergleich zu einer pyrotechnischen Lösung geringeren Aufwand realisierten lässt.
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Die Verschlussvorrichtung 100 kann alternativ auch mit einem pyrotechnischen Gasgenerator 200 kombiniert sein.
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In 2 ist ein stromlos geschlossenes Vorsteuerventil 115 gezeigt. Alternativ kann das Vorsteuerventil 115 auch in einer stromlos geöffneten Variante vorgesehen sein.
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3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Gasgenerators 200 in geöffnetem Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu 2 ist der Fluidbehälterverschluss 210 in 3 geöffnet. Der Fluidbehälterverschluss 210 kann durch eine hier nicht gezeigte Zündvorrichtung geöffnet worden sein. Der Vorsteuerventilkörper 157 befindet sich in der Öffnungsposition, wobei der längere Kolben 225 den Steuerkanal 140 freigibt, sodass die Steuerkammer 135 durch den Steuerkanal 140 mit der Ventilgehäuseausnehmung 110 fluidisch verbunden ist.
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Durch den geöffneten Fluidbehälterverschluss 210 strömt das Fluid mit hohem Druck von dem Fluidbehälter 205 in die Ventilgehäuseausnehmung 110 und durch den Durchleitkanal 130 und den geöffneten Steuerkanal 140 weiter in die Steuerkammer 135, wobei eine durch das Fluid auf die Steuerfläche 132 ausgeübte Kraft größer ist als die Rückstellkraft des Rückstellelements 160. Der Ventilkörper 115 befindet sich somit in der Arbeitsposition, wobei der Ventilkörper 115 den Ableitkanal 125 fluiddicht verschließt.
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Nach dem Öffnen der Berstscheibe 210 kann durch Spaltleckagen ein langfristiger Druckabbau gewährleistet werden. Dadurch können Hilfskräfte geschützt werden.
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4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Gasgenerators 200 in einem Zustand mit geschlossener Berstscheibe, wobei der Ventilkörper in geöffneter Position, der Vorsteuerventilkörper geschlossen, und das Vorsteuerventil in geschlossenem Zustand sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der in 4 gezeigte Gasgenerator 200 entspricht größtenteils dem in 2 gezeigten Aufbau, mit dem Unterschied, dass der Vorsteuerventilkörper 157 als pneumatisches Vorsteuerventil mit einer pneumatischen Antriebseinheit 215 realisiert ist. Hierbei fungiert die Vorsteuerkammeröffnung 240 als Drosselbohrung. Ein Teil der Antriebseinheit 215 ist in einer Aussparung 400 des Ventilgehäuses 105 angeordnet, wobei die Aussparung 400 über einen Verbindungskanal 405 mit der Vorsteuerkammer 155 fluidisch verbindbar ist. Der Verbindungskanal 405 ist in der Schließposition des Vorsteuerventilkörpers 157 durch den längeren Kolben 225 verschlossen.
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5 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Gasgenerators 200 in einem Zustand mit geöffneter Berstscheibe, geschlossenem Ventilkörper, der Vorsteuerventilkörper geschlossen und das Vorsteuerventil in geöffnetem Zustand sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 ist der Vorsteuerventilkörper 157 in der Öffnungsposition und der Ventilkörper 115 in der Arbeitsposition gezeigt. Die Drosselbohrung 240 und der Verbindungskanal 405 sind in der Öffnungsposition freigegeben, wobei die Drosselbohrung 240 durch den kürzeren Kolben 220 fluidisch von dem Steuerkanal 140 getrennt ist, um eine Drosselkammer 500 zu bilden.
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Das Fluid strömt durch den Verbindungskanal 405 in die Aussparung 400. Die Antriebseinheit 215 kann ausgebildet sein, um einen Fluidstrom zwischen der Aussparung 400 und der Drosselkammer 500 zu steuern. Somit ist es möglich, eine der Drosselkammer 500 zugewandte Kolbenfläche des kürzeren Kolbens 220 mit einem Druck zu beaufschlagen, um den Vorsteuerventilkörper 157 durch den Druck in der Öffnungsposition zu halten. Wird der Fluidstrom durch die Antriebseinheit 215 unterbrochen, so kann das Fluid durch die Drosselbohrung 240 in die Außenumgebung des Gasgenerators 200 entweichen. Wenn der Druck der Drosselkammer 500 niedrig genug ist, wird der Vorsteuerventilkörper 157 durch die Federkraft der Vorsteuerventilfeder 235 zurück in die Schließposition bewegt.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Verschlusseinrichtung 100 mit einem 4/2-Wegeventil 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das 4/2-Wegeventil 600 ist sowohl mit der Steuerkammer 135 als auch mit einem der Steuerkammer 135 gegenüberliegenden Bereich 605 der Ventilgehäuseausnehmung 110 fluidisch verbunden, wobei der Bereich 605 durch den Ventilkörper 115 von der Steuerkammer 135 getrennt ist. Das 4/2-Wegeventil 600 ist ausgebildet, um auf einander gegenüberliegende Steuerflächen 132 des Ventilkörpers 115, etwa eines Ringkolbens, zu wirken und somit ein Verschieben des Ventilkörpers 115 zwischen der Ruheposition und der Arbeitsposition zu ermöglichen. Die Steuerflächen 132 können als Ringflächen des Ringkolbens 115 realisiert sein. Dies bietet den Vorteil, dass keine Rückstellfeder zum Zurückbewegen des Ringkolbens 115 in die Ruheposition erforderlich ist und die Verschlussvorrichtung 100 ohne Entlastungsbohrungen realisiert werden kann. Dadurch kann eine Leckage deutlich verringert werden, sodass beispielsweise für eine Mehrfachaktivierung eines Luftsacks eine größere Gasmenge zur Verfügung steht und ein an die Verschlussvorrichtung 100 anschließbarer Druckspeicher entsprechend kleiner ausgeführt werden kann.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Betreiben einer Verschlussvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt 705 wird zunächst ein Fluid in die Ventilgehäuseausnehmung des Ventilgehäuses eingeleitet. Beispielsweise kann das Einleiten des Fluids durch eine Einheit einer Personenschutzvorrichtung eines Fahrzeugs ausgelöst werden. In einem Schritt 710 wird der Ventilkörper aufgrund des Beaufschlagens der Steuerfläche mit dem Fluid von der Ruheposition in die Arbeitsposition bewegt. Schließlich wird in einem Schritt 715 der Steuerkanal geschlossen, um einen Fluidstrom in die Steuerkammer zu unterbrechen. Hierdurch ist gegebenenfalls eine Mehrfachbefüllung möglich.
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Gemäß einem beispielsweise in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Ringkolben 115 bei geschlossenem Vorsteuerventilkörper 157 wie auch bei aktiviertem Druckspeicher 205 kraftausgeglichen. Bei Aktivierung wird die Berstscheibe 210 zerstört. Das Gas entweicht durch Abströmbohrungen 125 zu einem Luftsack. Nach Erreichen eines optimalen Füllgrads des Luftsacks wird über das Vorsteuerventil(-körper) 157 die Ringfläche 132 des Ringkolbens 115 mit Druck beaufschlagt, wodurch der Ringkolben 115 durch eine Ringkolben-Steuerkante die Abströmbohrungen 125 verschließt.
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Bei einer notwendigen Zweit- oder Mehrfachfüllung wird der Vorsteuerventilkörper 157 wieder geschlossen. Der Druck im Ringraum 110 kann über eine Abströmbohrung als Vorsteuerkammeröffnung 240 am Vorsteuerventilkörper 157 entweichen. Der Ringkolben 115 ist somit wieder druckausgeglichen und wird über die Feder 160 in die Ausgangslage gebracht. Durch die geöffneten Kolbensteuerkanten wird der Luftsack wieder gefüllt.
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Um einen stromlos geöffneten Vorsteuerventilkörper 157 zu realisieren, werden die Positionen der Vorsteuerventilfeder 235 und des Hubmagneten 215 miteinander vertauscht. Vor dem Auslösen der Berstscheibe 210 wird der Vorsteuerventilkörper 157 angesteuert und somit geschlossen. Wenn der Luftsack gefüllt ist, wird der Vorsteuerventilkörper 157 stromlos geschaltet, wodurch der Ringkolben 115 die Steuerkante überfährt und somit die Abströmbohrung 125 verschließt. Eine Mehrfachöffnung ist wie vorangehend beschrieben möglich, jedoch mit logisch umgekehrter Ansteuerung des Vorsteuerventilkörpers 157.
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8 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 800 zum Durchführen eines Verfahrens zum Betreiben einer Verschlussvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 800 umfasst eine Einheit 805 zum Einleiten des Fluids in die Ventilgehäuseausnehmung, eine Einheit 810 zum Bewegen des Ventilkörpers von der Ruheposition in die Arbeitsposition aufgrund des Beaufschlagens der Steuerfläche mit dem Fluid sowie eine Einheit 815 zum Schließen des Steuerkanals, um einen Fluidstrom in die Steuerkammer zu unterbrechen. Bei der Vorrichtung 800 handelt es sich beispielsweise um ein Steuergerät einer Personenschutzvorrichtung eines Fahrzeugs.
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9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 900 zum Herstellen einer Verschlussvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zunächst wird in einem Schritt 905 ein Ventilgehäuse mit einer Ventilgehäuseausnehmung bereitgestellt, wobei das Ventilgehäuse zumindest einen Ableitkanal zum Ableiten eines Fluids aus der Ventilgehäuseausnehmung und zumindest einen Steuerkanal aufweist. In einem weiteren Schritt 910 wird ein Ventilkörper bereitgestellt, der zumindest einen durch Durchleitkanal zum Leiten des Fluids durch den Ventilkörper sowie eine Steuerfläche aufweist. Schließlich wird in einem Schritt 915 der Ventilkörper derart in der Ventilgehäuseausnehmung angeordnet, dass der Ventilkörper zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition verschiebbar ist, wobei der Ventilkörper den Ableitkanal in der Ruheposition freigibt und in der Arbeitsposition verschließt. Die Steuerfläche wird ferner derart in der Ventilgehäuseausnehmung angeordnet, dass zwischen der Steuerfläche und dem Ventilgehäuse zumindest eine Steuerkammer ausbildbar ist, wobei der Durchleitkanal mit der Steuerkammer durch den Steuerkanal fluidisch verbunden oder verbindbar ist. Die Steuerfläche ist ausgebildet, um beim Leiten des Fluids in die Ventilgehäuseausnehmung derart mit dem Fluid beaufschlagt zu werden, dass der Ventilkörper durch das Fluid von der Ruheposition in die Arbeitsposition bewegt wird.
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10 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1000 zum Durchführen eines Verfahrens zum Herstellen einer Verschlussvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1000 umfasst eine Einheit 1005 zum Bereitstellen eines Ventilgehäuses mit einer Ventilgehäuseausnehmung, wobei das Ventilgehäuse zumindest einen Ableitkanal zum Ableiten eines Fluids aus der Ventilgehäuseausnehmung und zumindest einen Steuerkanal aufweist. Ferner ist die Vorrichtung mit einer Einheit 1010 zum Bereitstellen eines Ventilkörpers vorgesehen, der zumindest einen Durchleitkanal zum Leiten des Fluids durch den Ventilkörper und eine Steuerfläche aufweist. Schließlich weist die Vorrichtung 1000 eine Einheit 1015 auf, die ausgebildet ist, um den Ventilkörper in der Ventilgehäuseausnehmung anzuordnen, sodass der Ventilkörper zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition verschiebbar ist, wobei der Ventilkörper den Ableitkanal in der Ruheposition freigibt und in der Arbeitsposition verschließt. Die Einheit 1015 ist ferner ausgebildet, um die Steuerfläche derart in der Ventilgehäuseausnehmung anzuordnen, dass zwischen der Steuerfläche und dem Ventilgehäuse zumindest eine Steuerkammer ausbildbar ist, wobei der Durchleitkanal mit der Steuerkammer durch den Steuerkanal fluidisch verbunden oder verbindbar ist.
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Die Steuerfläche ist ausgebildet, um beim Leiten des Fluids in die Ventilgehäuseausnehmung derart mit dem Fluid beaufschlagt zu werden, dass der Ventilkörper durch das Fluid von der Ruheposition in die Arbeitsposition bewegt wird.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007003321 A1 [0003]
