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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches Ventil,
insbesondere eine Dichtung in einem elektrohydraulischen Ventil,
die mehrere elektrische Kontakte hydraulisch dicht umschließen kann.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine geeignete Verwendung
einer Dichtung, insbesondere als Bauteil eines elektromagnetischen
Ventils, in einem elektrischen Bauteil, insbesondere im Automobilbau.
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Aus
der
DE 102 46 724
B3 (Patentinhaberin: Siemens AG; Anmeldetag: 07.10.2002)
ist ein Steckverbinder mit einem Steckergehäuse aus Kunststoff und mehreren
durch die Gehäusewandung
führenden
Steckerstifte mit Steckerkontouren in der Form von Flachsteckkontakten
bekannt, wobei die Flachsteckkontakte mittels eines zusammenhängendes
Dichtteils, das jeden einzelnen der Kontakte vollständig umschließt, eine Feuchtigkeitsbarriere
gegen Feuchtigkeitsdurchtritt von Außen bildet. Hierzu werden Rippen
an der Kammerwand so angeordnet, dass beidseitig ein Pressen des
Dichtungsmaterials zwischen die Steckerstifte erfolgt.
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Elektrohydraulische
Bauteile müssen
auf der einen Seite sicherstellen, dass die elektrischen Kontakte in
das Bauteil führen
können.
Auf der anderen Seite sind wenigstens Teile des elektrohydraulischen
Bauteils mit dem hydraulischen Medium aufgefüllt oder befüllt. Im
Automobilbau ist eine Tendenz zu beobachten, dass mit immer höheren Drücken gearbeitet
wird. Die hydraulischen Medien erfahren eine immer höhere Druckbeaufschlagung.
Gleichzeitig werden immer mehr Aggregate, vor allem im Motorraum
und im Unterbodenbereich, eingebaut, so dass der zur Verfügung stehende
Platz pro Bauteil bzw. pro Aggregat immer geringer wird.
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Allgemein
bekannt sind bisher zwei Arten, das hydraulische Medium, wie zum
Beispiel ein Kraftstoff, der Diesel sein kann, oder ein Motoröl, zuverlässig im
hydraulischen Bauteil zu belassen. Eine besondere kritische Stelle
ist die Durchkontaktierung, die elektrischen Pins des elektrischen
Bauteils, die auch als Kontaktierungsstifte und Kontaktierungsverbinder
bezeichnet werden können.
An den Stellen der Durchkontaktierungen wird bisher häufig mit
einer besonderen Vergusstechnik gearbeitet, sofern mit besonders
hohen Drücken gearbeitet
wird. Alternativ kann jeder einzelne Kontakt mit einer einzelnen,
individuellen Dichtung ausgestattet werden. Eine geeignete Lösung, um
Druckbereiche im Bereich von 5 bar bis beispielsweise 200 bar abdecken zu
können,
kann dem europäischen
Patent
EP 0 939 259
B1 (Anmelderin: Hydraulik-Ring GmbH, Anmeldetag: 20.02.1999)
entnommen werden. Die Patentschrift lehrt, dass mehrere O-Ring-Dichtungen
vorzuhalten sind. Eine Dichtung ist in einer besonderen Vertiefung
des Funktionsträgers
zu platzieren. Eine weitere Dichtung ist an dem Steckerteil anzuordnen.
Eine Dichtung auf der Funktionsträgerseite kann auch der
US 4,655,254 (Anmelderin:
Daimler-Benz AG, Anmeldedatum: 20.12.1985) entnommen werden. Die
Einzelkontaktumschließung
kann den beiden
US-Patenten 5,605,178 (Assignee:
Electrohydraulic Technology Ltd., Anmeldetag: 31.08.1993) und
US 5,690,064 (Assignee:
Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Anmeldetag: 14.09.1995) entnommen
werden.
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Aufgrund
der zuvor besprochenen Problematik, dass möglichst wenig Bauraum zur Verfügung gestellt werden
soll, werden Entwickler für
Automobilkomponenten immer wieder mit der Forderung konfrontiert,
selbst beim Stecker eines elektrischen Bauteils, wie zum Beispiel
einem Hochdruckdieselventil für
ein Common-Rail-System, Miniaturisierungsmaßnahmen zu ergreifen.
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Wie
in der (zum Anmeldezeitpunkt der vorliegenden Anmeldung unveröffentlichten)
DE 10 2008 003 210
A1 (Anmelderin: Hydraulik-Ring GmbH) beschrieben wird, überspannt
bei bestimmten Ventilgestaltungen, insbesondere bei Hochdruckdruckregelventilen
für die
Kraftstoffmotoreinspritzung, der als Flachanker gestaltete Anker
nahezu die gesamte durch einen horizontalen Schnitt quer zur Stößelrichtung
gebildete Fläche
eines Ventils. Der hydraulische Raum um den Anker herum muss sicher
und zuverlässig
abgedichtet werden. Hierbei ist der beanspruchte Bauraum zu minimieren.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
ein elektrisches Bauteil nach dem Hauptanspruch gelöst. Eine
geeignete Verwendung kann Anspruch 13 entnommen werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen können
den abhängigen
Ansprüchen
entnommen werden.
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Das
elektrische Bauteil, das so gestaltet sein muss, dass es leicht
in ein Automobil eingebaut werden kann, muss das unter Druck stehende
Medium, wie zum Beispiel ein Motoröl oder einen Kraftstoff, sicher
von der Umwelt, dem Außenbereich
des elektrischen Bauteils, fernhalten können. Gleichzeitig entfaltet
eine gute Dichtung die Wirkung, dass kein Dreck, Spritzwasser oder
Salzwasser von außen
in das elektrische Bauteil während
der garantierten Betriebslaufzeit eintreten kann. Aus dem elektrischen
Bauteil reichen in der Regel wenigstens zwei elektrische Kontakte,
einer für
die positive Spannung und einer für die Masse, heraus. Der Durchtritt
der elektrischen Kontakte, die häufig
als Pinne gestaltet sind, durch eine bestimmte Stelle des Gehäuses wird
aus diesem Grunde mit einer zusätzlichen
Dichtung versehen. Die Dichtung ist eine einzige, zusammenhängende Dichtung.
Diese einzige vorhandene Dichtung – nach einer vorteilhaften
Ausgestaltung werden weitere Dichtungen im Bereich der elektrischen
Leitungen nicht vorgehalten – im
Bereich der elektrischen Kontakte umschließt wenigstens die beiden oben
bezeichneten elektrischen Kontakte. Die elektrischen Kontakte sind
vollständig
umschlossen.
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Durch
das konstruktiv engere Zusammenschieben der elektrischen Kontakte
bei gleichzeitiger Beachtung notwendiger Isolationsluftstrecken
zwischen den einzelnen Kontakten kann der Stecker in einer schmäleren Ausführung im
Vergleich zu bisher bekannten Ventilsteckerausführungen gestaltet werden. Weil
nur eine Dichtung, die zusammenhängt,
verwendet wird, entfällt
es, dass zwei Dichtungen im Überlappungsbereich
aufeinandergelegt werden müssen.
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Die
einzelne Dichtung hat die Form einer Acht. Die Acht sieht wie eine
liegende Acht aus. Im eingebauten Zustand erstreckt sich die Acht
quer zu den Kontakten. Die Form der Dichtung könnte auch als Brezelform beschrieben
werden. Betrachtet man die Dichtung, so kann auch die Assoziation
mit einem Binokel gebildet werden; die Dichtung sieht wie eine bügellose
Brille aus. Die Dichtung hat einen Mittelbereich, der nach einer
Ausgestaltung der stärkste
bzw. breiteste Bereich ist. Von diesem Mittelbereich gehen wenigstens
zwei Halbringe ab. Die Schnurstärke
des Mittelbereichs ist weniger als die doppelte Schnurstärke der
jeweiligen Ringabschnitte. Somit sieht die Dichtung wie ein flaches,
ausgestrecktes Element aus, das wenigstens zwei Durchgangsöffnungen
aufweist. Durch diese Gestaltung ist auch eine Miniaturisierung
in horizontaler Richtung in Bezug auf die Kontakte möglich. Die
Dichtung selber ist achsensymmetrisch bezüglich einer Spiegelachse. Die
Spiegelachse kann durch den Mittelbereich in Querrichtung gelegt
werden. Jede Seite zur Spiegelachse kann daher bildlich auf die
gegenüberliegende
Seite (im Spiegelungssinne) umgeklappt werden. Ein Ring der Dichtung
hat die gleichen Abmessungen wie der andere Ring der Dichtung. Auch
ist die Dichtung punktsymmetrisch bezüglich ihres Schwerpunktes,
der ebenfalls im Mittelbereich der Dichtung liegt. Durch diese Gestaltung
der Dichtung ist es im Montagefall unerheblich, wie die Dichtung
eingebaut wird.
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In
horizontaler Richtung ist bei neueren Ventilen sehr wenig Platz.
Dort ist der Einsatz der üblicherweise
verwendeten O-Ringe nicht möglich
bzw. sie lassen sich nur mit sehr großen anderweitigen Schwierigkeiten realisieren.
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Weil
die Dichtung ein einstückiges
Bauteil ist, trägt
sie auch zur Steigerung der Produktionstaktung am Produktionsband
bei. In der Montagelinie muss nur noch ein weiteres Bauteil, nämlich die
geschlossen zusammenhängende
Dichtung, an Stelle von vielen Einzeldichtungen für jeden
einzelnen Kontakt aufgelegt werden.
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Zu
der flachen Ausgestaltung trägt
auch das Querschnittsprofil der Dichtung bei, die als rautenförmige Gestaltung
bzw. als auf einem der Ecken ruhenden Vierecks bezeichnet werden
kann.
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Die
Dichtung kann eine torusartige Gestalt haben. Die torusartige Dichtung
kann an den Längsseiten abgeflacht
sein und sie kann an den Dichtungsseiten abgerundet sein.
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Versuche
haben gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Dichtung in einem Dieselhochdruckventil
den hydraulischen Bereich, der gepulst bis zu 40 bar Druck erfahren
kann, von dem Umgebungsbereich fluidtechnisch zuverlässig über die
Betriebslaufzeit trennt.
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Durch
die Anordnung der Dichtung auf der Innenseite des elektrischen Bauteils,
der Innenseite des Gehäuses,
wird darüber
hinaus positiv die Eigenverschließung durch das Anpressen der
Dichtungen durch den Druck des hydraulischen Mediums gegen das Gehäuse gefordert.
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Bei
der konstruktiven Auslegung der Fertigungsgenauigkeiten, der Toleranzen
und der jeweiligen Dimensionierungen der einzelnen Bauteile trat
in der Entwicklung eines erfindungsgemäßen Ventils die erfreuliche
Erkenntnis auf, dass sämtliche
betroffenen Bauteile, die elektrischen Kontakte, das Gehäuse, der
Stecker, die Steckerbuchse und das Dichtlager aufgrund der neu entworfenen
Dichtung deutlich mit geringeren Genauigkeiten (im Vergleich zu
bisherigen Ventilentwicklungen) zu gestalten ist. Die daher robustere
Dichtung ist deutlich montagefreundlicher, weil nicht mehr so hohe
Anforderungen an die Toleranzkette zu richten ist. Selbst die Materialersparnis
durch die Schaffung eines überlappenden
Dichtungsbereichs trägt
dazu bei, dass – obwohl
vordergründig
nur eine geringe Materialsersparnis sichtbar wird – die Produktionskosten
durch eine günstigere
Dichtung an Stelle von mehreren einzelnen Dichtungen gesenkt werden
können.
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Die
Erfindung kann auch besser verstanden werden, wenn Bezug auf die
beiliegenden Figuren genommen wird, wobei
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1 ein
erfindungsgemäßes Druckregelventil
für ein
Common-Rail-Diesel-System darstellt;
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2 eine
Schnittansicht durch den oberen Teil des Ventils nach 1 darstellt;
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3 eine
erfindungsgemäße Dichtung
darstellt;
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4 einen
Schnitt durch den Bereich des Ventils um die Steckerbuchse herum
darstellt (4A), wobei in 4B das Detail b aus 4A vergrößert dargestellt
ist;
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5 das
Ventil in Draufsicht von der Steckerseite aus darstellt;
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6 die
Steckerbuchse deutlicher darstellt;
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7 einen
Schnitt C-C, im rechten Winkel zu der Darstellung aus 6,
durch die Darstellung nach 6 darstellt,
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8 eine
weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Dichtung
zeigt,
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9 eine
Schnittansicht einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Dichtung
nach
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8 darstellt,
und
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10 eine
weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Dichtung
in Schnittansicht darstellt.
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1 zeigt
das elektrische Ventil, insbesondere ein Hochdruckregelventil 11 für das Kraftstoffeinspritzsystem
einer Verbrennungskraftmaschine, in Form eines Cartridgeventils 1.
Der elektromagnetische Wandler 3 (siehe 2),
der in der Regel eine mit dem Medium durchspülte, auf einem Wicklungsträger befindliche
elektrische Spule mit dazugehörigem
Anker 15 und Stößel 16 hat,
wird durch ein Gehäuse 2 umschlossen,
aus dem der Stecker bzw. Steckerbuchse 18 hinausragt. An
einem Ende des Gehäuses 2 ist
ein Außensechskant 13 angebracht,
damit das vordere Ende des Bauteils über eine statische, insbesondere
metallische, Dichtung 6, die als Umfangswulst 8 ausgestaltet
sein kann, über
den Boden 9 des elektrischen Ventils 1 an einem
weiteren Bauteil 7, wie einer Hochdruckpumpe, zum Beispiel
durch Einschrauben in das Pumpengehäuse, angebracht werden kann. Über eine
Druckmittelöffnung 5 kann
das unter Hochdruck stehende Medium, der Diesel, in das elektrische
Ventil 1 unter Verschiebung des Steuerelements 4,
dem Stößel 16,
insbesondere dem Stößelende 17 und
dem unterliegendem kugelförmigen
Steuerelement 12, eintreten. Der am Stößel angeschlossene Anker 15 ist
beidseits ebenfalls von dem unter Druck stehenden Medium umspült, so dass der
Anker, der auf das elektromagnetische Feld reagiert, Drücke von
40 bar erfahren kann. Der Ankerhohlraum ist also mit dem Medium
befüllt.
Das unter Druck stehende Medium darf nicht entlang der Kontakte
in den Stecker 18 bzw. die Steckerbuchse 25 gelangen.
In der Nähe
des Steckers 18 ist eine Montageöffnung 14 angeordnet,
die als zurückgesetzte
Umlaufkante ausgestaltet ist. Durch die Flächenpressung zwischen dem Bauteil 7 und
dem Boden 9 über
eine konische Fläche 10 ist
das Ventil 1 an seiner hydraulischen Seite dicht an das Bauteil 7 angeschlossen.
Die erfindungsgemäße Dichtung 50 (siehe 3)
dichtet die unter Druck stehende Flüssigkeit aus dem Inneren des
Ventils 1 gegen die Außenseite 34 (siehe 4 bis 7)
ab.
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Wie
in 3 zu sehen ist, ist hierzu die erfindungsgemäße Dichtung 50 mit
einer ersten Öffnung 52 und
einer zweiten Öffnung 54,
die jeweils in einem ersten Ring 56 und einem zweiten Ring 58 liegen,
ausgestattet. Die beiden Ringe 56, 58 überlappen
in einem Mittelbereich, so dass die Ringe 56, 58 eigentlich
nur selbstständige
Kreisabschnitte 68 in den voneinander abgewandten Bereichen
aufweisen, während
der Überlappungsbereich
als Mittelbereich 60 nur einmal bzw. einfach vorhanden
ist. Der Mittelbereich 60 ist etwas breiter gestaltet als
die Dichtschnurstärke 66 der
Ringe 58, 60 im Bereich der Kreisabschnitte 68.
Die Dichtung 50 ist bezüglich
ihres Mittelbereiches 60 nicht nur entlang einer Mittelachse 70 bzw.
einer Spiegelachse 76 achsensymmetrisch, sondern die Dichtung 50 ist
auch bezüglich
ihres geometrischen Schwerpunktes 74, der auch der physikalische
Schwerpunkt sein kann, punktsymmetrisch. Die Dichtung 50 sieht
wie eine lange, ausgestreckte, flach gestaltete, ebene Acht aus,
die gewisse Erinnerungen an eine Brezel oder ein Binokel aufweist. Wird
die Dichtung zwischen der ersten und zweiten länglichen, breiten, ausgestreckten
Oberfläche 62, 64 im Querschnitt
dargestellt, so sieht das Querschnittsprofil 72 (vgl. 4B) wie eine Raute aus.
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Zum
besseren Verständnis,
wie die Dichtung auf ihrem Dichtlager 30 auf der Innenseite 32,
abgewandt von der Außenseite 34 des
Ventils 1 eingebaut wird, sei auf die 4 bis 7 verwiesen,
die detaillierter den Bereich des Ventils 1 bzw. des Gehäuses 2 des
Ventils 1 zeigen, der die Dichtung 50 zusammen
mit den Kontakten 20, 21 verdeutlicht, die durch
die Gehäusedurchbrechungen 23, 24 in
die Steckerbuchse 25 münden. Die
Kontakte sind als Pinne 27, 28, insbesondere als
zwei metallische Pinne, ausgeführt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Dichtung 100 lässt sich
in den 8 und 9 näher betrachten. Die Dichtung 100 ist
ebenfalls als liegende Acht gestaltet. Der Anschlussbereich zwischen
den einzelnen geschlossenen Bögen
der Acht ist um die Spiegelachse 76 aufgebaut. Die beiden Oberflächen 102, 104,
die obere 102 und die untere Oberfläche 104, sind über ihre
gesamte Fläche
gewölbt gestaltet.
Das Querschnittsprofil 108 ist nahezu an jeder beliebigen
Stelle der Dichtung 100 gleich groß, bis auf die Ausnahme im
Bereich der Spiegelachse 76, die geringer als die doppelte
Breite des Durchmessers des Querschnittprofils 108 ist.
Das Querschnittprofil 106 ist oval.
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Eine
weitere ovale Querschnittsgestaltung kann der 10 einer
weiteren erfindungsgemäßen Dichtung 200 entnommen
werden. Während
die Dichtung 100 der 8 und 9 vollausfüllende Tori
sind, insbesondere zwei seitlich aneinander gehängte Tori sind, ist die Dichtung 200 in
Bezug auf ihre seitlich ausladende Breite dermaßen optimiert, dass die Dichtflächen 212 der
Dichtungsseiten 204 gebogen und nahezu rund sind, jedoch
die an den jeweiligen Pin sich anschmiegenden Seiten und ihre gegenüberliegende
Seite des Dichtrings abgeflacht sind. Die metallischen Pinne können durch
die Öffnungen
wie die Öffnung 202 durchfahren.
Der im Bereich der Dichtung 200 zylinderförmige Pin
schmiegt sich somit an die Längsseite 206 an. Die
Mittelachse 208 der Dichtung 200 ist das geometrische
Zentrum. Die Dichtung 200 kann ebenfalls in einen Ober-
und Unterteil unterteilt werden, zwischen denen ein Trenngrat 210 die
Teilungsebene, insbesondere durch den Spritzgussherstellprozess
der Dichtung 200, bestimmt.
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Durch
Versuchsreihen hat sich ergeben, dass bei den abzudeckenden Druckbereichen
eines Hochdruckdieselventils wie ein erfindungsgemäßes Druckventil 1 eine
Dichtungshöhe
h von ca. 1 mm ausreichend ist. Die sich daraus ergebende Dichtfläche 212 kann
seitlich abgerundet sein, z. B. mit einem Radius von 0,4 mm. Die
Dichtung 200 erstreckt sich über größere Längsseiten 206, weil
das Verhältnis
von Höhe
zu Länge der
Längsseite
1:3 sein kann. Ein Pin mit einem Durchmesser von z. B. 16 mm kann
durch eine erfindungsgemäße Dichtung 200 zuverlässig abgedichtet
werden. Der Trenngrat 210 sollte weniger als 0,3 mm aus
der Dichtung 200 herausstehen.
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Die
Dichtungen 50, 100, 200 können auch
im weitesten Sinne mit Doppelschwimmreifen verglichen werden.
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Die
geometrischen Formen der Dichtungen 50 und 200 sind
in Bezug auf den Materialverbrauch gegenüber der Dichtung 100 sparsamer.
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Das
kleine kompakte Bauteil der Dichtung 50, 100, 200 zeichnet
sich in vielfältiger
Hinsicht positiv aus. Es trägt
unter anderem zu einer leichteren, schnelleren und sichereren Montage
eines erfindungsgemäßen Hochdruckdieselventils
bei, weil nicht mehr mit zwei getrennten Dichtungen, die teilweise
in früheren
Ventilmodellen sogar unterschiedlich gestaltet sein mussten, gearbeitet
werden muss.
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Es
versteht sich von selbst, dass zum Schutzumfang der vorliegenden
Erfindung auch solche Ausgestaltungen gehören, bei denen mit mehr als
zwei elektrischen Kontakten gearbeitet wird, zum leichteren Verständnis sind
aber Ausführungsformen
gewählt
worden, die das erfinderische Prinzip an Steckern mit zwei Kontakten
erklären. Bezugszeichenliste:
| 1 | Elektrisches
Ventil, insbesondere Druckventil | 50 | Dichtung |
| 2 | Ventilgehäuse | 52 | Erste Öffnung,
insbesondere Durchgangsöffnung
für den
elektrischen Kontakt |
| 3 | Wandler,
elektromagnetisch | 54 | Zweite Öffnung,
insbesondere Durchgangsöffnung
für den
elektrischen Kontakt |
| 4 | Steuerelement | 56 | Erster
Ring |
| 5 | Druckmittelöffnung | 58 | Zweiter
Ring |
| 6 | Dichtung,
statisch, metallisch, vorzugsweise zur Hochdruckseite | 60 | Mittelbereich |
| 7 | Bauteil | 62 | Erste
Oberfläche |
| 8 | Umfangswulst | 64 | Zweite
Oberfläche |
| 9 | Boden | 66 | Dichtschnurstärke |
| 10 | Fläche, konisch | 68 | Kreisabschnitt |
| 11 | Druckregelventil | 70 | Mittelachse |
| 12 | Steuerelement,
kugelförmig | 72 | Querschnittsprofil |
| 13 | Außensechskant | 74 | Schwerpunkt |
| 14 | Montageöffnung | 76 | Spiegelachse |
| 15 | Anker | | |
| 16 | Stößel | 100 | Dichtung |
| 17 | Ende,
v. 16 (Stößel) | 102 | Erste
Oberfläche,
insbesondere der Dichtung 100
|
| 18 | Stecker | 104 | Zweite
Oberfläche,
insbesondere der Dichtung 100
|
| 20 | Erster
Kontakt, elektrischer | 106 | Querschnittsprofil,
insbesondere mittleres |
| 21 | Zweiter
Kontakt, elektrischer | 108 | Querschnittsprofil,
insbesondere äußeres |
| 23 | Erste
Gehäusedurchbrechung | | |
| 24 | Zweite
Gehäusedurchbrechung | 200 | Dichtung |
| 25 | Steckerbuchse | 202 | Öffnung |
| 27 | Erster
Pin, metallischer | 204 | Dichtungsseite |
| 28 | Zweiter
Pin, metallischer | 206 | Längsseite |
| 30 | Dichtlager | 208 | Mittelachse |
| 32 | Innenseite | 210 | Trenngrat |
| 34 | Außenseite | 212 | Dichtfläche |