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Die Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil mit einem Kern, einer Spule, einem Spulenträger, auf dem die Spule angeordnet ist, magnetisierbaren Rückschlusselementen, einem translatorisch bewegbaren Anker, auf den bei Bestromung der Spule eine Kraft in Richtung des Kerns wirkt, einer nicht magnetisierbaren Ankerhülse, in der der Anker angeordnet ist, einer Feder mit einer Federkraft, durch die der Anker in eine vom Kern weg weisende Richtung belastet ist, einem Strömungsgehäuse mit einem Einlass, einem Auslass und einem in Strömungsrichtung zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordneten Ventilsitz und einem Ventilschließglied, welches mit dem Anker bewegbar ist und welches auf den Ventilsitz absenkbar ist oder vom Ventilsitz abhebbar ist.
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Derartige Elektromagnetventile werden insbesondere zur Absperrung oder Strömungsmengenregelung von aggressiven Medien verwendet, da die meisten gegen solche Medien unempfindlichen Materialien keine oder zu schlechte magnetische Eigenschaften aufweisen, um als Teile des elektromagnetischen Kreises in Elektromagnetventilen eingesetzt werden zu können. Entsprechend werden bei diesen Ventilen die medienführenden Bereiche von den nicht medienführenden Bereichen getrennt. Eine derartige Trennung ist vor allem im Bereich des Ankers als bewegliches Teil schwierig, welcher damit zumeist im mediendurchströmten Bereich angeordnet ist. Daher wird der Anker in bekannten Ausführungen beispielsweise über Membranen vom mediendurchströmten Raum getrennt. Derartige Ausführungen führen jedoch dazu, dass ein größerer Bauraum benötigt wird und sind schwierig bei größeren Drücken einsetzbar. Alternativ kann daher eine Kapselung des Ankers vorgenommen werden.
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Solche Magnetventile werden beispielsweise zur Dosierung eines Flüssigharnstoffes in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors verwendet, um die dort vorhandenen Stickoxide zu reduzieren. Für eine solche Anwendung werden Magnetventile benötigt, die einerseits bei Drücken von etwa 7 bar zuverlässig arbeiten und andererseits für eine hohe Anzahl an Lastspielwechseln in einem relativ breiten Temperaturspektrum geeignet sein sollen.
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Ein Elektromagnetventil für aggressive Medien mit einem gekapselten Anker ist beispielsweise aus der
DE 23 49 155 A bekannt. Der Anker dieses Ventils weist eine Durchgangsbohrung auf und ist allseitig von einem korrosionsfesten Werkstoff umgeben. Dieser besteht aus einer inneren Hülse, einer äußeren Hülse, einem Deckel, einer Napfzwischenwand und einer Napfseitenwand. Dieser Napf nimmt einen plättchenförmigen und federbelasteten Schließkörper auf, der in Richtung des Ventilsitzes belastet ist. Die korrosionsbeständigen Bauteile müssen zur Bildung einer vollständigen Kapselung des Ankers beispielswiese durch Schweißen miteinander verbunden werden. Der Kern sowie die Spule sind vom mediendurchströmten Bereich ebenfalls durch eine Hülse getrennt. Allerdings ist die Hülse am Strömungsgehäuse lediglich verschweißt, so dass Leckagen zur Spule zu befürchten sind.
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Des Weiteren ist aus der
DE 43 30 325 A1 ein Elektromagnetventil bekannt, bei dem in einer Gleithülse ein Anker geführt ist, wobei die Gleithülse den Kern und den Anker radial umgibt.
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Zusätzlich offenbart die
JP S61-013 077 A einen Anker, an dessen Ende ein Ventilglied aus Kunststoff angeordnet ist, welche von einer Ankerhülse aus nichtmagnetisierbarem Material umgeben sind, wobei das Ventilglied dadurch am Anker gehalten wird, dass das Ende der Hülse umgebogen wird. Auf diese Weise wird zwar der Anker vor dem zu fördernden Fluid geschützt, jedoch nicht der Kern.
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Entsprechend bestehen bei den bekannten Ausführungen die Nachteile, dass entweder der benötigte Bauraum zu groß ist oder keine ausreichende Eignung für die geforderten Drücke von etwa 7 bar vorliegt. Bei einer Kapselung des Ankers ist der Aufwand zur Herstellung dieser Kapselung zu hoch, so dass eine wirtschaftliche Herstellung der bekannten Ausführungsformen nicht möglich ist.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Elektromagnetventil bereit zu stellen, welches geeignet ist, aggressive Medien, wie beispielsweise Harnstoff in großen Temperaturbereichen von beispielsweise etwa –30°C bis etwa 130°C bei hoher Lastwechselzahl und entsprechender erhöhter Lebensdauer bei Drücken von bis zu 8 bar zu dosieren. Diese Ventile sollen wirtschaftlich herstellbar und montierbar sein und möglichst wenig Bauraum benötigen. Das Ventil soll in der Lage sein bei Unterschreiten der Gefriertemperatur des Mediums keinen Schaden zu nehmen und stattdessen das Medium über eine definierte Anzahl an Zyklen wieder auftauen zu können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Elektromagnetventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass die Ankerhülse einteilig ausgeführt ist und eine geschlossene Mantelfläche, die den Anker radial umgibt und einen zum Kern weisenden geschlossenen Boden aufweist, der den Anker am zum Kern weisenden Ende axial begrenzt und am zum Ventilsitz weisenden axialen Ende eine Öffnung aufweist, die durch das Ventilschließglied verschlossen ist, und dass innerhalb des Spulenträgers eine Gleithülse angeordnet ist, welche eine geschlossene radiale Mantelfläche aufweist, in der der Anker mit der Ankerhülse bewegbar ist, wobei ein zum Kern weisender Boden der Gleithülse geschlossen ausgebildet ist, kann die Ankerhülse in einem Verfahrensschritt hergestellt, der Anker eingelassen und in einem folgenden Verfahrensschritt durch die Befestigung des Ventilschließgliedes an der Hülse vollständig gegenüber dem aggressiven Medium abgedichtet, beziehungsweise vollständig gekapselt werden. Entsprechend eignet sich dieses Ventil beispielsweise zum Zu- und Abschalten eines Volumenstroms eines Flüssigharnstoffes. Eine derartige Herstellung des Ankers ist kostengünstig durchzuführen. Des Weiteren weist ein derartiges Ventil eine hohe Temperaturbeständigkeit, Druckbelastbarkeit und Lebensdauer auf. Die Gleithülse kann sowohl die Lagerung beziehungsweise axiale Führung des Ankers als auch die Abkapselung der Spule gegenüber dem inneren durchströmten Bereich übernehmen, so dass auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden kann. Dabei kann durch den zum Kern weisenden geschlossenen Boden der Gleithülse auch der Kern gegenüber dem durchströmten Bereich des Elektromagnetventils abgekapselt werden, ohne zusätzliche Bauteile verwenden zu müssen.
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Vorzugsweise ist die Ankerhülse einteilig durch Tiefziehen hergestellt. Entsprechend kann die Hülse sehr kostengünstig aus einfachem Blech hergestellt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist das Ventilschließglied angespritzt. Ein solches Anspritzen nach dem Fügen des Ankers in die Ankerhülse ist einfach durchführbar und sorgt für einen dichten Verschluss des offenen Endes der Ankerhülse, ohne dass weitere Montageschritte erforderlich sind.
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In einer alternativen Ausführungsform ist das Ventilschließglied elastisch ausgeführt und in die Ankerhülse eingesetzt und das zum Ventilsitz weisende axiale Ende der Ankerhülse ist unter elastischer Verformung eines radial äußeren Bereiches des Ventilschließgliedes gegen den radial äußeren Bereich des Ventilschließgliedes umgebogen. So wird ebenfalls ein dichter Verschluss mit einfachen Mitteln erreicht und ohne dass zusätzliche Montageschritte oder Bauteile erforderlich sind.
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In einer hierzu wiederum weiterführenden Ausbildung der Erfindung ist zwischen dem Strömungsgehäuse und einer sich radial erstreckenden ringförmigen Erweiterung, die am zum Boden entgegengesetzten axialen Ende der Gleithülse ausgebildet ist, ein Dichtring angeordnet ist. Entsprechend wird dieser Dichtring entweder axial oder radial verpresst, so dass ein Leckagestrom des aggressiven Mediums durch den Spalt zwischen dem Strömungsgehäuse und der Gleithülse ausgeschlossen wird. Die Spule und das Äußere des Ventils sind entsprechend zuverlässig geschützt.
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In einer weiterführenden Ausbildung der Erfindung erstreckt sich von der radial erstreckenden ringförmigen Erweiterung der Gleithülse ein Endbereich in Richtung des Aktors, der über den Umfang verteilte federnde Zungen aufweist, wobei das Strömungsgehäuse eine ringförmige innere Ausnehmung aufweist, in die die Zungen des Endbereiches der Gleithülse formschlüssig ragen. Somit kann das Strömungsgehäuse am Endbereich der Gleithülse über einen hinter der Ausnehmung ausgebildeten ringförmigen Vorsprung verrastet werden, wobei gleichzeitig die Dichtung verpresst wird, so dass der Vorsprung in der verrastenden Stellung axial gegen die Zungen belastet wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Feder in einer zentralen Öffnung des Kerns angeordnet. Zusätzlicher radialer Bauraum zur Anordnung der Feder wird entsprechend nicht benötigt, so dass die äußeren Maße des Ventils reduziert werden können.
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In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform weist der Boden der Gleithülse einen hohlzylindrischen zentralen Vorsprung auf, der in die zentrale Öffnung des Kerns ragt und radial gegen den Kern anliegt, wobei die Feder innerhalb des zentralen Vorsprungs geführt ist und mit ihrem ersten axialen Ende gegen das axiale Ende des Vorsprungs anliegt und mit ihrem entgegengesetzten axialen Ende gegen den Boden der Ankerhülse des Ankers anliegt. Die Gleithülse dient somit gleichzeitig auch als Federführung und verhindert entsprechend ein Knicken oder Kippen der Feder, wobei dennoch die Dichtheit des Strömungsraumes nach außen erhalten bleibt.
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Vorzugsweise ist am zum Boden der Ankerhülse weisenden Ende des Ankers eine kreisförmige Ausnehmung ausgebildet, in die eine entsprechende Einbuchtung des Bodens der Ankerhülse ragt, wobei das axiale Ende der Feder gegen die Einbuchtung am Boden der Ankerhülse anliegt. Die Einbuchtung dient als Aufnahme für die Feder, so dass ein Knicken oder Abrutschen am Anker, insbesondere bei Verschluss des Ventils und damit vom Kern weiter entfernt angeordnetem Anker, verhindert wird.
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Um die Betätigungszeit des Ventils zu verkürzen, weist der Anker axial verlaufende Furchen auf, in welche korrespondierende Einbuchtungen der umgebenden Ankerhülse ragen, wobei durch die Furchen und die Einbuchtungen ein axial verlaufender Spalt zwischen der Gleithülse und der Ankerhülse ausgebildet ist, über den eine ständige fluidische Verbindung zwischen dem Einlass oder dem Auslass des Elektromagnetventils und einem Raum zwischen dem Anker und dem Kern besteht. Somit kann das Medium in kürzester Zeit aus dem Raum zwischen Anker und Kern durch einen ausreichend großen durch die Furchen geschaffenen Spalt zwischen der Ankerhülse und der Gleithülse in Richtung des Ventilschließgliedes strömen, wodurch eine Druckerhöhung in diesem Raum ausgeschlossen wird und entsprechend das Ventil deutlich schneller schaltet.
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Es wird somit ein Elektromagnetventil zur Regelung oder Absperrung und Freigabe aggressiver Medien geschaffen, welches auch bei hohen auftretenden Drücken und in einem großen Temperaturbereich eine lange Lebensdauer aufweist. Der Bauraum dieses Elektromagnetventils ist gering und die Montage sowie die Herstellung im Vergleich zu bekannten Ausführungen einfach, so dass das Ventil sehr wirtschaftlich herstellbar ist.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromagnetventils ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Elektromagnetventils in geschnittener Darstellung.
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Das in der 1 dargestellt und zur Dosierung von Flüssigharnstoff in ein Abgassystem geeignete Elektromagnetventil weist einen elektromagnetischen Aktor 10 auf, der aus einer auf einen Spulenträger 12 gewickelten Spule 14 sowie einem innerhalb des Spulenträgers 12 befestigten Kern 16 und einem translatorisch innerhalb des Spulenträgers 12 beweglichen Anker 18 besteht. Die Spule 14 ist von einem Kunststoffgehäuse 19 umgeben, an dem auch ein Stecker zur elektrischen Verbindung der Spule 14 ausgebildet ist. Damit bei Bestromung der Spule 14 der Anker 18 durch die wirkende magnetische Kraft in Richtung des Kerns 16 belastet wird, ist der Kern 16 an seinem zum Anker 18 weg weisenden Ende mit einem ersten Rückschlussblech 20 verbunden, welches wiederum mit einem die Spule 14 umgebenden Joch 22 verbunden ist, dessen Ende an der zum ersten Rückschlussblech 20 entgegengesetzten Seite des Spulenträgers 12 wiederum mit einem zweiten Rückschlussblech 24 verbunden ist, das sich ins radial Innere in Richtung des Ankers 18 zum Schließen des elektromagnetischen Kreises erstreckt. Die Rückschlussbleche 20, 24, das Joch 22, der Kern 16 und der Anker 18 sind aus magnetisierbaren Materialien hergestellt.
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Die Materialien weisen zumeist eine sehr schlechte Resistenz gegen aggressive Medien auf und neigen daher zu Korrosion, wenn sie beispielsweise mit Harnstoff in Kontakt kommen.
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Um einen derartigen Kontakt zu vermeiden, ist der Anker 18 in einer nicht magnetisierbaren Ankerhülse 26 angeordnet, welche aus einem gegen aggressive Medien unempfindlichen Material durch Tiefziehen hergestellt wird. Diese Ankerhülse 26 weist einen Boden 28 auf, welcher der Form des zum Kern 16 weisenden axialen Endes des Ankers 18 angepasst ist sowie eine sich vom Außenumfang des Bodens 28 erstreckende geschlossene Mantelfläche 30 auf, die den Anker 18 radial umgibt und ebenfalls der Form des Ankers 18 angepasst ist. Die Ankerhülse 26 weist am zum Boden 28 entgegengesetzten axialen Ende 32 eine Öffnung 34 auf. Dieses axiale Ende 32 ist jedoch nach radial innen umgebogen. An dieses Ende 32 wird ein Kunststoff angespritzt, der ebenfalls resistent gegen das aggressive Medium ist und die Ankerhülse 26 an ihrem offenen Ende dicht verschließt.
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Dieser angespritzte Kunststoff dient als Ventilschließglied 36 des Elektromagnetventils, welches auf einen Ventilsitz 38 absetzbar ist oder von diesem abhebbar ist. Der Ventilsitz 38 ist als Ringdüse ausgeführt, im Innern eines Strömungsgehäuses 40 eingepresst und umschließt einen zu regelnden Durchströmungsquerschnitt zwischen einem Einlass 42 und einem Auslass 44 des Elektromagnetventils.
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Der Anker 18 gleitet mit der Ankerhülse 26 und dem Ventilschließglied 36 in einer Gleithülse 46, welche ebenfalls aus einem nicht magnetisierbaren, korrosionsunempfindlichen Material durch Tiefziehen hergestellt wird. Diese Gleithülse 46 ist im Innern des Spulenträgers 12 befestigt und weist eine radial gegen den Spulenträger 12 anliegende geschlossene zylindrische Mantelfläche 48 sowie einen geschlossenen Boden 50 auf, der axial gegen den Kern 16 anliegt. Der Kern 16 weist eine zentrale Öffnung 52 in Form eines Sacklochs auf, in welche sich ein entsprechender hohlzylindrischer Vorsprung 54 der Gleithülse 46 erstreckt. Im Innern dieser Öffnung 52 beziehungsweise des radial gegen die Innenwände des Kerns 16 anliegenden Vorsprungs 54 ist eine als Schraubenfeder ausgeführte Feder 56 angeordnet, die sich einerseits am Boden 50 des Vorsprungs 54 der Gleithülse 46 abstützt und andererseits gegen den Boden 28 der Ankerhülse 26 abstützt, der in diesem Bereich eine Einbuchtung 58 aufweist, die sich in eine entsprechend geformte kreisförmige Ausnehmung 60 des Ankers 18 ragt. Der Durchmesser der Feder 56 ist geringfügig kleiner als die zentrale Öffnung 52 des Kerns 16 und die Einbuchtung 58 des Bodens 28, so dass die Öffnung 52 und der Boden 28 als Führungsmittel der Feder 56 dienen, die die Position der Feder 56 über die gesamte Länge radial festlegt. Entsprechend belastet die Feder 56 den Anker 18 und mit ihm das Ventilschließglied 36 in Richtung des Ventilsitzes 38.
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Die Gleithülse 46 weist an ihrem vom Kern 16 entfernten axialen Ende eine sich radial erstreckende ringförmige Erweiterung 62 auf, die in ihrem Endbereich 63 noch einmal in Richtung des Aktors 10 um einen sich axial vom Aktor 10 weg weisenden ringförmigen Vorsprung 64 eines Befestigungsbleches 66 gebogen ist. Die Gleithülse 46 liegt mit ihrer Mantelfläche 48 radial gegen diesen Vorsprung 64 an. Zwischen dem gebogenen Endbereich 63, der aus über den Umfang verteilten federnden Zungen 65, die einen Federfächer bilden, besteht, und einer geraden Fläche 68 des Befestigungsbleches 66, von der aus sich der ringförmige Vorsprung 64 erstreckt, ist eine Lücke ausgebildet, in die ein sich nach radial innen erstreckender ringförmiger Vorsprung 70, der am axialen Ende des Strömungsgehäuses 40 ausgebildet sind, greift. Entsprechend ragen die Zungen 65 in eine Ausnehmung 67, die sich an den Vorsprung 70 anschließt und liegen federnd gegen eine Innenwand dieser Ausnehmung 67 an, wodurch das Strömungsgehäuse 40 am Aktor 10 formschlüssig befestigt ist. Das Strömungsgehäuse 40 weist einen Absatz 72 auf, der axial gegenüberliegend zur sich radial erstreckenden ringförmigen Erweiterung 62 der Gleithülse 46 angeordnet ist. Auf diesen Absatz 72 wird ein Dichtring 74 aufgelegt, welcher beim Aufschieben des Strömungsgehäuses 40 auf die Gleithülse 46 elastisch zwischen der Erweiterung 62 und dem Absatz 72 verformt wird, so dass einerseits der Dichtring 74 verpresst wird und andererseits der Vorsprung 70 axial gegen die Zungen 65 der Gleithülse 46 belastet wird, wodurch Axialbewegungen zwischen dem Strömungsgehäuse 40 und dem Aktor 10 verhindert werden. Durch diese geschlossene Gleithülse 46 und den Dichtring 74 kann das abzusperrende aggressive Medium nicht zur Spule 14 oder zum Kern 16 gelangen, welche entsprechend zuverlässig abgekapselt sind.
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Wird das Elektromagnetventil bestromt und somit der Anker in Richtung des Kerns 16 gezogen, löst sich das Ventilschließglied 36 vom Ventilsitz 38. Diese Bewegung wird normalerweise deutlich durch den Anteil des Mediums gedämpft, welcher sich in der Gleithülse 46 in einem Raum 76 zwischen dem Kern 16 und dem beweglichen Anker 18 befindet, da die beiden Hülsen 26, 46 aufgrund der notwendigen Relativbewegung nicht dicht zueinander ausgeführt werden können. Damit das Medium diesen Raum 76 möglichst schnell verlassen kann, um eine schnelle Bewegung des Ankers 18 zu gewährleisten, sind am Anker 18 zumindest eine, vorzugsweise drei gleichmäßig über den Umfang verteilte, axial verlaufende Furchen 78 ausgebildet, die sich über die gesamte Länge des Ankers 18 erstrecken. Die umgebende Ankerhülse 26 weist an ihrer Mantelfläche 30 entsprechende Einbuchtungen 80 auf, die diesen Furchen 78 angepasst sind, so dass im Bereich der Furchen 78 ein zusätzlicher Spalt 82 zwischen der Gleithülse 46 und der Ankerhülse 26 geschaffen wird, über den das Medium bei der rückwärtigen Bewegung des Ankers 18 schnell abfließen kann. Entsprechend besteht ein schneller Druckausgleich zwischen dem Raum 76 und dem Druck am Auslass 44 des Ventils.
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Das beschriebene Elektromagnetventil ist einfach aufgebaut und zu montieren und kostengünstig herstellbar. Durch die beiden Hülsen besteht eine vollständige Kapselung aller magentisch relevanten Teile gegenüber dem aggressiven Medium. So wird eine lange Lebensdauer sichergestellt. Bei dieser Ausführung können Materialien verwendet werden, die für hohe thermische Belastungen ebenso geeignet sind wie für erhöhte Druckbelastungen und aggressive Medien. Somit eignet sich dieses Ventil auch zur Dosierung von unter einem Druck von bis zu 7 bar stehenden Flüssigharnstoff, der gegenüber magnetisierbaren Metallen aggressiv ist und zu Korrosion führen würde. Dieser wird im Abgasbereich eingesetzt, so dass dieses Ventil auch Temperaturen von etwa 150°C ausgesetzt sein kann. Das Fördermedium kann in diesem Elektromagnetventil, ohne dass Schäden am Elektromagnetventil verursacht werden, im unbetätigten Zustand im Ventilinneren einfrieren und wieder auftauen. Prinzipiell können diese Elektromagnetventile auch für höhere oder niedrigere Drücke ausgelegt werden, indem die Federkraft, die Abmessungen und die Magnetkraft entsprechend aufeinander abgestimmt werden.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. So kann der Dichtring beispielsweise auch als Radialdichtring ausgebildet werden oder das Strömungsgehäuse auf andere Weise am Aktor befestigt werden. Auch eine Befestigung am Anschlussgehäuse muss nicht über ein Befestigungsblech stattfinden. Auch ist es möglich, das Ventilschließglied als andersartiges, abdichtendes Bauteil, welches nicht aus Kunststoff sein muss, in die Ankerhülse einzusetzen und anschließend die Enden der Ankerhülse zu crimpen also gegen das Ventilschließglied zu biegen, wodurch ebenfalls ein dichter Verschluss erreicht wird. Weitere konstruktive Änderungen sind ebenfalls denkbar.
