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Die Erfindung betrifft ein Tankventil nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Tankventils.
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Ein Tankventil zur Montage an einem Druckgasbehälter ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Ein solches Tankventil wird auch häufig mit dem englischen Begriff On-Tank-Valve bzw. seiner Abkürzung OTV bezeichnet. Das Tankventil ist dabei ein Aufbau mit einem Grundkörper, welcher zumindest zwei Abschnitte aufweist, wobei ein erster Grundkörperabschnitt im montierten Zustand in den Druckgasbehälter ragt und dichtend mit diesem verbunden ist. Typischerweise ist dieser erste Grundkörperabschnitt über ein Außengewinde in ein Innengewinde einer korrespondierenden Aufnahme des Druckgasbehälters eingeschraubt. Neben diesem im montiertem Zustand innerhalb des Druckgasbehälters bzw. seines Anschlussgewindes liegenden ersten Grundkörperabschnitt hat der Grundkörper typischerweise einen zweiten Grundkörperabschnitt, welcher sich im montiertem Zustand außerhalb des Druckgasbehälters befindet. Einer oder typischerweise beide der Grundkörperabschnitte weisen nun sogenannte Funktionsuntergruppen auf, welche zur Realisierung der Funktionalität des Tankventils notwendig sind. Derartige Funktionsuntergruppen können beispielsweise ein Entnahmeventil, ein Rückschlagventil in einer Betankungsleitung, ein Sicherheitsventil, ein (manuelles) Absperrventil, ein Filter, eine Anschlussbuchse für eine Betankungs- und/oder Entnahmeleitung oder Ähnliches sein.
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Beispielhaft soll hinsichtlich eines derartigen Tankventils auf die
JP 2009-168165 A hingewiesen werden, welche ein solches unter der Bezeichnung Hochdruckventil zeigt. Weitere derartige Ventile sind beispielsweise aus der
US 2009/0146094 A1 oder in der Ausgestaltung als Pilotventil auch aus der
EP 1 682 801 B1 bekannt.
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In der Praxis ist es nun so, dass derartige Druckgasbehälter mit einem Tankventil beispielsweise im Bereich von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Dort spielt typischerweise der Aufbau des Tankventils und damit die sich aus der Kombination von Druckgasbehälter und Tankventil ergebende Baulänge eine entscheidende Rolle. Diese Baulänge ist durch die Einbausituation im Kraftfahrzeug typischerweise vorgegeben. Je größer die Baugröße des Tankventils, und hier insbesondere die axiale Baugröße des zweiten Grundkörperabschnitts, welcher außerhalb des Druckgasbehälters liegt, desto kleiner ist das Innenvolumen des Druckgasbehälters und damit seine Kapazität hinsichtlich des zu speichernden Gases, welches in dem Fahrzeug typischerweise als Brennstoff dient. Für durch das Fahrzeug zu erreichenden Reichweite stellt ein großes Bauvolumen des Tankventils also einen erheblichen Nachteil dar.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, den genannten Nachteil zu vermeiden und einen sicheren, zuverlässigen und insbesondere hinsichtlich der sich an die axiale Länge des Druckgasbehälters anschließenden axialen Ausdehnung optimierten Aufbau eines Tankventils anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Tankventil mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 10 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung eines derartigen Tankventils angegeben.
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Das erfindungsgemäße Tankventil weist, ähnlich wie die Tankventile gemäß dem Stand der Technik, einen Grundkörper auf, in welchen mehrere Funktionsuntergruppen zur Betankung des Druckgasspeichers, zur Entnahme von Gas aus dem Druckgasspeicher sowie zur Umsetzung von Sicherheitsfunktionen integriert sind. Ein erster Grundkörperabschnitt ragt dabei in das Innere des Druckgasbehälters und ist insbesondere über ein Gewinde mit einer korrespondierenden Aufnahme in dem Druckgasbehälter, im montierten Zustand dichtend mit diesem verbunden. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass alle in dem zweiten Grundkörperabschnitt, also dem im montierten Zustand außerhalb des Druckgasbehälters liegenden Abschnitt des Grundkörpers, angeordneten Funktionsuntergruppen in einer Ebene angeordnet sind. Diese Anordnung in einer Ebene bezieht sich dabei auf die primäre axiale Ausrichtung und die Betätigungsrichtung der einzelnen Funktionsuntergruppen. Insbesondere können die Funktionsuntergruppen so ausgestaltet sein, sodass sie mit dem Grundkörper verschraubt werden können. Die Mittelachsen der Bohrungen in dem Grundkörper mit den Gewinden zur Aufnahme derartiger Funktionsuntergruppen sind bei dem erfindungsgemäßen Tankventil dabei in einer einzigen Ebene des Grundkörpers angeordnet. Diese Integration aller Funktionsuntergruppen in dem zweiten Grundkörperabschnitt innerhalb einer einzigen Ebene ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau des zweiten Grundkörperabschnitts. Dieser kann beispielsweise beim Einsatz in einem Druckgasbehälter zur Speicherung von Wasserstoff bei einem Nenndruck von 70 MPa so ausgestaltet werden, dass er eine Dicke von lediglich ca. 25 bis 35 mm aufweist. Hierdurch ist ein außerordentlich kompakter Aufbau des erfindungsgemäßen Tankventils möglich.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist die Ebene dabei senkrecht zu einer zentralen Achse des ersten Grundkörperabschnitts und insbesondere zu einer zentralen Achse des Druckgasbehälters angeordnet. Der erste Grundkörperabschnitt weist typischerweise eine zentrale Achse auf, welche im Allgemeinen mit der zentralen Achse des Druckgasbehälters zusammenfällt, da der erste Grundkörperabschnitt typischerweise mit einer zentralen Aufnahme des Druckgasbehälters verschraubt ist. Zu dieser zentralen Achse, also der Drehachse des Tankventils beim Einschrauben in den Druckgasbehälter, ist die Ebene, welche die Funktionsuntergruppen des zweiten Grundkörperabschnitts aufweist, senkrecht angeordnet. Hierdurch ist ein außerordentlich kompakter Aufbau möglich, bei welchem die axiale Länge des Druckgasbehälters mit montiertem Tankventil außerordentlich klein ist. Insbesondere bei der Verwendung zur Speicherung von Brennstoff in einem Fahrzeug ist dies ein erheblicher Vorteil, da der zur Verfügung stehende Bauraum so in der Art ausgenutzt werden kann, dass das maximale Speichervolumen des Druckgasbehälters realisiert werden kann. Hierdurch lässt sich eine entsprechend große Reichweite des Fahrzeugs erreichen. Insbesondere kann die Reichweite gegenüber der Verwendung von herkömmlichen Tankventilen bei unverändertem in dem Fahrzeug zur Verfügung stehenden Bauraum durch eine Vergrößerung des Volumens des Druckgasbehälters gesteigert werden.
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Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung der Idee sind die Funktionsuntergruppen dabei parallel und/oder sternförmig in dem zweiten Grundkörperabschnitt angeordnet. Innerhalb der Ebene sind die Funktionsuntergruppen also parallel und/oder sternförmig in dem zweiten Grundkörperabschnitt angeordnet. Dies ermöglicht auch hinsichtlich des Bauraums in radialer Richtung, bezogen auf eine zentrale Achse der Ebene, eine sehr kompakte Anordnung. Dies reduziert auch in dieser Richtung den benötigten Bauraum und dient insbesondere auch zur Gewichtseinsparung, da der Grundkörper entsprechend kompakt und mit weniger Material realisiert werden kann. Darüber hinaus erledigt diese Anordnung ein sehr einfaches und effizientes Bohren der Aufnahmen für die Funktionsuntergruppen sowie der in dem zweiten Grundkörperabschnitt verlangenden Kanäle.
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Wie bereits erwähnt können die Funktionsuntergruppen, und so ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Tankventils auch vorgesehen, mit dem Grundkörper verschraubt ausgebildet sein.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Tankventils sieht es nun ferner vor, dass der Grundkörper aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann er insbesondere geschmiedet sein. Eine solche Herstellung des Grundkörpers aus einer Aluminiumlegierung, insbesondere als Schmiedebauteil, ist einfach, kostengünstig, erlaubt die Herstellung eines hochfesten sowie gleichzeitig leichten Bauteils. Die Funktionsuntergruppen können dann typischerweise aus einem nicht rostenden Stahlmaterial ausgebildet verschraubt sein.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Tankventils können dabei in dem zweiten Grundkörperabschnitt zumindest einige der folgenden Funktionsuntergruppen integriert sein:
- – Entnahmeventil, insbesondere in Form eines Pilotventils, welches vorzugsweise elektromagnetisch betätigbar ist;
- – Sicherheitsventil, insbesondere ein thermisch auslösendes Sicherheitsventil;
- – ein Absperrventil, vorzugsweise ein manuell betätigbares Absperrventil;
- – Entleerventil, insbesondere ein manuell betätigbares Entleerventil;
- – Filter, insbesondere Einlassfilter;
- – ein Gasanschluss zur Betankung und/oder Entnahme von Gas;
- – ein Abblasanschluss, welcher insbesondere mit einem Leitungselement verbindbar ist, welches zur Abfuhr von Gas dient, das über das Sicherheitsventil und/oder das Entleerventil entweicht.
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Weitere an sich bekannte Funktionsuntergruppen, welche dem Fachmann grundlegend bekannt sind, können ebenfalls im Bereich des zweiten Grundkörperabschnitts integriert ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Tankventils kann es nun ferner vorgesehen sein, dass in dem ersten Grundkörperabschnitt weitere Funktionsuntergruppen angeordnet sind. Weitere Funktionsuntergruppen können also ergänzend zu den Funktionsuntergruppen im zweiten Grundkörperabschnitt auch in dem ersten Grundkörperabschnitt angeordnet sein. Sie sind dort insbesondere parallel zur zentralen Achse des ersten Grundkörperabschnitts und damit senkrecht zu der Ebene, in welcher die Funktionsuntergruppen im zweiten Grundkörperabschnitt erfindungsgemäß zu liegen kommen, angeordnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee können die Funktionsuntergruppen in dem ersten Grundkörperabschnitt dabei zumindest
- – ein Rückschlagventil in einer Betankungsleitung;
- – eine Rohrbruchsicherung;
- – eine starre Blende in einem zu einem Sicherheitsventil führenden Leitungsabschnitt; und/oder
- – ein Sicherheitsventil, insbesondere ein thermisch auslösendes Sicherheitsventil
umfassen.
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Die Integration insbesondere dieser bis zu vier genannten Funktionsuntergruppen in dem ersten Grundkörperabschnitt hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass diese Funktionsuntergruppen in dem ersten Grundkörperabschnitt sehr geschützt angeordnet sind. Sollte es beispielsweise infolge eines Unfalls oder dergleichen dazu kommen, dass der zweite Grundkörperabschnitt von dem Druckgasbehälter mit dem darin noch enthaltenen ersten Grundkörperabschnitt abgeschert wird, dann wird das Leitungselement mit der Rohrbruchsicherung zwar ggf. abgeschert, die Rohrbruchsicherung bleibt jedoch unversehrt. Eine solche Rohrbruchsicherung stellt sicher, dass im Falle eines Bruchs oder eines Defekts eines Leitungselements dieses verschlossen wird. Sie kann insbesondere aus einer Ventileinrichtung bestehen, welche in Abhängigkeit eines Differenzdrucks zwischen der einen dem Inneren des Druckgasbehälters zugewandten Seite und der anderen der Abströmseite einer Entnahmeleitung zugewandten Seite wirkt. Liegt auf der Seite der Entnahmeleitung kein Druck mehr vor oder senkt sich dieser rapide ab, beispielweise weil die Leitung abgeschert wird, dann verschließt die Rohrbruchsicherung mit einem Ventilkörper das Leitungselement und verhindert so das Abströmen von Gas aus dem Druckgasspeicher. Gleichzeitig ist über das Rückschlagventil in der Betankungsleitung und den im Druckgasbehälter befindlichen Druck die Betankungsleitung sicher verschlossen. Damit kann typischerweise kein Gas unkontrolliert aus dem Druckgasbehälter entweichen. Ist ein weiteres Leitungselement vorhanden, welches als dauerhaft offenes Leitungselement durch den ersten Grundkörperabschnitt verläuft, und mit einem Sicherheitsventil im zweiten Grundkörperabschnitt in Verbindung steht, dann kann dieses Leitungselement insbesondere eine starre Blende aufweisen. Gas wird dann durch dieses Leitungselement und die starre Blende abströmen. Durch die sehr robuste starre Blende kann dabei der Volumenstrom begrenzt werden, sodass auch hier für den Fall, dass Gas aus dem Druckgasbehälter abströmt, dieses Abströmen durch die starre Blende in einer konstruktiv vorgegebenen Art und Weise kontrolliert wird. Ein unkontrolliertes Abströmen von Gas ist damit nicht möglich, solange der Druckgasbehälter als solches nicht beschädigt wird. Die sicherheitsrelevanten Bauteile, wie insbesondere das Rückschlagventil in der Betankungsleitung, die Rohrbruchsicherung und gegebenenfalls die starre Blende sind im ersten Grundkörperabschnitt, welcher sich im Inneren einer typischerweise über ein Gewinde ausgestalteten Aufnahme des Druckgasbehälters befindet, in jedem Fall sicher platziert und werden im Falle einer Beschädigung zumeist nicht oder erst bei einer sehr starken Beschädigung beeinträchtigt.
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Der erste Grundkörperabschnitt kann als eine der Funktionsgruppen dabei auch das Sicherheitsventil, welches vorzugsweise als thermisch auslösendes Sicherheitsventil ausgebildet ist, umfassen. In diesem Fall ist das Sicherheitsventil dann selbstverständlich nicht, wie zuvor in einer bevorzugten Ausführungsvariante beschrieben, in dem zweiten Grundkörper-abschnitt angeordnet. Neben der erhöhten Sicherheit innerhalb des ersten Grundkörper-abschnitts hat der Aufbau darüber hinaus den Vorteil, dass der zweite Grundkörperabschnitt mit noch geringerer Bauhöhe realisiert werden kann, wenn auf ein weiteres Einbauteil, wie das thermisch auslösende Sicherheitsventil, verzichtet werden kann. Dadurch dass der Grundkörper typischerweise aus einem gut wärmeleitenden Material wie beispielsweise Aluminium besteht, wird im Falle einer unerwünschten Erhitzung der gesamte Grundkörper entsprechend erhitzt, sodass das thermisch auslösende Sicherheitsventil auch bei einer Anordnung im Inneren des ersten Grundkörperabschnitts zuverlässig auslösen kann.
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Wie bereits mehrfach erwähnt, liegt der entscheidende Vorteil des Tankventils insbesondere in seiner geringen Bauhöhe, vor allem in der geringen Bauhöhe des zweiten Grundkörperabschnitts sowie in der sicheren, einfachen Funktionalität. Außerdem kann es kostengünstig sowie mit leichtem Gewicht ausgeführt werden. All diese Vorteile wirken sich insbesondere bei Fahrzeuganwendungen entsprechend vorteilhaft aus. Deshalb ist eine Verwendung des Tankventils gemäß Anspruch 10 an einem Druckgasbehälter zur Speicherung von Wasserstoff oder Erdgas, und hier insbesondere bei einem Nenndruck von mehr als 65 MPa, als Brennstoff in einem Fahrzeug vorgesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Tankventils sowie seiner Verwendung ergeben sich außerdem aus den weiteren abhängigen Unteransprüchen sowie aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig dargestelltes Fahrzeug mit einem Speichersystem für komprimiertes Gas als Brennstoff;
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2 eine dreidimensionale Darstellung einer möglichen Ausführungsform eines Tankventils gemäß der Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung eines Teils eines Druckgasbehälters mit montiertem Tankventil;
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4 eine schematische Schnittdarstellung gemäß der Linie IV-IV in 3;
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5 eine schematische Schnittdarstellung durch den im montiertem Zustand in den Druckgasbehälter ragenden Bereich eines Tankventils gemäß der Erfindung; und
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6 eine schematische Schnittdarstellung durch den im montiertem Zustand in den Druckgasbehälter ragenden Bereich eines Tankventils gemäß der Erfindung und gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung; und
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7 eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Tankventils mit allen seinen Funktionsuntergruppen in einem pneumatischen Fließbild.
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In der Darstellung der 1 ist rein beispielhaft ein Fahrzeug 1 angedeutet. Dieses soll mit einem gasförmigen Brennstoff, beispielsweise mit komprimiertem Erdgas oder komprimiertem Wasserstoff, angetrieben werden. Der Brennstoff kann dazu in einem Verbrennungsmotor oder insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff vorzugsweise auch in einem Brennstoffzellensystem in die für den Antrieb genutzte Leistung umgesetzt werden. Zur Speicherung des komprimierten Gases ist in dem Fahrzeug 1 eine in ihrer Gesamtheit mit 2 bezeichnete Speichervorrichtung vorhanden. Diese besteht aus mehreren einzelnen Druckgasbehältern 3, von denen jeder ein Tankventil 4 trägt. Dieses Tankventil 4 wird auch als On-Tank-Valve oder abgekürzt als OTV bezeichnet. Die einzelnen Druckgasbehälter 3 können dabei zusammen mit ihren Tankventilen 4 beispielsweise so wie es aus dem eingangs erwähnten Stand der Technik bekannt ist, über eine gemeinsame Leitung miteinander verbunden sein, sodass Gas aus der Speichervorrichtung 2 in dem Fahrzeug genutzt werden kann. Insbesondere bei der Speicherung von Wasserstoff, beispielsweise für die bevorzugte Anwendung in einem Brennstoffzellensystem, liegt dabei der Nenndruck bei derartigen Druckgasbehältern 3 mit ihren Tankventilen 4 typischerweise in der Größenordnung von 70 MPa. Neben den Sicherheitsanforderungen an die einzelnen Druckgasbehälter 3 sowie ihre Tankventile 4 müssen außerdem hohe Anforderungen hinsichtlich der Dichtheit aber auch hinsichtlich der Möglichkeit, diese sicher, zuverlässig und kostengünstig herzustellen, gestellt werden.
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In der Darstellung der
2 ist eine dreidimensionale Darstellung eines Tankventils
4 zu erkennen. Das Tankventil
4 umfasst dabei einen Grundkörper
5, welcher im Wesentlichen aus zwei Abschnitten besteht. Ein erster Grundkörperabschnitt
5.1 ist so ausgebildet, dass er im späteren montierten Zustand des Tankventils
4 in den jeweiligen Druckgasbehälter
3 ragt. Er weist dafür in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein mit
6 bezeichnetes Gewinde auf, welches mit einem entsprechenden Gewinde in einem Aufnahmeelement
7, welches in der Darstellung der
3 teilweise angedeutet ist, des Druckgasbehälters
3 entsprechend zusammenwirkt. Dieser erste Grundkörperabschnitt
5.1 weist außerdem eine in der Darstellung der
2 angedeutete Dichteinrichtung beispielsweise aus einem oder mehreren Dichtringen und/oder Stützringen auf. Ein zweiter Grundkörperabschnitt
5.2 ist in der Darstellung der
2 im unteren Bereich des Tankventils
4 zu erkennen. Dieser zweite Grundkörperabschnitt
5.2 befindet sich nach der Montage des Tankventils
4 außerhalb des Druckgasbehälters
3, wie es beispielsweise in der in
3, in einer schematischen Seitenansicht, angedeuteten Art. Der zweite Grundkörperabschnitt
5.2 weist dabei mehrere sogenannte Funktionsuntergruppen des Tankventils
4 auf. Die Funktionsuntergruppen im zweiten Grundkörperabschnitt
5.2 umfassen dabei ein elektromagnetisch betätigtes Pilotventil
9 als Entnahmeventil zur Entnahme von Gas aus dem Druckgasbehälter
3. Es wird über eine mit
10 bezeichnete elektromagnetische Spule betätigt, wobei in der Darstellung der
2 und
3 lediglich die elektromagnetische Spule
10 zu erkennen ist. In der Darstellung der
4 ist das Pilotventil
9 selbst schematisch angedeutet. Hinsichtlich der Funktionalität eines solchen Pilotventils kann beispielhaft auf die Ausführungen in der
DE 10 2013 019 978 A1 der Anmelderin hingewiesen werden.
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In der Darstellung der 2 sind weitere in den zweiten Grundkörperabschnitt 5.2 integrierte beziehungsweise an diesen in Richtung des Inneren des Druckgasbehälters 3 montierte Funktionsuntergruppen zu erkennen. Diese sind beispielsweise zwei parallel zueinander angeordnete manuelle Ventile 11, 12, wobei das manuelle Ventil 11 als manuelles Absperrventil 11 ausgebildet und das manuelle Ventil 12 als manuelles Entleerventil 12 ausgestaltet ist. Das manuelle Absperrventil 11 und das manuelle Entleerventil 12 sind in der Darstellung der 4 ebenfalls nochmals angedeutet. Sie können insbesondere so aufgebaut sein, dass sie in ihrem Aufbau identisch realisiert sind. Der Einbau erfolgt dabei so, dass das manuelle Absperrventil 11 im Einbauzustand und Normalzustand geöffnet und das manuelle Entleerventil 12 im Einbauzustand und im Normalzustand entsprechend geschlossen ist. Auf Details in der Funktionsweise wird dabei später im Rahmen der Beschreibung der Darstellung in 4 näher eingegangen.
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Als weitere Funktionsuntergruppe in dem zweiten Grundkörperabschnitt
5.2 ist nun außerdem der Teil eines thermisch auslösenden Sicherheitsventils
13 zu erkennen. Solche thermisch auslösenden Sicherheitsventile sind prinzipiell aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. In einer üblichen Ausführungsform wird hier eine Schraube eingesetzt, welche eine zentrale Bohrung aufweist. In der zentralen Bohrung befindet sich ein Lot oder ein über ein Lot festgehaltener Sperrkörper. Erhitzt sich der Bereich des Tankventils
4 bzw. des thermisch auslösenden Sicherheitsventils
13 über die Schmelztemperatur des Lots hinaus, dann wird die Durchgangsbohrung in der Schraube freigegeben und das mit der Schraube in dauerhafter Verbindung stehende Gas im Inneren des Druckgasbehälters
3 kann abströmen. Eine Alternative hierzu, welche insbesondere im europäischen und amerikanischen Markt sehr häufig eingesetzt wird, besteht in einem Aufbau, bei welchem ein Ventilkörper von einer Glasampulle mit einer leicht siedenden Flüssigkeit in Position gehalten wird. Der Siedepunkt der Flüssigkeit in der Glasampulle ist so abgestimmt, dass diese bei einer kritischen Temperatur des thermisch auslösenden Sicherheitsventils
13 beginnt zu sieden. Durch die Volumenzunahme beim Sieden wird die Glasampulle zerstört und gibt den Ventilkörper gegenüber dem Ventilsitz frei. Durch den Druck des Gases in dem Druckgasbehälter, welcher an dem Ventilkörper ansteht, wird dieser in eine geöffnete Position, weg von dem Ventilsitz, bewegt, sodass das Gas aus dem Druckgasbehälter
3 abströmen kann. Hierfür dient in der Darstellung der
2 und
4 eine mit
14 bezeichnete Abblasleitung, welche bei einem Ansprechen des thermisch auslösenden Sicherheitsventils
13 mit dem Inneren des Druckgasbehälters
3 verbunden wird. Neben der Abblasleitung
14 bzw. ihrer Öffnung im zweiten Grundkörperabschnitt
5.2 des Tankventils
4 liegt eine in den Figuren mit
15 bezeichnete Gewindebohrung, welche zur Aufnahme einer Schraube geeignet ist. Hier kann eine sogenannte Abblasleitung bzw. Venting Tube einfach und zuverlässig angeschraubt werden, beispielsweise in der Art, wie es in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2013 015 515 A1 der Anmelderin beschrieben ist.
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Als weitere Funktionsuntergruppe im Bereich des zweiten Grundkörperabschnitts 5.2 ist in der Darstellung der 2 ein Gasanschluss 16 zu erkennen. Dieser Gasanschluss kann beispielsweise zur Entnahme von Gas aus dem Druckgasbehälter über das Pilotventil 9 und/oder zur Betankung des Druckgasbehälters 3 verwendet werden. In der Darstellung der 4 ist außerdem zu erkennen, dass integriert in den Gasanschluss 16, ein mit 17 bezeichneter Filter angeordnet ist, welcher insbesondere bei der Verwendung des Gasanschlusses 16 zur Betankung des Druckgasbehälters 3 Verschmutzungen in dem in den Druckgasbehälter 3 strömenden Gas aus diesem herausfiltert.
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Ein weiteres in der Darstellung der 2 erkennbares Element im Bereich des zweiten Grundkörperabschnitts 5.2 bzw. im Bereich der elektromagnetischen Spule 10 ist dabei ein mit 18 bezeichneter Steckanschluss, über welchen einerseits die elektromagnetische Spule 10 und damit das Pilotventil 9 und andererseits Messdaten, beispielsweise die eines mit 19 bezeichneten Temperatursensors, übertragen werden können. Insbesondere weist das Tankventil 4 dabei den elektrischen Steckanschluss 18 als einzigen elektrischen Anschluss auf, sodass die Verkabelung der Speichervorrichtung 2 entsprechend einfach und effizient zu gestalten ist.
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Neben dem Temperatursensor 19 ist im Bereich des ersten Grundkörperabschnitts 5.1 außerdem ein auf diesem in Richtung des Inneren des Druckgasbehälters 3 montierter leicht gebogener Rohrabschnitt 21 zu erkennen. Seine Ausgestaltung ist dabei so gewählt, dass er das einströmende Gas bei der Betankung des Druckgasbehälters 3 möglichst so in den Druckgasbehälter 3 verteilt, dass es zu einer Durchmischung des Gases und damit einer zuverlässigen Messung der Temperatur durch den Temperatursensor 19 kommt. Eine Austrittsöffnung 42 des gebogenen Rohrabschnitts 21 ist dabei idealerweise gegenüber des Nenndurchmessers im Strömungsquerschnitt verengt, um eine Strahlbildung des in den Druckgasbehälter 3 einströmenden Gases zu unterstützen. Damit wird eine bessere Vermischung des Gases mit dem im Inneren des Druckgasbehälters befindlichen Restgas erzielt, sodass insgesamt eine homogenere Temperaturverteilung erreicht wird. Dies kommt der zuverlässigen Messung der Temperatur durch den Temperatursensor 19 zugute.
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In der 2 ist außerdem zu erkennen, dass auf dem ersten Grundkörperabschnitt 5.1 eine insgesamt mit 43 bezeichnetes Bauteil montiert ist, welches nachfolgend auch als Zusammenbaufilter 43 bezeichnet wird. Dieser Zusammenbaufilter umfasst dabei einen Filter 20, sowie eine Rohrbruchsicherung 22 und ein Rückschlagventil 26. Die Rohrbruchsicherung 22 sowie das Rückschlagventil 26 sind dabei einige der Funktionsuntergruppen, welche in dem Ausführungsbeispiel der 2 nicht in den ersten Grundkörperabschnitt 5.2 integriert, sondern auf diesen aufmontiert sind. Die Funktionalität dieser beiden Funktionsuntergruppen, der Rohrbruchsicherung 22 und das Rückschlagventil 26, wird nachfolgend an ihrem ebenso denkbaren integrierten Aufbau noch im Detail beschrieben.
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Weitere Funktionsuntergruppen können dabei auch im Inneren des ersten Grundkörperabschnitts 5.1 integriert ausgeführt sein. Die Funktionsuntergruppen, welche nach der Montage des Tankventils 4 im Inneren des Druckgasbehälters 3 entsprechend geschützt angeordnet sind, umfassen dabei zumindest die Rohrbruchsicherung 22 sowie ein Rückschlagventil 23 in einer Betankungsleitung 24, welche in den Rohrabschnitt 21 mündet. Ferner kann in dem Entnahmepfad, welcher die Rohrbruchsicherung 22 aufweist, ein weiteres Rückschlagventil 26 angeordnet sein, welches sicherstellt, dass im Fall einer Betankung das Gas über die Betankungsleitung 24 und den Rohrabschnitt 21 in den Druckgasbehälter 3 einströmt, und dass im Falle einer Entnahme von Gas über das Pilotventil 9 die Strömung durch den Filter 20 und die Entnahmeleitung 25 erfolgt. Über das Rückschlagventil 26 wird also faktisch bei deaktiviertem Pilotventil 9 ausgewählt, ob die Strömung des Gases durch die Betankungsleitung 24 oder durch die Entnahmeleitung 25 erfolgt. Das Rückschlagventil 26 könnte somit auch als Auswahlventil für den Strömungsweg bezeichnet werden.
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Wie bereits erwähnt, können das Rückschlagventil 26, die Rohrbruchsicherung 22 sowie der Filter 20 als Zusammenbaufilter integriert und in Richtung des Inneren des Druckgasbehälters 3 an den ersten Grundkörperabschnitt 5.1. anmontiert werden. In Strömungsrichtung des Gases bei der Entnahme liegen die beiden Ventileinrichtungen 22, 26 dabei vor dem Filter 20, sodass eventuell im Bereich der Ventileinrichtungen 22, 26 abgeriebene Partikel von dem Filter 20 zurückgehalten werden und nicht in den Bereich des Pilotventils 9 gelangen können.
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Alternativ dazu können diese Bauteile auch in den Grundkörperabschnitt 5.1 integriert ausgeführt werden, wie es in der Darstellung der 5 teilweise angedeutet ist. In der Darstellung der 5 ist ferner eine gestrichelt angedeutete optionale weitere Funktionsuntergruppe in Form einer starren Blende 27 in einem zu dem thermisch auslösenden Sicherheitsventil 13 führenden Leitungselement 28 zu erkennen. Das Leitungselement 28 ist dabei ohne weitere Ventileinrichtungen am einen Ende des ersten Grundkörperabschnitts 5.1 mit dem Inneren des Druckgasbehälters 3 verbunden. An seinem anderen Ende steht es in Verbindung mit dem thermisch auslösenden Sicherheitsventil 13, sodass auch im Falle einer Fehlfunktion einer weiteren Ventileinrichtung in jedem Fall sichergestellt ist, dass beim Ansprechen des thermisch auslösenden Sicherheitsventils das Gas aus dem Druckgasbehälter 3 wie gewünscht abströmt.
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Die alternative Darstellung in 6 zeigt, dass prinzipiell auch das Sicherheitsventil 13 statt in den zweiten Grundkörperabschnitt 5.2 in dem ersten Grundkörperabschnitt 5.1 angeordnet werden kann, beispielsweise in Strömungsrichtung des abströmenden Gases nach der Blende 27, wie in der Darstellung der 6 angedeutet, oder auch in Strömungsrichtung vor der Blende 27 wenn dies hinsichtlich des Bauraums innerhalb des ersten Grundkörperabschnitts 5.1 von Vorteil wäre. Das Sicherheitsventil 13 als Funktionsuntergruppe kann also sowohl in der ersten Grundkörperabschnitt 5.1 integriert werden, wie es in der Darstellung der 6 zu erkennen ist, als auch in dem zweiten Grundkörperabschnitt 5.2 vorgesehen werden, wie es in den Darstellungen der 2 und 5 erkennbar ist. Nachfolgend wird es daher in beiden Bauvarianten, je nach Ausgestaltung der jeweiligen Figur entsprechend erwähnt.
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Die Funktionsuntergruppen 13, 22, 23 und gegebenenfalls 27 sowie ergänzend die Funktionsuntergruppe 26 sind anders als in dem Beispiel gemäß 2 hier in dem ersten Grundkörperabschnitt 5.1 des Tankventils 4 angeordnet. Kommt es bei einer Beschädigung der Speichervorrichtung 2 zur Beeinträchtigung einzelner Druckgasbehälter 3 und ihrer Tankventile 4, dann kann dies insbesondere zu einem Abscheren des Tankventils 4 von dem Druckgasbehälter 3 führen. In diesem Fall würde beispielsweise der zweite Grundkörperabschnitt 5.2 ganz oder teilweise abgeschert. Ohne dass der Druckgasbehälter 3 selbst beschädigt wird, wird typischerweise die erste Funktionsuntergruppe 5.1 im Inneren des Aufnahmeelements 7 des Druckgasbehälters verbleiben, mit welchem er verschraubt ist. Die dort angeordneten Funktionsuntergruppen 13, 22, 23, 27, 26 sind also besonders gut geschützt, was insbesondere bei den sicherheitsrelevanten Funktionsuntergruppen 13, 22 und 23 ein entscheidender Sicherheitsvorteil ist.
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Die in dem zweiten Grundkörperabschnitt 5.2 angeordneten Funktionsuntergruppen 9, 11, 12, 13, 14, 16, 17 sowie die mit dem Pilotventil 9 korrespondierende und fluchtend mit ihm zusammenwirkende elektromagnetische Spule 10, in welche ein Teil des Pilotventils 9 entsprechend hineinragt, sind bezüglich ihrer in der Darstellung der 4 jeweils angedeuteten primären axialen Ausrichtung, welche durch die entsprechenden Achsen 9a, 11a, 12a, 13a, 14a, 16a angedeutet ist, in einer einzigen Ebene, nämlich der in der Darstellung der 4 dargestellten Schnittebene IV-IV, welche auch aus der Darstellung der 3 erkenntlich wird, aufgebaut. Diese Anordnung der in dem zweiten Grundkörperabschnitt 5.2 befindlichen Funktionsuntergruppen 9, 11, 12, 13, 14, 16, 17 ermöglicht eine außerordentlich kompakte Anordnung des gesamten Aufbaus in der axialen Richtung a bezogen auf die Achse A, welche in den 3 und 5 dargestellt ist. Insbesondere beträgt die in der Darstellung der 3 eingezeichnete Dicke D des zweiten Grundkörperabschnitts 5.2 weniger als ca. 40 mm. Der zweite Grundkörperabschnitt 5.2 ist dabei in idealer Weise aus einer Aluminiumlegierung durch Schmieden einstückig zusammen mit dem ersten Grundkörperabschnitt 5.1 aufgebaut. In den Grundkörper werden dann die Funktionsuntergruppen entsprechend integriert. Im ersten Grundkörperabschnitt 5.1 erfolgt dies in der Darstellung der 2 von oben, also von der späteren innerhalb des Druckgasbehälters 3 liegenden Seite her. Die anderen Elemente werden in der in 4 dargestellten Ebene entsprechend montiert, beispielsweise indem die einzelnen Funktionsuntergruppen als vormontierte Elemente in den zweiten Grundkörperabschnitt 5.2 eingeschraubt werden. Die Funktionsuntergruppen sind dabei typischerweise aus hierfür geeigneten Materialien, wie insbesondere nichtrostenden Stählen und im Bereich der Dichtsitze gegebenenfalls auch Kunststoffen, hergestellt. Durch die bereits mehrfach angesprochene Anordnung in der einen Ebene IV-IV lässt sich der gewünschte sehr kompakte Aufbau realisieren.
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Die Darstellung in der 7 zeigt wiederum angedeutet den Grundkörper 5 des Tankventils 4 mit dem ersten Grundkörperabschnitt 5.1, welcher im montierten Zustand im Inneren des Druckgasbehälters liegt und den zweiten Grundkörperabschnitt 5.2, welcher typischerweise außerhalb des Druckgasbehälters verbleibt. Den Kern des Tankventils 4 bildet dabei das Pilotventil 9 mit seiner elektromagnetischen Spule 10 und einer mit 29 bezeichneten thermoelektrischen Sicherung. Als weitere Funktionsuntergruppen sind das manuelle Absperrventil 11, das manuelle Entleerventil 12, das thermisch auslösende Sicherheitsventil 13 sowie der Gasanschluss 16 und der Filter 17 zu erkennen. Im ersten Grundkörperabschnitt 5.1 befinden sich die Rohrbruchsicherung 22, das Rückschlagventil 23 in der Betankungsleitung 24 sowie das Rückschlagventil 26 in der Entnahmeleitung 25. Wie oben bereits erwähnt und in der Darstellung der 2 zu erkennen, können das Rückschlagventil 26 und die Rohrbruchsicherung 22 auch, bevorzugt zusammen mit dem Filter 20, an den ersten Grundkörperabschnitt 5.1 auf seiner im Inneren des Druckgasbehälters 3 zugewandten Seite als Zusammenbaufilter 43 anmontiert werden.
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Die Entnahmeleitung 25, welche in der Darstellung der 4 nicht erkennbar ist, aber im Prinzip von unten in den Bereich des Pilotventils 9 münden würde, steht dann über dem mit 30 in den 4 und 7 bezeichneten Leitungsabschnitt mit dem Gasanschluss 16 in Verbindung. Dazwischen befindet sich das manuelle Absperrventil 11, welches im Normalfall, so wie es in der Darstellung der 7 zu erkennen ist, geöffnet ist. In der Darstellung der 4 kann das manuelle Absperrventil 11 beispielsweise entlang seiner Achse 11a auf die Querschnittserweiterung des Leitungsabschnitts 30 entsprechend wirken, beispielsweise in dem diese als Ventilsitz für einen nicht dargestellten Ventilkörper des Absperrventils 11 ausgebildet ist. Nach dem manuellen Absperrventil 11 zweigen außerdem die Entnahmeleitung 25 und die Betankungsleitung 24 ab. In der Darstellung der 7 sind außerdem der Rohrabschnitt 21, der Temperatursensor 19 sowie der Filter 20 für die Entnahmeleitung 25 zu erkennen.
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Nachfolgend sollen nun die einzelnen Funktionalitäten anhand des in 7 dargestellten Beispiels erläutert werden:
Bei einer Betankung des Druckgasbehälters 3 strömt Gas über den Gasanschluss 16 und den Filter 17 durch das geöffnete manuelle Absperrventil 11. Der Druck steht dann sowohl in der Betankungsleitung 24 als auch am Pilotventil 9 über dem Leitungsabschnitt 30 an. Ferner steht der Druck am normalerweise geschlossenen manuellen Entleerventil 12 über einen mit 31 bezeichneten Leitungsabschnitt an. Der normale Weg des Gases ist nun der, über die Betankungsleitung 24 durch das Rückschlagventil 23, welches vom Druck des Gases geöffnet wird, und durch den Rohrabschnitt 21 in den Druckgasbehälter. Bei Pilotventilen 9 ist eine sichere Abdichtung bei einer Anströmung in Gegenrichtung nicht bzw. bei höherer Druckdifferenz nicht immer zu gewährleisten. Aus diesem Grund befindet sich in der Entnahmeleitung 25, welche über das Pilotventil 29 mit dem Leitungsabschnitt 30 in Verbindung steht, das Rückschlagventil 26, welches verhindert, dass Gas bei der Betankung über die Entnahmeleitung 25 in den Druckgasbehälter 3 strömt. Dies wäre insbesondere deshalb unerwünscht, da einerseits eine sehr starke Durchströmung des Pilotventils entgegen der geplanten Strömungsrichtung zu einer Beschädigung von Elementen des Pilotventils führen könnte. Außerdem würde das Gas über den Filter 20 in einem Bereich aus dem Tankventil 4 austreten, indem dieses sehr direkt in Kontakt mit dem Temperatursensor 19 käme. Der Temperatursensor 19, welcher eines der entscheidenden Abschaltkriterien bei der Betankung des Druckgasbehälters 3 liefert, würde dann unnötig stark abgekühlt, sodass die Betankung im schlimmsten Fall zu früh beendet werden würde.
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Im umgekehrten Fall erfolgt die Entnahme von Gas nun so, dass das Rückschlagventil 23, unterstützt durch die angedeutete Feder, sperrt. Das Gas strömt dann in die Entnahmeleitung 25 ein. Es strömt über die im Normalzustand geöffnete Rohrbruchsicherung 22 und das im Entnahmefall geöffnete Rückschlagventil 26 zu dem Filter 20 und von dort zum Pilotventil 9. Die gewünschte Menge an Gas wird durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung der elektromagnetischen Spule 10 und über den elektrischen Steckanschluss 18 realisiert. Die gewünschte Entnahmemenge strömt dann wiederum über den Leitungsabschnitt 30 und das im Normalfall geöffnete manuelle Absperrventil 11 zum Gasanschluss 16 und von dort weiter, beispielsweise zu einem Druckregler, und dann in einen Verbrennungsmotor, ein Brennstoffzellensystem, eine Heißgasturbine oder eine sonstige Nutzanwendung.
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Über das manuelle Absperrventil 11 kann, wie der Name schon sagt, das Tankventil 4 manuell abgesperrt werden. Hierfür wird es von seiner in 7 dargestellten geöffneten Normalposition in die andere Position bewegt und sperrt somit den Leitungsabschnitt 30 und damit den Entnahmepfad ebenso wie die Betankungsleitung 24 entsprechend ab, indem sie diese vom Gasanschluss 16 trennt. Dies kann beispielsweise im Rahmen einer Wartung, einer Störung oder dergleichen sinnvoll genutzt werden.
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Über den Leitungsabschnitt 31 bleibt das manuelle Entleerventil mit dem Gasanschluss 16 verbunden. Es ist in der Darstellung der 7 in seiner normalen geschlossenen Position dargestellt. An seinem anderen Ende ist es mit dem Leitungselement 28 verbunden, welches das Innere des Druckgasbehälters 3 mit dem thermisch auslösenden Sicherheitsventil 13 – welches wie erwähnt auch im ersten Grundkörperabschnitt 5.1 angeordnet sein könnte – verbindet, und welches die angesprochene starre Blende 27 aufweisen kann. Soll der Druckgasbehälter 3 nun entleert werden, dann kann das manuelle Entleerventil von seiner in 7 dargestellten geschlossenen in die geöffnete Position bewegt werden. Das Gas strömt dann über das Leitungselement 28 und das Leitungselement 31 über den Gasanschluss 16 ab.
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Ein weiteres denkbares Szenario wäre das Auslösen des thermisch auslösenden Sicherheitsventils 13. Wird beispielsweise eine Glasampulle mit leicht siedender Flüssigkeit in dem thermisch auslösenden Sicherheitsventil 13 zerstört, dann wechselt dieses, wie oben bereits beschrieben worden ist, von seiner in 7 dargestellten normalerweise geschlossenen Position in die andere geöffnete Position. Über das Leitungselement 28 kann das Gas dann zur Abblasleitung 14 strömen. In diesem Bereich ist typischerweise ein weiteres Leitungselement, eine sogenannte Venting Tube, angeschlossen, welche das Gas, insbesondere bei Fahrzeuganwendungen, in einen unkritischen Bereich abführt. Diesbezüglich kann auf die oben bereits erwähnte deutsche Anmeldung der Anmelderin verwiesen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2009-168165 A [0003]
- US 2009/0146094 A1 [0003]
- EP 1682801 B1 [0003]
- DE 102013019978 A1 [0029]
- DE 102013015515 A1 [0031]
