JP5984362B2 - 改善されたシール性を備えた比例弁 - Google Patents

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Description

本発明は、特に改善されたシール性を備えた燃料電池駆動式の車両に使用するためのガス状の媒体、特に水素を制御するための比例弁に関する。
車両分野では、液状の燃料のほかに、今後、ガス状の燃料もますます重要となる。特に燃料電池駆動式の車両では、水素ガス流が制御されなければならない。このガス流は、もはや液状の燃料の噴射のように不連続に制御されない。有利には、所望の駆動出力に関連して弁の開放横断面を適合させる比例弁が使用される。
ガス状の媒体の場合、液状の燃料の場合に存在する、この液状の燃料によるシール座の湿潤が問題とならないので、特に閉鎖された弁に対するシール問題が発生する。ドイツ連邦共和国特許出願公開第102005056212号明細書に基づき、天然ガスに対するガス弁が公知である。この公知のガス弁では、媒体の可能な限り低損失の流れを達成するために、ノズルボディに特殊な幾何学的形状が形成されている。しかし、公知の弁は比例弁として形成されておらず、吹込みタイミング弁として形成されていて、弁座に対するシールの改善に関して一切記載していない。車両分野における従来公知の弁では、水素群、たとえばニトリルゴム(NBR)またはフッ素ゴム(FKM)から成るシールエレメントが使用される。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第102005056212号明細書
したがって、本発明の課題は、弁座に対するシールを改善することである。
この課題を解決するために本発明に係る使用によれば、ガス状の媒体、特に水素を制御するための比例弁におけるシールエレメントを製造するためにブチルゴムまたはシリコーンゴム、特にフッ素不含のシリコーンゴムを使用する。
本発明に係る使用の有利な態様によれば、前記ブチルゴムまたは前記シリコーンゴム、特に前記フッ素不含のシリコーンゴムを、前記シールエレメントを製造するためのただ一種類の材料として使用する。
本発明に係る使用の有利な態様によれば、前記シールエレメントを前記比例弁の閉鎖エレメントまたは前記比例弁のノズルボディに使用する。
本発明に係る使用の有利な態様によれば、前記シールエレメントをOリングまたは平形シール部材として使用する。
本発明に係る使用の有利な態様によれば、前記シリコーンゴムが、以下のグループ:すなわち、メチルビニルシリコーンゴム(VMQ)、メチルシリコーンゴム(MQ)、メチルフェニルシリコーンゴム(PMQ)、メチルフェニルビニルシリコーンゴム(PVMQ)、メチルフルオロシリコーンゴム(FMQ)またはフルオロシリコーンゴム(FVMQ):から選択されている。
さらに、前述した課題を解決するために本発明に係る比例弁によれば、該比例弁が、シールエレメントを備えており、該シールエレメントが、ブチルゴムまたはシリコーンゴム、特にフッ素不含のシリコーンゴムを含有しているかまたは完全にブチルゴムまたはシリコーンゴム、特にフッ素不含のシリコーンゴムから製造されている。
本発明に係る比例弁の有利な態様によれば、前記シールエレメントが、環形状または円形面形状を有しているかまたはOリングとして形成されている。
本発明に係る比例弁の有利な態様によれば、シールエレメントが、閉鎖エレメントの底面に配置されていて、閉鎖エレメントにおける縁部から間隔を置いて配置されており、これによって、閉鎖エレメントの底面にシールエレメントなしの自由面範囲が残されている。
本発明に係る比例弁の有利な態様によれば、シールエレメントが、環形状を有していて、閉鎖エレメントの底面に配置されており、該底面に外側の自由面範囲と内側の自由面範囲とが残されている。
本発明に係る比例弁の有利な態様によれば、前記シールエレメントが、Oリングとして形成されており、該Oリングが、2mm以上で3.5mm以下の太さを有している。
さらに、前述した課題を解決するために本発明に係る第1の方法によれば、構成部材の底面の所定の面範囲に射出成形用金型を当て付け、該射出成形用金型によって仕切られた底面にシール材料の射出成形により該シール材料を被着する。
さらに、前述した課題を解決するために本発明に係る第2の方法によれば、前記シリコーンゴムを比例弁の構成部材の所定の面に加硫により被着する。
本発明によれば、請求項1の特徴において、ガス状の媒体、特に水素を制御するための比例弁におけるシールエレメントに用いられる材料として、ブチルゴムを使用することが提案される。従来、このブチルゴムは公知先行技術において車両におけるシール部材に使用されなかった。なぜならば、ブチルゴムは、グリース、油および燃料に対して耐性を有していないからである。しかし、燃料電池に対するガス状の媒体、特に水素でのブチルゴムの使用は、当業者にも意外である。なぜならば、ブチルゴムから製造されたシール部材によって、より高い温度の場合にも、シール部材に対する水素の著しく減少させられた透過が達成されるからである。特に水素の使用時には、極めて小さな分子に基づき、シール材料に対する透過が特に臨界的となる。さらに、ブチルゴムから成るシール部材は、たとえば燃料電池車両に対する温度範囲にあたる約−40℃〜+120℃の温度範囲内でも優れた弾性的な特性を示し、これによって、シール部材のあらゆる温度状態において十分なシールが確保されている。したがって、ブチルゴムは、水素を制御するための比例弁に用いられるシール部材への使用に際して、当業者に意外にも、特に高い温度の場合にも、シール性および透過性に関して優れた特性を示す。これによって、燃料電池への使用時の卓越した適性が明らかとなる。択一的には、ガス状の媒体、特に水素を制御するための比例弁において、シリコーンゴム(Qゴム、すなわち、主鎖にシリコーンを含んだゴム)(規格ASTM D−1418)が使用される。これは、特に普通に使用されるMゴム、たとえばフッ素ゴム(FKM)またはエチレンプロピレンターポリマ(EPDM)に比べて、特に2つの利点を有している。
1.本発明におけるシリコーンゴムは、典型的には、−100℃未満のTR10値を有している。ASTM D−1329に準じたTR10値は、25%または50%だけ伸長させられた試料が凍結後に再び10%だけ回復させられる℃値を表している。したがって、本発明により使用されるシリコーンゴムは、低い温度の場合に極めて良好な弾性変形可能性を有しており、これによって、この材料から製造されたシールエレメントは低い温度の場合にもシール座における形状誤差および/または粗さを補償することができる。したがって、シリコーンゴムから製造されたシールエレメントは、低い温度の場合にも、ガス状の媒体に対して極めて良好なシール作用を有している。さらに、シール座に対する製造誤差をより大きく選択することが可能となる。これによって、特に比例弁に対する製造コストを削減することができる。
2.さらに、シリコーンゴムは極めて少ない表面エネルギ、有利には25mNm以下の表面エネルギを有している。この極めて少ない表面エネルギは、全温度範囲にわたる比例弁のシール対の間の粘着力の減少に繋がる。これは、比例弁のアクチュエータによって発生させられなければならない開放力を減少させることができるという大きな利点を有している。これによって、比例弁のアクチュエータをより小さく設計することもできる。
さらに、シリコーンゴムは長い寿命を有していて、その寿命にわたって機械的にも極めて安定しており、これによって、シリコーンゴムは、特に自動車使用に適している。
従属請求項には、本発明の有利な改良態様が示してある。
有利には、ブチルゴムまたはシリコーンゴムが、比例弁の閉鎖エレメントまたはノズルボディに設けられたシールエレメントに使用される。さらに、ブチルゴムまたはシリコーンゴムは、比例弁の弁ハウジングを密封するためのOリングに使用されてもよい。有利には、ブチルゴムまたはシリコーンゴムは、シールエレメント全体がブチルゴムまたはシリコーンゴムから製造されているように使用されている。
さらに、本発明は、ガス状の媒体、特に水素を制御するための比例弁に関する。この比例弁はシールエレメントを備えている。このシールエレメントはブチルゴムまたはシリコーンゴムを含有しているかまたは完全にブチルゴムまたはシリコーンゴムから製造されている。有利には、シールエレメントは、比例弁において、閉鎖エレメントまたはノズルボディに設けられたシールエレメントおよび/またはOリングとして設けられている。閉鎖エレメントに設けられたシールエレメントは、有利には、環形状または円形面形状を有している。
さらに有利には、閉鎖エレメントに設けられたシールエレメントが、閉鎖エレメントの底面に配置されていて、閉鎖エレメントにおける縁部から間隔を置いて配置されており、これによって、閉鎖エレメントの底面にシールエレメントなしの自由面範囲が残されている。これによって、特にシールエレメントの簡単な製造が可能となる。閉鎖エレメントに設けられたシールエレメントが環形状を有しており、シールエレメントの内側の範囲と外側の範囲とに自由面範囲が設けられていると特に有利である。
本発明におけるシールエレメントが、有利にはOリングとして形成されている場合には、このOリングが、有利には、2mm以上で3.5mm以下の範囲内の太さを有している。
さらに有利には、シリコーンゴムが、以下のグループ:すなわち、メチルビニルシリコーンゴム(VMQ)、メチルシリコーンゴム(MQ)、メチルフェニルシリコーンゴム(PMQ)、メチルフェニルビニルシリコーンゴム(PVMQ)、メチルフルオロシリコーンゴム(FMQ)またはフルオロシリコーンゴム(FVMQ):から選択されている。
特に有利には、フッ素不含のシリコーンゴム、特にメチルビニルシリコーンゴム(VMQ)が使用される。このメチルビニルシリコーンゴムは、通常、約−40℃〜約+120℃の間に存在する水素調量弁における使用範囲に対して極めて良好な特性を有している。
さらに、本発明は、ガス状の媒体、特に水素を制御するための比例弁の構成部材にブチルゴムから成るシールエレメントを製造するための方法に関する。本発明に係る方法は、構成部材の底面の一部範囲に射出成形用金型を当て付けるステップと、構成部材の、射出成形用金型によって仕切られた底面にブチルゴムを射出成形により被着するステップとを有しており、こうして、構成部材にシールエレメントが形成される。これによって、本発明によれば、ブチルゴムを射出成形により構成部材における底面に簡単に被着することができる。その後、シールエレメントが完全硬化後に構成部材に自己的に粘着される。これによって、シールエレメントを位置固定するための別のステップが不要となる。
さらに、本発明は、燃料電池と、ブチルゴムまたはシリコーンゴムから成るシールエレメントを備えた、ガス状の媒体を制御するための本発明に係る比例弁とを有する燃料電池アッセンブリに関する。
本発明の第1の実施の形態に係る比例弁の概略的な断面図である。 図1の比例弁の拡大図である。 図2の比例弁の拡大図である。 本発明の第2の実施の形態に係る比例弁の一部の拡大図である。
以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。
以下に、図1〜図3を参照して、ガス状の媒体を制御するための第1の実施の形態に係る比例弁1を詳細に説明する。図示のこの比例弁1は、第1の実施の形態において、車両に設けられた燃料電池に供給されるガス状の水素を制御するために働く。
図1から明らかであるように、比例弁1は弁ハウジング6を有している。この弁ハウジング6は、ソレノイドプランジャ12と、ソレノイドコイル13と、ソレノイドプランジャ12に結合されたピン11とを備えている。このピン11には、ばね受け15を介して閉鎖ばね14が結合されている。この閉鎖ばね14の戻し力を調整するために、符号16で調整ピンが示してある。ソレノイドコイル13は、プラスチックの射出成形により弁ハウジング6に固着された被覆体17内に位置固定されている。比例弁1の側方には、電気的なコネクタ接続部18が設けられている。ピン11の、閉鎖ばね14と反対側の端部には、閉鎖エレメント4が固定されている。この閉鎖エレメント4は、ノズルボディ2に形成された通流開口3を閉鎖する。この通流開口3は、比例弁1の中心軸線X−Xを中心としてキドニ(腎臓)状に配置されている。第1の実施の形態では、有利には3つの通流開口3が設けられているものの、単に2つまたは4つもしくは5つの通流開口が形成されていてもよい。個々の通流開口3の間には、それぞれウェブが形成されている。
さらに、図1から明らかであるように、ノズルボディ2には、フィルタ19が設けられている。このフィルタ19を通して、ガス状の媒体の流入が行われる(矢印A参照)。比例弁1を構成エレメント内に密封するためには、弁ハウジング6にOリング20が設けられている。ガス状の媒体の流出は半径方向に行われる(矢印B参照)。
閉鎖エレメント4には、特に図2から明らかであるように、1つの鉛直な流過孔9と、複数の水平な流過孔10とが設けられている。第1の実施の形態では、3つの水平な流過孔10が設けられている。さらに、閉鎖エレメント4には、弾性的な環状のシールエレメント5が配置されている。この環状のシールエレメント5は通流開口3を弁座21においてシールする。この弁座21は、それぞれ通流開口3の外周を取り囲んで延びている。図2から明らかであるように、通流開口3の出口範囲は、ノズルボディ2に設けられた凹部26内に形成されている。
さらに、弁ハウジング6には、半径方向に延びる流出孔7,8が配置されている。比例弁1の開放時には、閉鎖エレメント4がシールエレメント5を含めて、ノズルボディ2に設けられた弁座21から持ち上げられ、閉鎖エレメント4のストロークに応じた開放横断面を開放する。第1の実施の形態では、閉鎖エレメント4に流過孔9,10を介して流路が形成されているので、ガスが、閉鎖エレメント4を貫いて流出孔7,8内に流れるだけでなく、直接的に閉鎖エレメント4の側方も通って流出孔7,8内に流れる。これによって、閉鎖エレメント4において比較的小さなストロークでより大きなガス量が流出することができる。
閉鎖エレメント4に配置された環状のシールエレメント5はブチルゴムから製造されている。このブチルゴムは、小さな分子に基づき特に透過しやすい水素に相俟った使用に際して、特にシールエレメント5に対する水素の少ない透過に関して大きな利点を提供する。
さらに、ブチルゴムは、約−40℃の低い温度の場合にも極めて良好な弾性ひいては極めて良好なシール作用を有している。したがって、ブチルゴムは、特に車両に用いられる燃料電池に相俟った使用に適している。ブチルゴムは耐燃料性もしくは耐油性および耐グリース性を有していないので、従来、ブチルゴムは自動車分野に使用されなかった。シールエレメント5は、約0.5mmの厚さを有している。
択一的には、環状のシールエレメント5に対して、シリコーンゴム、特にフッ素不含のシリコーンゴム、たとえばメチルビニルシリコーンゴム(VMQ)が使用される。特に低い温度の場合には、シリコーンゴムから成るシールエレメント5がガス状の媒体に対して極めて良好なシール作用を維持している。また、シリコーンゴムの使用によって、シール対の間の粘着力を減少させることも可能となり、これによって、比例弁1を開放するための開放力を減少させることができる。したがって、シリコーンゴムから成るシールエレメント5は、意外にも、水素に関して有利な特性、特に−40〜+120℃の間の通常の温度使用範囲にわたって極めて良好な弾性を示す。
さらに、図3から明らかであるように、シールエレメント5は閉鎖エレメント4の底面4aに配置されている。環状のシールエレメント5は、閉鎖エレメント4の縁部4dから幾分間隔を置いて配置されており、これによって、シールエレメント5の外側の範囲、つまり、底面4aにおいてシールエレメント5と閉鎖エレメント4の外側の縁部4dとの間にシールエレメントなしの自由面範囲4bが設けられている。同じく、シールエレメント5の内側の範囲、つまり、底面4aにおいてシールエレメント5と閉鎖エレメント4の内側の縁部との間にも自由面範囲4cが設けられている。両自由面範囲4b,4cを設けることは、特に製造に起因した利点を有している。なぜならば、シールエレメント5がブチルゴムの射出成形により閉鎖エレメント4の底面4aに直接被着されるからである。射出成形工程の間、自由面範囲4b,4cには、閉鎖エレメント4に支持された射出成形用金型が接触している。射出されるブチルゴムは自己粘着性(感圧性)を有しているので、短い完全硬化時間後、射出成形用金型を取り外すことができ、これによって、シールエレメントなしの自由面範囲4b,4cが閉鎖エレメント4に残される。したがって、本発明におけるシールエレメント5を特に簡単にかつ廉価に製造することができる。
さらに、念のために付言しておくと、弁ハウジング6に設けられた両Oリング20もブチルゴムまたはシリコーンゴムから製造されている。したがって、本発明の第1の実施の形態では、全てのシールエレメント5,20がブチルゴムまたはシリコーンゴムから製造されている比例弁を説明している。これに基づき、燃料電池に用いられる比例弁の優れた特性が明らかとなる。
以下に、図4を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る比例弁を詳細に説明する。同じ部材もしくは機能的に同じ部材には、第1の実施の形態と同じ符号が付してある。
第1の実施の形態と異なり、第2の実施の形態の比例弁は複数のキドニ状の通流開口を有しておらず、1つの中心の通流開口30を有している。図4には、やはり、比例弁の閉鎖された状態が示してある。この状態では、ブチルゴムまたはシリコーンゴムから製造されたシールエレメント5が環状の弁座21に載置されていて、この弁座21において通流開口30をシールしている。さらに、第1の実施の形態と異なり、第2の実施の形態では、閉鎖エレメント4に流過孔が形成されていない。第2の実施の形態では、この流過孔は不要である。なぜならば、中心の通流開口30の比較的大きな直径によって、十分な量の媒体流れが可能となるからである。第2の実施の形態のシールエレメント5は円形面状の平形シール部材である。この平形シール部材はブチルゴムまたはシリコーンゴムの射出成形により閉鎖エレメント4の底面4aに被着されている。第1の実施の形態同様、第2の実施の形態でも、シールエレメント5の外側の周面、つまり、底面4aにおいてシールエレメント5と閉鎖エレメント4の外側の縁部4dとの間に自由面範囲4bが設けられている。この自由面範囲4bは、製造の間、射出成形用金型に対する支持部として働く。
第2の実施の形態は、特に簡略化された構成部材を有しており、これによって、このような形式の比例弁に対する製造コストを削減することができる。その他の点では、第2の実施の形態は第1の実施の形態に対応しているので、第1の実施の形態に対して記載した説明を当てはめることができる。
したがって、本発明によれば、特に燃料電池へのガス供給のために使用される、水素ガス流を制御するための比例弁1が提供される。本発明における構成によって、低い温度の場合でも確実なシールが可能となり、また、水素の極めて正確な調量供給が可能となる。なぜならば、特に弁座21に対する、ブチルゴムまたはシリコーンゴムから製造されたシールエレメント5の粘着による不正確な開閉も回避することができるからである。
さらに、念のために付言しておくと、択一的には、シールエレメントがノズルボディ2に配置されていて、弁座が閉鎖エレメント4に設けられていてもよい。この実施の形態では、前述した実施の形態と同じ利点が得られる。この実施の形態では、ブチルゴムまたはシリコーンゴムから製造されたシールエレメントの配置の逆転しか行われていない。
1 比例弁
2 ノズルボディ
3 通流開口
4 閉鎖エレメント
4a 底面
4b 自由面範囲
4c 自由面範囲
4d 縁部
5 シールエレメント
6 弁ハウジング
7 流出孔
8 流出孔
9 流過孔
10 流過孔
11 ピン
12 ソレノイドプランジャ
13 ソレノイドコイル
14 閉鎖ばね
15 ばね受け
16 調整ピン
17 被覆体
18 コネクタ接続部
19 フィルタ
20 Oリング
21 弁座
26 凹部
30 通流開口

Claims (14)

  1. ガス状の媒体を制御するための比例弁におけるシールエレメントを製造するためのブチルゴムまたはシリコーンゴムの使用方法であって、
    前記比例弁は、ノズルボディと、前記媒体のための流路を開閉するための閉鎖エレメントとを有しており、前記閉鎖エレメントは、流過孔を備えており、
    前記シールエレメントは環形状であり、かつ、前記閉鎖エレメントの底面または前記ノズルボディの上面において前記流過孔の周りに配置されており、
    前記比例弁の閉鎖時には、前記閉鎖エレメントと前記シールエレメントとが協働して前記流路を閉鎖し、前記比例弁の開放時には、前記媒体が、前記流路および前記流過孔を流れるように構成されている、使用方法。
  2. 前記ブチルゴムまたは前記シリコーンゴムを、前記シールエレメントを製造するためのただ一種類の材料として使用する、請求項1記載の使用方法。
  3. 前記シールエレメントを平形シール部材(5)として使用する、請求項1または2記載の使用方法。
  4. 前記シリコーンゴムが、フッ素不含のシリコーンゴムである、請求項1からまでのいずれか1項記載の使用方法。
  5. 前記シリコーンゴムが、以下のグループ:すなわち、メチルビニルシリコーンゴム(VMQ)、メチルシリコーンゴム(MQ)、メチルフェニルシリコーンゴム(PMQ)またはメチルフェニルビニルシリコーンゴム(PVMQ):から選択されている、請求項記載の使用方法。
  6. 前記シリコーンゴムが、メチルフルオロシリコーンゴム(FMQ)またはフルオロシリコーンゴム(FVMQ)から選択されている、請求項1からまでのいずれか1項記載の使用方法。
  7. 前記ガス状の媒体が、水素である、請求項1からまでのいずれか1項記載の使用方法。
  8. ガス状の媒体を制御するための比例弁において、該比例弁が、シールエレメントを備えており、該シールエレメントが、ブチルゴムまたはシリコーンゴムを含有しているかまたは完全にブチルゴムまたはシリコーンゴムから製造されており、
    前記比例弁は、ノズルボディと、前記媒体のための流路を開閉するための閉鎖エレメントとを有しており、前記閉鎖エレメントは、流過孔を備えており、
    前記シールエレメントは環形状であり、かつ、前記閉鎖エレメントの底面または前記ノズルボディの上面において前記流過孔の周りに配置されており、
    前記比例弁の閉鎖時には、前記閉鎖エレメントと前記シールエレメントとが協働して前記流路を閉鎖し、前記比例弁の開放時には、前記媒体が、前記流路および前記流過孔を流れるように構成されている、
    ことを特徴とする、ガス状の媒体を制御するための比例弁。
  9. 前記シールエレメント(5)が、前記閉鎖エレメント(4)における縁部(4d)から間隔を置いて配置されており、これによって、前記閉鎖エレメント(4)の底面(4a)に前記シールエレメント(5)なしの自由面範囲(4b)が残されている、請求項記載の比例弁。
  10. 前記シールエレメント(5)は、前記閉鎖エレメントの底面(4a)に、前記シールエレメントなしの、外側の自由面範囲(4b)と内側の自由面範囲(4c)とが残されるように配置されている、請求項記載の比例弁。
  11. 前記ガス状の媒体が、水素である、請求項8から10までのいずれか1項記載の比例弁。
  12. 前記シリコーンゴムが、フッ素不含のシリコーンゴムである、請求項8から11までのいずれか1項記載の比例弁。
  13. ブチルゴムを含有しているかまたは完全にブチルゴムから形成されている射出成形材料から比例弁(1)の閉鎖エレメントにシールエレメントを製造するための方法であって、
    前記閉鎖エレメントは媒体のための流路を開閉し、かつ、前記閉鎖エレメントは、流過孔を備えており、
    前記シールエレメントは環形状であり、かつ、前記閉鎖エレメントの底面において前記流過孔の周りに配置されるように形成され、
    前記比例弁(1)の閉鎖時には、前記閉鎖エレメントと前記シールエレメントとが協働して前記流路を閉鎖し、前記比例弁(1)の開放時には、前記媒体が、前記流路および前記流過孔を流れるように構成されている、方法において、
    前記閉鎖エレメントの底面(4a)の所定の面範囲(4b,4c)に射出成形用金型を当て付け、該射出成形用金型によって仕切られた底面(4a)にシール材料の射出成形により該シール材料を被着することを特徴とする、ブチルゴムを含有しているかまたは完全にブチルゴムから提供されている射出成形材料から比例弁の構成部材にシールエレメントを製造するための方法。
  14. シリコーンゴムを含有しているかまたは完全にシリコーンゴムから形成されている射出成形材料から比例弁(1)の閉鎖エレメントにシールエレメントを製造するための方法であって、
    前記閉鎖エレメントは媒体のための流路を開閉し、かつ、前記閉鎖エレメントは、流過孔を備えており、
    前記シールエレメントは環形状であり、かつ、前記閉鎖エレメントの底面において前記流過孔の周りに配置されるように形成され、
    前記比例弁(1)の閉鎖時には、前記閉鎖エレメントと前記シールエレメントとが協働して前記流路を閉鎖し、前記比例弁(1)の開放時には、前記媒体が、前記流路および前記流過孔を流れるように構成されている、方法において、
    前記シリコーンゴムを前記比例弁(1)の閉鎖エレメントの所定の面に加硫により被着することを特徴とする、シリコーンゴムを含有しているかまたは完全にシリコーンゴムから提供されている射出成形材料から比例弁の閉鎖エレメントにシールエレメントを製造するための方法。
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