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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Dosiervorrichtung. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung eine Dosiervorrichtung für eine Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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Bei Brennstoffzellensystemen kommen Dosierventile zur Einstellung der Wasserstoffmenge zum Einsatz. Die Wasserstoffmenge hängt hierbei von einem Hub der Ventilnadel des Dosierventils ab. Um eine genaue Justierung und Feineinstellung zu garantieren, muss der Hub der Dosiernadel genau eingestellt werden. Derartige Dosierventile werden auch zur Einspritzung von Kraftstoff in Motoren verwendet.
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Die Genauigkeit des Dosierventils hängt unter anderem von Fertigungstoleranzen der verwendeten Feder ab, welche eine Vorspannkraft auf die Dosiernadel ausübt. Um eine genaue Justierung zu ermöglichen, ist aus der Druckschrift
US 4610080 A ein Verfahren zum Steuern einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung bekannt, wobei der Hub der Dosiernadel gemessen wird und in Abhängigkeit von dem gemessenen Hub Zwischenscheiben eingesetzt werden, welche die Vorspannkraft beeinflussen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Dosiervorrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Dosiervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 bereit.
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Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung demnach eine Dosiervorrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle, bereit, welche einen länglichen Düsenkörper mit einem Hohlraum aufweist, wobei der Hohlraum einen ersten Endbereich und einen zweiten Endbereich aufweist. In dem ersten Endbereich ist eine Fluidöffnung zur Leitung eines Fluids angeordnet. Eine Düsennadel ist axial verschiebbar in dem Hohlraum angeordnet, wobei die Düsennadel bei Bewegung in Richtung des ersten Endbereichs die Fluidöffnung verschließt und bei Bewegung in Richtung des zweiten Endbereichs die Fluidöffnung zumindest teilweise öffnet. Eine Federeinrichtung ist zwischen einem Wandabschnitt des Düsenkörpers in dem zweiten Endbereich und der Düsennadel angeordnet und übt eine Vorspannkraft auf die Düsennadel in Richtung des ersten Endbereichs aus. Eine Magneteinrichtung ist dazu ausgebildet, ein Magnetfeld derart zu erzeugen, dass die Düsennadel entgegen der Vorspannkraft der Federeinrichtung in Richtung des zweiten Endbereichs bewegbar ist. Der Wandabschnitt des Düsenkörpers ist in dem Endbereich durch eine Krafteinwirkung von außen in axialer Richtung derart verformbar, dass die Vorspannkraft der Federeinrichtung einstellbar ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Dosiervorrichtung. Ein länglicher Düsenkörper wird bereitgestellt, welcher einen Hohlraum mit einem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich aufweist, wobei in dem ersten Endbereich eine Fluidöffnung zur Leitung eines Fluids ausgebildet wird. Eine Düsennadel wird bereitgestellt, welche axial verschiebbar in dem Hohlraum angeordnet wird, wobei die Düsennadel bei Bewegung in Richtung des ersten Endbereichs die Fluidöffnung verschließt und bei Bewegung in Richtung des zweiten Endbereichs die Fluidöffnung öffnet. Eine Federeinrichtung wird zwischen einem Wandabschnitt des Düsenkörpers in dem zweiten Endbereich und der Düsennadel angeordnet, wobei die Federeinrichtung eine Vorspannkraft auf die Düsennadel in Richtung des ersten Endbereichs ausübt. Eine Magneteinrichtung wird angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld derart zu erzeugen, dass die Düsennadel entgegen der Vorspannkraft der Federeinrichtung in Richtung des zweiten Endbereichs bewegbar ist. Zum Verformen des Wandabschnitts des Düsenkörpers wird eine Kraft von außen in axialer Richtung auf den Wandabschnitt des Düsenkörpers in dem zweiten Endbereich ausgeübt, um die Vorspannkraft der Federeinrichtung einzustellen.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Dosiervorrichtung bereit, welche im Betrieb leicht einstellbar ist, sodass Fehlertoleranzen bei der Herstellung leicht nach Installation der Dosiervorrichtung ausgeglichen werden können. So kann ein Techniker durch Ausüben eines Drucks bzw. einer Kraft auf den Wandabschnitt die Vorspannkraft, welche die Federeinrichtung auf die Düsennadel ausübt, erhöhen, und dadurch den Hub der Düsennadel beeinflussen.
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Vorzugsweise ist hierzu der Wandabschnitt derart verformbar, dass auch nach Beendigung der Krafteinwirkung die Verformung anhält. Somit erlaubt es die Erfindung, ohne konstruktive Umbauten die Dosiervorrichtung zu justieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der Düsenkörper eine Hülse, welche den Hohlraum zumindest teilweise umgibt, wobei die Hülse zumindest einen Teil des Wandabschnitts umfasst. Insbesondere kann der Wandabschnitt Teil der Hülse sein. Die Hülse kann insbesondere den Ventilinnenraum bzw. den Hohlraum der Dosiervorrichtung umgeben und abgrenzen.
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Vorzugsweise weist die Hülse in dem Bereich des Wandabschnitts eine geringere Wandstärke auf, als in einem angrenzenden Bereich. Dadurch ist eine leichte Verformbarkeit des Wandabschnitts sichergestellt, sodass ein Techniker bei Inbetriebnahme der Dosiervorrichtung, beispielsweise zur Verwendung für eine Brennstoffzelle, ohne große Kraftanstrengung durch leichten Druck auf den Wandabschnitt die Vorspannkraft der Federeinrichtung einstellen kann.
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Vorzugsweise ist die Hülse aus Metall ausgebildet.
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Vorzugsweise ist die Hülse mittels eines Umformprozesses hergestellt. Die Dosiervorrichtung kann somit sehr kostengünstig hergestellt werden, erlaubt jedoch trotzdem eine präzise Feinjustierung.
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Vorzugsweise umfasst die Dosiervorrichtung eine Kunststoffumspritzung, welche die Hülse zumindest teilweise umgibt, wobei die Kunststoffumspritzung zumindest einen Teil des Wandabschnitts umfasst. Die Kunststoffumspritzung dient als Schutz des Düsenkörpers und vorzugsweise der Magneteinrichtung vor äußeren chemischen oder physikalischen Einflüssen. Insbesondere kann die Kunststoffumspritzung den Wandabschnitt umfassen.
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Vorzugsweise wird der Wandabschnitt durch die Kunststoffumspritzung und durch die Hülse gebildet.
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Vorzugsweise kann die Kunststoffumspritzung in dem Bereich des Wandabschnitts eine geringere Wandstärke aufweisen als in einem angrenzenden Bereich. Dadurch ist die gute Verformbarkeit des Wandabschnitts sichergestellt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Dosiervorrichtung umfasst der Wandabschnitt eine Oberflächenstrukturierung, insbesondere Nuten und/oder Noppen und/oder Rillen. Durch diese Oberflächenstrukturierung kann die benötigte Kraft zur Verformung des Wandabschnitts, welche zur Einstellung der Vorspannkraft der Federeinrichtung benötigt wird, reduziert werden. Die Feinjustierung ist somit komfortabel möglich.
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Vorzugsweise umfasst der Wandabschnitt eine Vertiefung. Insbesondere kann sich der Wandabschnitt in einer Vertiefung des Düsenkörpers befinden. Dadurch kann verhindert werden, dass durch eine unbeabsichtigte Kraftausübung nach dem Ende des Justierungsprozesses die Vorspannkraft der Federeinrichtung versehentlich verstellt wird. Da der zur Einstellung der Vorspannkraft benötigte Wandabschnitt sich innerhalb der Vertiefung befindet, ist dieser gegen eine zufällige Verformung geschützt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Düsenkörper eine Hülse auf, welche mittels eines Umformprozesses hergestellt wird. Die Hülse kann eine zylindrische Seitenwand und einen Hülsenboden aufweisen, wobei in dem Hülsenboden in axialer Richtung eine Vertiefung ausgebildet wird. Die Hülse ist im Bereich des Hülsenbodens flexibel und verformbar und besteht dort beispielsweise aus Kunststoff oder einer dünnen Metallschicht. Zur Schutz des Düsenkörpers kann weiter eine Kunststoffumspritzung um diesen herum ausgebildet werden.
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Zum Einstellen der Vorspannkraft kann der Hülsenboden beispielsweise weiter ins Innere der Dosiervorrichtung gedrückt werden, um die Vorspannkraft der Federeinrichtung zu erhöhen.
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Vorzugsweise wird die Vorspannkraft nach der Montage der Dosiervorrichtung eingestellt.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 Eine schematische Querschnittsansicht einer Dosiervorrichtung gemäß einer Ausführungsformen der Erfindung; und
- 2 eine schematische Querschnittsansicht eines Details der Dosiervorrichtung gemäß einer Ausführungsformen der Erfindung zur Illustration der Verformung des Wandabschnitts.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Verschiedene Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Dosiervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert. Die Dosiervorrichtung 1 ist vorzugsweise für eine Brennstoffzelle vorgesehen und dient beispielsweise der Dosierung der zugeführten Fluidmenge, beispielsweise von Wasserstoff H2.
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Die Dosiervorrichtung 1 umfasst einen länglichen Düsenkörper 2, welcher eine Hülse 21 umfasst. Die Hülse 21 wird vorzugsweise mittels eines Umformprozesses kostengünstig hergestellt. Sie ist länglich ausgebildet und weist einen Seitenwand 211 auf, welche um eine Achse X herum zylindrisch angeordnet ist. Die Hülse 21 umfasst weiter an einem axialen Ende einen Hülsenboden 212, welcher eine Vertiefung aufweist.
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An dem gegenüberliegenden axialen Ende ist die Hülse 21 mit einem ersten Düsenkörperendstück 27 formschlüssig verbunden, wobei das erste Düsenkörperendstück 27 an einem der Hülse 21 abgewandten axialen Ende mit einem zweiten Düsenkörperendstück 28 formschlüssig verbunden ist.
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Die Hülse 21, das erste Düsenkörperendstück 27 und das zweite Düsenkörperendstück 28 bilden den Düsenkörper 2, welcher einen Hohlraum 3 einschließt. Hierbei schließen das erste Düsenkörperendstück 27 und das zweite Düsenkörperendendstück 28 einen ersten Endbereich 31 des Hohlraums 3 ein, während ein zweiter Endbereich 32 des Hohlraums 3 im Bereich des Hülsenbodens 212 gebildet ist.
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Eine Düsennadel 5 ist axial verschiebbar in dem Hohlraum 3 angeordnet. An einem axialen Ende der Düsennadel 5 ist diese über einen Federteller 25 mit einer Federeinrichtung 6 verbunden, wobei die Federeinrichtung 6 entlang der Achse X zwischen einem Wandabschnitt 10 des Düsenkörpers 2 in dem zweiten Endbereich 32 und der Düsennadel 5 angeordnet ist.
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Die Federeinrichtung 6 ist als Schraubenfeder ausgebildet und besteht vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff. Die Federeinrichtung 6 ist dazu ausgebildet, eine Vorspannkraft auf die Düsennadel 5 in Richtung des ersten Endbereichs 31 des Hohlraums 3 auszuüben. Ein Polschuh 22 mit einer zylindrischen Außenseite ist formschlüssig in der Hülse 21 angeordnet und umgibt die Federeinrichtung 6. Eine mit dem Polschuh 22 formschlüssig verbundene Dichtung 24 weist eine Öffnung in axialer Richtung auf und dient der Führung der Düsennadel 5. Der Polschuh 22 und die Dichtung 24 trennen den ersten Endbereich 31 des Hohlraums 3 von einer mittleren Hohlraumkammer 33 des Hohlraums 3.
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Die Düsennadel 5 umfasst eine zylindrische Ankernadel 52 und einen Anker 51, welcher ebenfalls im Wesentlichen zylindrisch ist und um einen mittleren Abschnitt der Ankernadel 52 herum angeordnet ist. Der Anker 51 ist axial beweglich in der mittleren Hohlraumkammer 33 angeordnet. Die Ankernadel 52 erstreckt sich durch eine zweite Dichtung 26 hindurch und in den ersten Endbereich 31 des Hohlraums 3 hinein, wobei die zweite Dichtung 26 formschlüssig in dem ersten Düsenkörperendstück 27 angeordnet ist.
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Das zweite Düsenkörperendstück 28 weist eine Fluideintrittsöffnung 92 auf, welche zum Einleiten eines Gases, beispielsweise von Wasserstoff H2, ausgebildet ist. Die Fluideintrittsöffnung 92 ist über eine Fluidöffnung 4 mit dem ersten Endbereich 31 des Hohlraums 3 verbunden. Über eine Fluidaustrittsöffnung 91 kann ein Fluid aus dem ersten Endbereich 31 heraustreten.
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In der Fluidöffnung 4 ist eine Dichtung 8 angeordnet, welche die Fluidöffhung 4 verschließt, wenn die Düsennadel 5 in Richtung der Fluidöffnung 4 bewegt wird. Die Düsennadel 5 ist somit dazu ausgebildet, bei einer Bewegung in Richtung des ersten Endbereichs 31 die Fluidöffnung 4 zu schließen, sodass kein Fluid von der Fluideintrittsöffnung 92 zur Fluidaustrittsöffnung 91 gelangen kann.
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Um die Hülse 21 herum ist in radialer Richtung eine Magneteinrichtung 7 angeordnet, welche eine Spule umfasst und dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen. Bei Anliegen eines Magnetfelds wird über den Polschuh 22 eine Kraft auf den Anker 51 der Düsennadel 5 ausgeübt, sodass die Düsennadel 5 entgegen der Vorspannkraft der Federeinrichtung 6 in Richtung des zweiten Endbereichs 32 bewegt wird. Die Düsennadel 5 wird von der Fluidöffnung 4 wegbewegt und öffnet die Fluidöffnung 4, sodass ein Fluid von der Gaseintrittsöffnung 92 zur Gasaustrittsöffnung 91 durch die Fluidöffnung 4 strömen kann. Durch Anlegen des Magnetfelds mittels der Magneteinrichtung 7 kann somit die einströmende Fluidmenge gesteuert werden.
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Die Magneteinrichtung 7 sowie der axiale Endbereich der Hülse 21 sind von einer Kunststoffumspritzung 23 umgeben. Die Kunststoffumspritzung 23 umfasst einen zylindrischen Abschnitt 231, welcher axial um die Magneteinrichtung 7 herum angeordnet ist, sowie einen axialen Endabschnitt 232, welcher sich entlang des Hülsenbodens 212 erstreckt. Die Kunststoffumspritzung 23 ist optional.
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In 2 ist eine schematische Querschnittsansicht der Dosiervorrichtung 1 illustriert, wobei der Wandabschnitt 10 des Düsenkörpers 2 detailliert dargestellt wird.
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Wie sich der 2 entnehmen lässt, weist der Hülsenboden 212 einen kreisringförmigen äußeren Hülsenbodenabschnitt 212c auf, welcher sich an die Seitenwand 211 der Hülse 212 anschließt und im Wesentlichen senkrecht zur Achse X ausgebildet ist. Neben diesem in radialer Richtung außen liegenden äußeren Hülsenbodenabschnitt 212c weist der Hülsenboden 212 einen kreisförmigen inneren Hülsenbodenabschnitt 212a auf, welcher ebenfalls im Wesentlichen senkrecht zur Achse X ausgebildet ist. Der innere Hülsenbodenabschnitt 212a ist über einen konisch zulaufenden bzw. geneigten mittleren Hülsenbodenabschnitt 212b mit dem äußeren Hülsenbodenabschnitt 212c verbunden.
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Der Hülsenboden 212 weist eine Vertiefung auf, d. h. der innere Hülsenbodenabschnitt 212a ist relativ zu dem äußeren Hülsenbodenabschnitt 212c entlang der Achse X in Richtung des Hohlraums 3 versetzt angeordnet.
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Der Hülsenboden 212 besteht vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, wobei der innere Hülsenbodenabschnitt 212a vorzugsweise eine Wandstärke dl aufweist welche kleiner ist als die Wandstärke d2 des äußeren Hülsenbodenabschnitts 212c.
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Durch Ausüben einer Krafteinwirkung von außen in radialer Richtung entlang der Achse X auf den inneren Hülsenbodenabschnitt 212a, etwa durch den Finger oder ein Werkzeug eines Technikers, kann der innere Hülsenbodenabschnitt 212a von einer gestrichelt gezeichneten Ausgangsposition um eine Strecke d in Richtung des zweiten Endbereichs 32 des Hohlraums 3 bewegt werden. Die Lage des inneren Hülsenbodenabschnitts 212a wird dadurch vorzugsweise dauerhaft verändert.
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Durch Ausüben des Drucks wird die Federeinrichtung 6 ebenfalls in Richtung des zweiten Endbereichs 32 verschoben. Dadurch wird die auf die Düsennadel 5 ausgeübte Vorspannkraft vergrößert. Somit ist es möglich, nach Inbetriebnahme der Dosiervorrichtung 1 eine Feinjustierung der Vorspannkraft der Federeinrichtung 6 und dadurch der Gegenkraft vorzunehmen, welche die Magneteinrichtung 7 erzeugen muss, um die Düsennadel 5 zum Öffnen der Fluidöffnung 4 in Richtung des zweiten Endabschnitts 32 zu verschieben.
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In der in 2 gezeigten Ausführungsform wird der verformbare Wandabschnitt 10 des Düsenkörpers 2 durch den mittleren Hülsenbodenabschnitt 212b und den inneren Hülsenbodenabschnitt 212a gebildet. Vorzugsweise kann die in 2 gezeigte Hülse 21 zusätzlich von einer Kunststoffumspritzung 23 umgeben sein, wie in 1 illustriert. In diesem Fall wird der verformbare Wandabschnitt 10 zusätzlich von der den mittleren Hülsenbodenabschnitt 212b und den inneren Hülsenbodenabschnitt 212a umgebenden Kunststoffumspritzung 23 gebildet.
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Vorzugsweise ist hierbei eine Wandstärke der Kunststoffumspritzung 23 im Bereich des Wandabschnitts 10 kleiner als in einem angrenzenden Bereich, d. h. im Bereich des äußeren Hülsenbodenabschnitts 212c.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen können Oberflächenstrukturierungen in dem Bereich des Wandabschnitts 10 in der Hülse 21 und/oder in der Kunststoffumspritzung 23 ausgebildet sein. So können Nuten oder Rillen, ausgebildet sein, um die zur Deformierung des Wandabschnitts 10 benötigte Kraft zu reduzieren. Beispielsweise können die Nuten oder Rillen kreisförmig um die Achse X herum angeordnet sein. Weiter können Noppen oder andere Oberflächenstrukturierung vorgesehen sein.
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Die Vertiefung des Hülsenbodens 212 und der Kunststoffumspritzung 23 ist optional. So kann auch nur ein ebener, im Wesentlichen senkrecht zur Achse X ausgebildeter Hülsenboden vorgesehen sein, welcher durch Krafteinwirkung in axialer Richtung verformbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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