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Die Erfindung betrifft ein Rückschlagventil mit Absperrfunktion gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs. Die Erfindung betrifft ferner eine Wärmepumpe mit einem solchen absperrbaren Rückschlagventil.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedenartige Ventile zur Absperrung eines Fluidstroms bekannt. Zwei bekannte Vertreter von Absperrventilen sind Rückschlagventile und elektrische Absperrventile. Ein elektrisches Absperrventil benötigt bei großen Druckdifferenzen zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Ventils hohe Kräfte und somit einen leistungsstarken elektrischen Antrieb. Ferner sind die Querschnitte für elektrische Absperrventile begrenzt, wobei mit der Änderung des Durchmessers eine entsprechende Anpassung des Antriebsmoments notwendig ist. Zudem ist die Dichtheit nicht immer sichergestellt, da in der Regel keine Anpresskraft vorhanden ist, welche den Schließkörper gegen einen Ventilsitz des elektrischen Absperrventils presst.
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Rein mechanische Rückschlagventile schalten ausschließlich bei einer Druckdifferenz und können nicht bewusst in der geschlossenen Position gehalten werden, wenn die Druckdifferenz einen bestimmten Schwellenwert, welcher in der Regel durch die Federkraft einer auf das Schließglied wirkenden Feder definiert ist, übersteigt. Um die Vorteile der beiden Ventile zu koppeln und das Regeln des Fluidstroms zu verbessern, sind aufwendige und komplexe Sonderlösungen notwendig.
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Aus der
DE 100 56 876 A1 ist ein entsperrbares Rückschlagventil bekannt, welches einen Ventilkörper und einer Bohrung des Ventilkörper axial verschiebbares Schließglied aufweist. An dem Schließglied ist ein Feinsteuerzapfen ausgebildet. In einer Sperrstellung unterbricht das Schließglied den Durchfluss eines Fluids von einem ersten Ventilraum zu einem zweiten Ventilraum. Ferner weist das Rückschlagventil einen Entsperrstößel auf, der koaxial zu dem Schließglied angeordnet ist und ebenfalls axial verschiebbar ist, um einen sich beim Eintauchen des Feinsteuerzapfens in den zweiten Ventilraum einstellenden Überdruck abbauen zu können und damit eine Verzögerung des Schließvorgangs zu vermeiden, zweigt zumindest in Durchlassstellung des Schließglieds von dem zweiten Ventilraum ein Überdruckabbaukanal ab. Auch wenn über den Entsperrstößel eine Bewegung des Schließgliedes gegen die hydraulischen Kräfte und die Federkraft möglich ist, so ist die in der
DE 100 56 876 A1 vergleichsweise komplex und aufwendig. Zudem ermöglicht die vorgeschlagene Konstruktion keine Verriegelung des Schließgliedes in der Sperrstellung.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes Rückschlagventil vorzuschlagen, welches bei geringen Kosten und kompakter Bauweise die Vorteile eines elektrischen Absperrventils und eines rein mechanischen Rückschlagventils vereint.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Rückschlagventil mit einem Ventilkörper, in dem eine Bohrung mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung ausgebildet ist, wobei in dem Ventilkörper ein in axialer Richtung verschiebbares Schließglied angeordnet ist. Das Schließglied wird durch eine Ventilfeder gegen einen Ventilsitz gedrückt. An dem Schließglied ist eine Ausnehmung vorgesehen, in welcher ein in radialer Richtung verschiebbares Verriegelungselement angeordnet ist, welches über ein Stellelement derart in eine Vertiefung der Ausnehmung eingeschoben werden kann, dass eine axiale Bewegung des Schließgliedes gesperrt ist. Das erfindungsgemäße Rückschlagventil hat den Vorteil gegenüber einem elektrischen Absperrventil, dass die Dichtheit am Ventilsitz durch das Anpressen des Schließgliedes gegen den Ventilsitz über die Ventilfeder erhöht ist und zum Schalten des Rückschlagventils ein vergleichsweise geringer Energiebedarf besteht, da nur das Verriegelungselement bewegt werden muss und nicht das Schließglied gegen den Betriebsdruck in dem Fluidkreislauf bewegt werden muss. Das erfindungsgemäße Rückschlagventil hat gegenüber einem rein mechanischen Rückschlagventil den Vorteil, dass es sich einfach und betriebssicher in einer geschlossenen Position verriegeln lässt und nicht zwangsweise bei einem Druckanstieg auf der Einlassseite öffnet. Somit lässt sich ein Rückschlagventil darstellen, welches eine hohe Dichtheit aufweist und sich auch mit geringem Energieaufwand bei hohen Betriebsdrücken beziehungsweise Druckdifferenzen schalten lässt.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Rückschlagventils möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Stellelement ein elektrisch verstellbares Stellelement ist. Prinzipiell ist auch eine mechanische, hydraulische oder pneumatische Ansteuerung des Verriegelungselements denkbar. Ein elektrisches Stellelement lässt sich jedoch besonders einfach und kostengünstig realisieren und weist im Vergleich zu einem hydraulischen oder pneumatischen Verriegelungselement kürzere Schaltzeiten auf. Durch die prinzipielle Funktion des Rückschlagventils über die fluidisch wirkenden Kräfte wird für das elektrische Stellelement deutlich weniger Energie als für ein in der Funktion vergleichbares elektrisches Absperrventil benötigt, wobei durch die mechanische Vorspannung des Schließgliedes über die Ventilfeder zudem eine höhere Dichtheit erreicht wird.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Stellelement eine Magnetspule aufweist, welche über eine Magnetkraft ein Anheben oder Absenken des Verriegelungselements bewirkt. Dabei kann die Verriegelung sowohl als stromlos offene als auch als stromlos geschlossene Verriegelung ausgeführt werden. Zudem kann die Bewegung des Schließgliedes über die Schwerkraft und eine der Schwerkraft entgegenwirkende Magnetkraft erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Schließglied über eine Feder vorgespannt werden, sodass kürzere Schaltzeiten realisiert werden können. Dabei besteht das Schließglied vorzugsweise aus einem magnetisierbaren Material, insbesondere einem magnetisierbaren Stahl oder weist einen Magnetanker aus einem solchen Material auf.
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Gemäß einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass an dem Schließglied ein Dichtungsteller ausgebildet oder angeordnet ist, welcher mit dem Ventilsitz in Wirkverbindung treten kann. Durch einen Ventilteller ist eine Abdichtung auf einem flachen Dichtsitz möglich, wodurch eine besonders kompakte Ausführung des Rückschlagventils möglich ist. Zudem können die Anpresskräfte reduziert werden, wodurch der Verschleiß an dem Ventilsitz, insbesondere an einem auf dem Ventilsitz angeordneten Dichtelement, verringert werden kann.
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Ferner ist mit Vorteil vorgesehen, dass an dem Schließglied ein Federteller ausgebildet ist, an welchem sich die Ventilfeder abstützt. Dabei ist die Ventilfeder zwischen dem Federteller und einem Absatz an einem in die Bohrung des Ventilkörpers eingesetzten Fixierelement angeordnet, sodass die Ventilfeder vorgespannt ist und das Schließglied in einem fluidisch kräftefreien Betriebszustand gegen den Ventilsitz drückt. Durch den Federteller, welcher vorzugsweise einstückig mit dem Schließglied als Absatz des Schließgliedes ausgebildet ist, ist eine besonders einfache Aufnahme der Ventilfeder an dem Schließglied möglich.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Ausnehmung für das Verriegelungselement zwischen dem Dichtungsteller und dem Federteller des Schließgliedes ausgebildet ist. Dadurch liegt die Ausnehmung in einem Bereich des Schließgliedes, welcher sonst funktional nicht genutzt wird. In diesem Bereich ist ein ungestörtes Verriegeln und Entriegeln des Verriegelungselements in der Vertiefung der Ausnehmung möglich, wobei die Ausnehmung breiter als das Verriegelungselement ist und eine axiale Bewegung des Schließgliedes erlaubt, wenn das Verriegelungselement nicht in die Vertiefung der Ausnehmung eingetaucht ist. Dabei können der Dichtteller und/oder der Federteller als Anschlag für das Verriegelungselement dienen, wodurch das maximale Abheben des Schließglieds vom Dichtsitz durch ein Anliegen des Verriegelungselements an einer dem Dichtsitz abgewandten Stirnseite des Dichtungstellers begrenzt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Rückschlagventils ist vorgesehen, dass die Vertiefung eine konische Zentrierfläche zur Zentrierung des Verriegelungselements aufweist. Dadurch wird ein Einführen des Verriegelungselements in die Vertiefung zum Sperren des Schließgliedes erleichtert. Durch die Zentrierfläche können geringfügige Positionsabweichungen ausgeglichen werden, wobei das Verrieglungselement durch ein Eintauchen in die Vertiefung ein Anpressen des Dichtungstellers gegen den Ventilsitz unterstützen und somit die Dichtheit des Rückschlagventils erhöhen kann.
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Bevorzugt ist dabei, wenn das Verriegelungselement als Verriegelungsstift ausgebildet ist, wobei der Verriegelungsstift an seinem dem Schließglied zugewandten Ende eine konische Spitze aufweist. Durch eine konische Spitze an dem Verriegelungsstift wird ein Eintauchen des Verriegelungsstiftes in die Vertiefung erleichtert, wodurch die Verrieglungsfunktion des Rückschlagventils verbessert wird.
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In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass in den Ventilkörper ein Fixierelement mit einem Absatz eingesetzt ist, über welchen die Federvorspannung der Ventilfeder einstellbar ist. Dabei ist das Fixierelement entweder in die Bohrung eingepresst oder mittels eines Gewindes in die Bohrung des Ventilkörpers eingeschraubt. Dabei lässt sich die Vorspannung der Ventilfeder einstellen, sodass Fertigungstoleranz bedingt Unterschiede ausgeglichen werden können. Dadurch können die Fertigungstoleranzen vergrößert werden, wodurch die Fertigungskosten gesenkt werden können. Alternativ kann bei gleichen Toleranzen der Ausschuss durch die Möglichkeit der nachträglichen Einstellbarkeit der Federvorspannung reduziert werden.
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Erfindungsgemäß wird eine Wärmepumpe zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuges vorgeschlagen, wobei in einem Kältemittel- oder Wärmeträgerkreislauf der Wärmepumpe ein erfindungsgemäßes Rückschlagventil angeordnet ist. Bei Fahrzeugen ohne Verbrennungsmotor ist eine klassische Beheizung des Innenraums über den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors und einen Wärmetauscher nicht möglich. Auch der Antrieb eines Klimakompressors über einen mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Riementrieb ist bei einer elektrischen Antriebsmaschine nicht vorhanden, sodass bei einem Kraftfahrzeug mit reinem Elektroantrieb eine andere Art des Antriebs des Klimakompressors vorzusehen ist.
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Alternativ kann das Rückschlagventil auch in einem Kältemittelkreislauf oder Wärmeträgerkreislauf einer Wärmepumpe im Bereich der Haustechnik eingesetzt werden. Im Bereich der Haustechnik ersetzen Wärmepumpen zunehmend konventionelle Öl- oder Gasheizungen und sorgen für eine ökologische Alternative zu einer Beheizung eines Gebäudes über die Verbrennung von fossilen Brennstoffen. Dabei kann insbesondere bei der Nutzung von mehreren Wärmequellen eine teilautomatische oder vollautomatische Zuschaltung oder Absperrung der Wärmequellen erfolgen, sodass jeweils die Wärmequelle mit der höchsten Wärmeausbeute und dem besten thermischen Wirkungsgrad genutzt werden kann. Durch die Rückschlagfunktion des erfindungsgemäßen Rückschlagventils kann sich ein solches Rückschlagventil selbst verriegeln und mit Hilfe des elektrischen Stellglieds zusätzlich auch mechanisch verriegelt werden. Somit können einzelne Wärmequellen gezielt entkoppelt werden, beispielsweise, wenn ein Teilbereich des Gebäudes geheizt und ein anderer Teilbereich des Gebäudes über eine Klimaanlage gekühlt werden soll. Somit ist eine quasi vollautomatische Temperatursteuerung eines Wohngebäudes möglich.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. Dabei sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit der gleichen Funktion durch gleiche Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Rückschlagventil mit Absperrfunktion in einer geöffneten Stellung, in der ein Fluid durch das Rückschlagventil strömen kann;
- 2 ein erfindungsgemäßes Rückschlagventil mit Absperrfunktion, wobei das Rückschlagventil durch eine entsprechende fluidische Belastung in seine geschlossene Position gedrückt wird; und
- 3 ein erfindungsgemäßes Rückschlagventil mit Absperrfunktion, wobei das Schließglied in einer geschlossenen Position des Rückschlagventils durch einen Verriegelungsstift verschlossen ist.
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1 zeigt eine erfindungsgemäßes Rückschlagventil 10 mit einer Absperrfunktion. Das Rückschlagventil 10 umfasst einen Ventilkörper 12 mit einer zentrischen Bohrung 70, welche eine Einlassöffnung 14 und eine Auslassöffnung 16 aufweist. Die Bohrung 70 weist eine Stufe 22 auf, an welcher ein Ventilsitz 18 ausgebildet ist. An dem Ventilsitz 18 ist ein Dichtelement 20 angeordnet. In der Bohrung 70 ist ein in axialer Richtung entlang einer Mittelachse 72 verschiebbares Schließglied 24 angeordnet. Das Schließglied 24 weist einen zylindrischen Grundkörper 68, einen Dichtungsteller 38 und einen Federteller 34 auf. Zwischen dem Federteller 34 und dem Dichtungsteller 38 ist an einer Umfangsfläche des Schließgliedes 24 eine Ausnehmung 40 ausgebildet. In die Ausnehmung 40 ist eine Vertiefung 42 in Form einer umlaufenden Rille 44 eingebracht. Die Vertiefung 42 weist an ihren Rändern jeweils konische Zentrierflächen 46 auf. An der Bohrung 70 ist im Bereich des Federtellers 34 und der Dichtungstellers 38 ein Führungsabschnitt 36 ausgebildet, welcher ein einfaches Gleiten des Schließglieds 24 in der Bohrung 70 ermöglicht. In die Bohrung 70 ist ein Fixierelement 26, vorzugsweise eine in die Bohrung eingeschraubte Einschraubhülse 28 oder eine in die Bohrung eingepresste Fixierhülse eingesetzt, über welches eine Federvorspannung einer Ventilfeder 32 einstellbar ist. Dazu ist die Ventilfeder 32 zwischen einem Absatz 30 an dem Fixierelement 26 und dem Federteller 34 eingespannt. Die Ventilfeder 34 ist vorzugsweise als Spiralfeder ausgebildet und wird durch den zylindrischen Grundkörper 68 des Schließgliedes 24 geführt. Die Ventilfeder 32 drückt den Dichtungsteller 38 bei einem fluidkraftfreien Rückschlagventil 10 gegen ein Dichtelement 20 am Dichtsitz 18.
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Das Rückschlagventil 10 umfasst ferner ein Stellelement 50, vorzugsweise ein elektrisches Stellelement 52, mit welchem ein in radialer Richtung und somit senkrecht zu dem Schließglied 24 verschiebbares Verriegelungselement 56 verstellt werden kann. Das elektrische Stellglied 52 weist eine Magnetspule 54 auf, welche mit dem Verriegelungselement 56, insbesondere mit einem Verriegelungsstift 58, in Wirkverbindung gebracht werden kann. Dazu ist das Verriegelungselement 56 aus einem magnetisierbaren Werkstoff ausgeführt oder weist einen Magnetanker aus einem magnetisierbaren Werkstoff, insbesondere einem magnetisierbaren Stahl, auf. Das elektrische Stellelement 52 weist einen Stecker 62 auf, über welchen das elektrische Stellelement 52 elektrisch kontaktiert und geschaltet werden kann. In 1 ist ein elektrisches Stellelement 52 dargestellt, welches in einer bestromten Schaltstellung über die Magnetkraft der Magnetspule 54 das Verriegelungselement 56 anhebt und somit eine Bewegung des Schließgliedes 24 ermöglicht. Wird die Bestromung der Magnetspule 54 abgeschaltet, so sinkt das Verriegelungselement 56 in die Vertiefung 42 des Schließgliedes 24. Um ein Verriegeln des Schließgliedes 24 durch das Verriegelungselement 56 zu erleichtern, ist an einem dem Schließglied 24 zugewandten Ende des Verriegelungsstift 58 eine konische Spitze 64 ausgebildet, welche mit der Zentrierfläche 46 an dem Schließglied 24 in Wirkverbindung treten kann und somit eine Verriegelung des Schließgliedes 24 durch den Verriegelungsstift 58 erleichtert. Alternativ zu einem stromlos geschlossenen Rückschlagventil 10 kann auch ein stromlos offenes Rückschlagventil 10 vorgesehen werden, wobei das Verriegelungselement 56 durch eine Bestromung der Magnetspule 54 in Richtung der Vertiefung 42 verschoben wird und somit eine Bewegung des Schließgliedes 24 sperrt.
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Alternativ zu einem elektrisch aktivierbaren und schaltbaren Verriegelungselement 56 ist auch ein mechanisches, pneumatisches oder hydraulisch schaltbares Verriegelungselement 56 möglich. Dabei ist bei einem pneumatischen oder hydraulischen Stellelement 50 ein entsprechender Anschluss 60 zur Versorgung des Stellelements 50 vorgesehen.
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In 1 ist das Rückschlagventil 10 in einer geöffneten Schaltstellung dargestellt, sodass das Betriebsfluid, insbesondere ein Kältemittel oder ein Wärmeträgermedium entsprechend der dargestellten Pfeilrichtung von der Einlassöffnung 14 zur Auslassöffnung 16 durch die Bohrung 70 des Rückschlagventilkörpers 12 strömen kann. Dabei wird die maximale Öffnung des Schließgliedes 24 durch eine Anschlagfläche 48 an einer dem Ventilsitz 18 abgewandten Stirnseite des Dichtungstellers 38 begrenzt, welche bei maximaler Öffnung an einer Anschlagfläche 66 des Verriegelungselements 56 zum Anliegen kommt.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßes Rückschlagventil 10 mit einer Sperrfunktion in einem zweiten Betriebszustand dargestellt. Durch eine Druckerhöhung auf Seiten der Auslassöffnung 16 wird das Schließglied 24 durch den hydraulischen Druck an der Auslassöffnung und die Federkraft der Ventilfeder 32 gegen den Ventilsitz 18 gedrückt, so dass der Dichtungsteller 38 des Schließgliedes 24 an dem Ventilsitz 18, insbesondere an dem Dichtelement 20 zum Anliegen kommt und somit ein Zurückströmen des Betriebsfluids in Richtung der Einlassöffnung 14 unterbindet. In dieser zweiten Schaltstellung ist das Schließglied 24 weiterhin frei beweglich und in axialer Richtung verschiebbar, sodass sich das Rückschlagventil 10 bei einer Druckerhöhung im Fluidkreislauf auf der Seite der Einlassöffnung 14 wieder öffnet.
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In 3 ist das erfindungsgemäße Rückschlagventil 10 in einer dritten Schaltstellung dargestellt. Dabei ist der Verriegelungsstift 58 in die Vertiefung 42 der Ausnehmung 40 eingefahren und blockiert somit eine Bewegung des Schließgliedes 24 in axialer Richtung. Dabei führt ein Anstieg des Drucks in Fluidkreislauf auf der Seite der Einlassöffnung 14 nicht zu einem Öffnen des Rückschlagventils 10, sondern das Schließglied wird durch das Verriegelungselement 56 in seiner Position fixiert und sperrt somit ein Öffnen. Dabei wird im Vergleich zu einem elektrisch angetriebenen Absperrventil wesentlich weniger Energie benötigt, da nur eine geringe Antriebsleistung zum Verschieben des Verriegelungselements 56 notwendig ist und das elektrische Stellelement 52 nicht das Schließglied 24 gegen den Betriebsdruck des Betriebsfluids verschieben muss. Somit vereint das vorgeschlagene Rückschlagventil 10 die positiven Eigenschaften eines rein mechanischen Rückschlagventils und eines elektrischen Absperrventils, wobei sich das vorgeschlagene Rückschlagventil 10 kostengünstig herstellen und mit geringem Energieaufwand betreiben lässt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rückschlagventil
- 12
- Ventilkörper
- 14
- Einlassöffnung
- 16
- Auslassöffnung
- 18
- Ventilsitz
- 20
- Dichtelement
- 22
- Stufe
- 24
- Schließglied
- 26
- Fixierelement
- 28
- Einschraubhülse
- 30
- Absatz
- 32
- Ventilfeder
- 34
- Federteller
- 36
- Führungsabschnitt
- 38
- Dichtungsteller
- 40
- Ausnehmung
- 42
- Vertiefung
- 44
- umlaufende Rille
- 46
- Zentrierfläche
- 48
- Anschlagfläche (am Dichtungsteller)
- 50
- Stellelement
- 52
- elektrisches Stellelement
- 54
- Magnetspule
- 56
- Verriegelungselement
- 58
- Verriegelungsstift
- 60
- Anschluss
- 62
- Stecker
- 64
- konische Spitze
- 66
- Anschlagfläche (am Verriegelungselement)
- 68
- zylindrischer Grundkörper
- 70
- Bohrung
- 72
- Mittelachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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