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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Fluidpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem integrierten Membrandruckdämpfer.
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Eine Fluidpumpe der eingangs genannten Art ist aus der
DE 10 2004 002 489 B4 bekannt und kommt beispielsweise bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung zum Einsatz. Bei derartigen Brennkraftmaschinen wird der Kraftstoff von der Fluidpumpe auf einen hohen Druck komprimiert und in eine Kraftstoff-Sammelleitung ("rail") gefördert. Von dieser gelangt der Kraftstoff unter hohem Druck über Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen direkt in die Brennräume der Brennkraftmaschine. Die Fluidpumpe saugt den Kraftstoff über einen Einlass und ein Einlassventil in einen Förderraum an. Dieser wird von einem hin- und herbewegbaren Förderkolben begrenzt. Um Druckschwankungen in einer Kraftstoffleitung auszugleichen, die mit dem Einlass verbunden ist, ist ein Druckdämpfer vorgesehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Fluidpumpe der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie einerseits möglichst geringe Abmessungen aufweist und andererseits große Druckschwankungen ausgleichen kann.
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Diese Aufgabe wird bei einer Fluidpumpe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Membrandruckdämpfer mindestens zwei voneinander getrennte Dämpferkammern aufweist.
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Vorteile der Erfindung
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Bei der erfindungsgemäßen Fluidpumpe wird bei einer kompakten Bauweise und in einer kostengünstigen Einheit ein vergleichsweise breiter Druckbereich an einlassseitigen und variablen Vordrücken abgedeckt, indem der Membrandruckdämpfer mindestens zwei voneinander getrennte Dämpferkammern aufweist. Aufgrund der zwei Dämpferkammern kann eine zweistufige Wirkungsweise mit einem vergleichsweise breiten Funktionsbereich erreicht werden. So lassen sich bei unterschiedlichen und beispielsweise variablen Vordrücken maximale Volumenaufnahmen zur Druckdämpfung realisieren. Dadurch ist die erfindungsgemäße Fluidpumpe flexibel und universell einsetzbar. Aufgrund der Ausgestaltung mit zwei Kammern ist eine kompakte, konstruktiv einfache und kostengünstige Bauweise verwirklicht. Eine Vergrößerung der Fluidpumpe oder eine Parallelschaltung mehrerer, baulich kompakter Druckdämpfer ist hiermit vermieden.
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Die Fluidpumpe kann als Kraftstoff-Hochdruckpumpe und insbesondere als Kolbenpumpe ausgebildet sein. Denkbar ist außerdem, dass der Membrandruckdämpfer als Metallmembrandämpfer ausgebildet ist. Die Dämpferkammern können jeweils ein abgeschlossenes Gasvolumen aufweisen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Fluidpumpe sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Zunächst wird vorgeschlagen, dass der Membrandruckdämpfer mindestens drei Membrane aufweist und jede Dämpferkammer durch jeweils zwei der drei Membrane begrenzt ist. Hiermit ist eine konstruktiv einfache und zugleich stabile Ausgestaltung des Membrandruckdämpfers erreicht. Dabei ist denkbar, dass zumindest die den Membrandruckdämpfer nach außen hin begrenzenden Membrane einen zentralen und mit insbesondere konzentrischen Sicken versehenen Federabschnitt aufweisen, um bei Druckbeaufschlagung, insbesondere durch auf den Membrandruckdämpfer einwirkenden Druck, eine Verformung der Membran zu ermöglichen. Der Federabschnitt kann von einem planen und umlaufenden Randabschnitt umgeben sein.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Membrane umlaufend formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Hiermit lassen sich die Membrane auf platzsparende und stabile Weise miteinander verbinden, ohne dass hierfür weitere Bauelemente erforderlich sind. Eine formschlüssige Verbindung kann durch Hintergriff von Membranen erreicht werden, beispielsweise durch "Umschlagen" von Membranabschnitten, wodurch andere Membrane ergriffen werden. Eine stoffschlüssige Verbindung von Membranen kann durch Schweißen, Löten oder Kleben erfolgen. Für eine besonders stabile Verbindung der Membrane ist eine Kombination aus formschlüssiger und stoffschlüssiger Verbindung denkbar.
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Im Konkreten können die Membrane an deren Randabschnitten miteinander verbunden sein. Damit ist eine einfache Fertigung des Membrandruckdämpfers möglich. Zudem wirken die Membrane, vom Verbindungsbereich abgesehen, über ihre ganze Fläche.
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Um einen vergleichsweise breiten Druckbereich an Vordrücken abzudecken, ist es von Vorteil, wenn eine erste der Dämpferkammern eine geringere Steifigkeit als eine zweite der Dämpferkammern aufweist. Hiermit lässt sich die zweistufige Dämpfung gezielt abstimmen. Die erste Dämpferkammer kann im niederen Druckbereich wirken und in diesem Bereich ein hinreichendes Schluckvolumen bereitstellen, beispielsweise im Bereich von 0–2,5 bar. Die zweite Dämpferkammer kann ebenfalls bereits im niederen Druckbereich wirken, wenn auch in geringerem Maße als die erste Dämpferkammer. Die zweite Dämpferkammer wirkt insbesondere oberhalb des niederen Druckbereichs und stellt in diesem Bereich ein hohes Schluckvolumen bereit, insbesondere oberhalb von 2,5 bar. Die Steifigkeit einer Dämpferkammer kann durch deren als Abdichtfläche wirkende Membran und/oder durch das Medium der Dämpferkammer beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Wandstärke der vorzugsweise aus Metall bestehenden Membran verändert werden, sodass diese beispielsweise konstruktiv "weich" ist. Zudem kann die Art und der Druck des vorzugsweise als Gas ausgeführten Füllmediums der gewünschten Steifigkeit entsprechend abgestimmt werden.
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Denkbar ist weiter, dass die Dämpferkammern derart abgestimmt sind, dass bei Überschreiten eines ersten auf den Membrandruckdämpfer einwirkenden Druckschwellwertes sich die die erste Dämpferkammer begrenzenden Membrane aufeinander zu bewegen und bei Überschreiten eines zweiten auf den Membrandruckdämpfer einwirkenden Druckschwellwertes diese Membrane aneinander anliegen. Auf diese Weise kann zwischen den beiden Druckschwellwerten ganz gezielt ein Schluckvolumen zur Dämpfung von auf den Membrandruckdämpfer einwirkenden Drücken bereitgestellt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest eine der Membrane, die eine der Dämpferkammern begrenzen, in der Dämpferkammer eine Schutzoberfläche oder ein Schutzelement aufweisen. Hiermit ist ein Verschleißschutz verwirklicht, sodass Beschädigungen durch Berührung der Membrane zwischeneinander weitestgehend vermieden sind. Zudem können Schutzoberfläche oder Stützelement für eine weitere Dämpfung sorgen, indem diese insbesondere bei schlagartigem Anstieg des auf den Membrandruckdämpfer einwirkenden Drucks das Auftreffen der Membrane aufeinander dämpfen. Dabei ist es zweckmäßig, wenn Schutzoberfläche oder Schutzelement in der Dämpferkammer in einem Anlagebereich angeordnet sind, in dem sich die Membrane berühren können. Die Schutzoberfläche kann eine Oberflächenschicht einer Membran bilden. Bei dem Schutzelement kann es sich um ein Zusatzbauteil handeln. Denkbar ist die Verwendung von Gummierungen, Moosgummi, Schaumstoffen oder dergleichen.
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In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Membran, die die erste Dämpferkammer von der zweiten Dämpferkammer trennt, einen Durchgang aufweist, so dass die erste Dämpferkammer und die zweite Dämpferkammer strömungsverbunden sind. Hiermit ist die Fertigung des Membrandruckdämpfers vereinfacht, da lediglich ein Füllmedium (Gas) in den Membrandruckdämpfer eingebracht werden muss. Dabei herrschen in beiden Dämpferkammern gleiche Druckverhältnisse, sodass die die erste Dämpferkammer von der zweiten Dämpferkammer trennende Membran als mechanische Feder wirkt. Auch auf diese Weise lässt sich eine zweistufige Dämpfung erreichen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Durchgang in einem Anlagebereich angeordnet ist, in dem zwei die Dämpferkammer begrenzende Membrane aneinander anliegen können, und dass der Durchgang durch Anliegen der Membrane aneinander verschließbar ist. Dadurch sind die Dämpferkammern nach Anliegen der Membrane nicht mehr miteinander strömungsverbunden und es können in den Dämpferkammern unterschiedliche Drücke des Füllmediums herrschen. Hiermit ist ebenfalls eine zweistufige Dämpfung realisiert.
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Alternativ hierzu ist denkbar, dass der Durchgang in der Membran, die die erste Dämpferkammer von der zweiten Dämpferkammer trennt außerhalb eines Anlagebereichs liegt, um unabhängig vom vorliegenden Betriebszustand eine Strömungsverbindung zwischen den Dämpferkammern herzustellen.
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Im Konkreten kann der Membrandruckdämpfer an oder in einem Einlass der Fluidpumpe angeordnet sein und zur Dämpfung von einlassseitigen Druckschwankungen dienen. Auf diese Weise können einlassseitige Druckschwankungen reduziert oder sogar ausgeglichen werden, insbesondere in einer Niederdruckleitung oder in einem Niederdruckanschluss der Fluidpumpe.
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Alternativ oder ergänzend kann ein Membrandruckdämpfer an oder in einem Auslass der Fluidpumpe angeordnet sein und zur Dämpfung von auslassseitigen Druckschwankungen dienen. Auch hiermit lassen sich Druckschwankungen ausgleichen, insbesondere in einer Hochdruckleitung oder einem Hochdruckanschluss der Fluidpumpe, der mit einer Kraftstoff-Sammelleitung ("rail") verbunden sein kann.
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Ebenfalls denkbar ist die Ausgestaltung des Membrandruckdämpfers mit mehr als zwei voneinander getrennten Dämpferkammern, beispielsweise mit drei voneinander getrennten Dämpferkammern. In diesem Fall kann der Membrandruckdämpfer vier Membrane aufweisen und jede Dämpferkammer kann durch jeweils zwei der vier Membrane begrenzt sein.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Membrandruckdämpfer als Metallmembrandämpfer ausgebildet ist. Ferner ist denkbar, dass der Membrandruckdämpfer eine rotationssymmetrische Bauform aufweist. Auch eine nicht rotationssymmetrische Ausgestaltung des Membrandruckdämpfers ist denkbar.
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Zeichnungen
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Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Hochdruck-Fluidpumpe;
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2 einen Teilschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Fluidpumpe von 1;
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3 eine vergrößerte Detailansicht des Membrandruckdämpfers der Fluidpumpe von 2;
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4 in mehreren Schaubildern mögliche Druckverläufe des Membrandruckdämpfers aus 3;
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5 eine Darstellung ähnlich 3 eines Membrandruckdämpfers einer alternativen Ausführungsform einer Fluidpumpe;
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6 eine Darstellung ähnlich 3 eines Membrandruckdämpfers einer Fluidpumpe mit rotationssysmmetrischer Ausgestaltung; und
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7 eine Darstellung ähnlich 3 eines Membrandruckdämpfers einer Fluidpumpe mit nicht rotationssysmmetrischer Ausgestaltung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 trägt ein Kraftstoffsystem einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Es umfasst einen Kraftstoffbehälter 12, aus dem eine Vorförderpumpe 14 den Kraftstoff zu einem Niederdruckanschluss 18 einer als Hochdruck-Kolbenpumpe ausgebildeten Fluidpumpe 20, die in 1 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist, fördert.
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Ein Hochdruckanschluss 22 der Fluidpumpe 20 ist mit einer Kraftstoffrail 24 verbunden. In ihr ist der von der Fluidpumpe 20 komprimierte Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert. An das Kraftstoffrail 24 sind mehrere Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 26 angeschlossen, die den Kraftstoff in einen ihnen jeweils zugeordneten Brennraum 28 direkt einspritzen.
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Das in 1 gezeigte hydraulische Schaltbild der Fluidpumpe 20 zeigt einige ihrer wesentlichen Komponenten: hierzu gehört ein Förderkolben 30, der von einer nicht gezeigten Antriebswelle in eine Hin- und Herbewegung versetzt werden kann. Er gehört zur Begrenzung eines Förderraums 32, der über ein schaltbares Einlassventil 34 mit dem Niederdruckanschluss 18 und über ein Auslassventil 36 mit dem Hochdruckanschluss 22 verbunden werden kann. Im Strömungsweg vom Niederdruckanschluss 18 zum Förderraum 32 hin ist in einem Strömungsweg 38 ein Membrandruckdämpfer 40 angeordnet.
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Das Einlassventil 34 kann zur Einstellung der Fördermenge der Fluidpumpe 20 angesteuert werden. Hierzu wird während eines Förderhubs des Förderkolbens 30 das Einlassventil 32 zwangsweise geöffnet, so dass der Kraftstoff nicht zum Kraftstoffrail 24, sondern zurück zum Niederdruckanschluss 18 gefördert wird. Die unter anderem hierdurch im Strömungsweg 38 auftretenden Druckpulsationen werden vom Membrandruckdämpfer 40 geglättet.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst die Fluidpumpe 20 ein Pumpengehäuse mit einem zylindrischen Gehäusekörper 42 und einem an dessen axialer Stirnseite angeordneten Gehäusedeckel 44. Der Gehäusekörper 42 ist ein Drehteil, wohingegen der Gehäusedeckel 44 spanlos als Blechformteil beispielsweise aus Edelstahlblech geformt ist. An dem Gehäusekörper 42 ist ein Einlassstutzen befestigt, welcher den Niederdruckanschluss 18 bildet.
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Der Einlassstutzen 18 mündet in eine zwischen dem Gehäusedeckel 44 und dem Gehäusekörper 42 gebildete Erweiterung 50 des Strömungswegs 38. Ein im Gehäusekörper 42 vorhandener Kanal führt von der Erweiterung 50 auf nicht näher dargestellte Art und Weise zum Einlassventil 34, welches in 2 nicht sichtbar ist. Am Gehäusekörper 42 ist ein Auslassstutzen befestigt, welcher den Hochdruckanschluss 22 bildet.
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Der Membrandruckdämpfer 40 ist innerhalb der Erweiterung 50 des Strömungswegs 38 angeordnet und ist in 3 einzeln dargestellt. Der Membrandruckdämpfer 40 weist zwei voneinander getrennte Dämpferkammern 52, 54 auf. Zudem umfasst der Membrandruckdämpfer 40 drei parallel angeordnete Membranen 56a, 56b und 56c. Die Dämpferkammern 52, 54 sind durch jeweils zwei der drei Membrane 56a, 56b und 56c begrenzt. Die Membrane 56a, 56b und 56c weisen jeweils einen zentralen und mit konzentrischen Sicken versehenen Federabschnitt 58a, 58b bzw. 58c auf, sowie einen planen und umlaufenden Randabschnitt 60a, 60b bzw. 60c. Letztere sind an ihrem radial äußeren freien Rand miteinander in 62 verschweißt. In den Dämpferkammern 52, 54 ist jeweils ein Gasvolumen 64, 66 eingeschlossen.
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Die erste Dämpferkammer 52 weist eine geringere Steifigkeit als die zweite Dämpferkammer 54 auf. Die Steifigkeit der Dämpferkammer ergibt sich aus der Kombination Abdichtfläche bzw. Membran (Metall) und Füllmedium (Gas). Die erste Dämpferkammer 52 wirkt in einem niederen Druckbereich (bspw. 0–2,5 bar), die zweite Dämpferkammer 54 überwiegend in einem hohen Druckbereich (bspw. 2,5bar oder höher).
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Die zweite Membran 56b weist ein Schutzelement 68 auf. Das Schutzelement 68 ist in einem Anlagebereich 70 angeordnet, in dem sich die Membrane 56a und 56b berühren können. Das Schutzelement 68 dient zum Verschleißschutz.
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Die zweite Membran 56b weist einen Durchgang 72 auf, der auch im Schutzelement 68 ausgebildet ist. Damit wirkt die zweite Membran 56b wie eine mechanische Feder, da in den Dämpferkammern 52, 54 gleiche Druckverhältnisse herrschen. Gelangen die erste Membran 56a und die zweite Membran 56b miteinander in Kontakt, wird der Durchgang 72 verschlossen.
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Alternativ oder zusätzlich zum Durchgang 72 kann ein Durchgang 74 außerhalb des Anlagebereichs 70 angeordnet sein. Auf diese Weise herrschen in beiden Dämpferkammern 52, 54 stets gleiche Druckverhältnisse. Die Durchgänge 72 und 74 können unterschiedliche groß sein, so dass sie unterschiedliche Drosselwirkungen haben.
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4 zeigt in mehreren Schaubildern die Volumenänderung dV aufgetragen über dem vorherrschenden Druck p. Im Zustand A ist der Membrandämpfer unbelastet (erster Druckschwellwert). Beim Zustand B gelangt die erste Membran 56a mit der zweiten Membran 56b in Anlage (zweiter Druckschwellwert). Im Zustand C sind sowohl die erste Membran 56a als auch die dritte Membran 56c mit der zweiten Membran 56b in Kontakt. In einem niederen Druckbereich (zwischen Zustand A und B) wirkt die konstruktiv weich ausgeführte erste Membran 56a mit hohem Schluckvolumen, d.h. mit großen Wegen bei Änderung des Umgebungsdrucks (Kennlinie 76). In diesem Druckbereich wird die Gesamtfunktion durch die dritte Membran 56c unterstützt (Kennlinie 78). Aufgrund der höheren Steifigkeit legt die dritte Membran 56c geringere Wege als die erste Membran 56a zurück. Die Drücke der Füllmedien in den Dämpferkammer 52, 54 sind derart abgestimmt, dass in diesem ersten Funktionsbereich (zwischen Zustand A und B) die zweite Membran 56b lediglich einen vernachlässigbaren Weg zurückgelegt (Kennlinie 80).
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Ab einem gewissen Druck (zweiter Druckschwellwert) gelangt die erste Membran 56a mit der zweiten Membran 56b in Kontakt, sodass sich die erste Membran 56a nicht mehr stark verformt, die hydraulische Kraft aber auf die zweite Membran 56b überträgt. Damit wird die zweite Membran 56b wirksam, die entsprechend dem steigenden Druck optimale Volumenaufnahme generiert. Die dritte Membran 56c nimmt weiterhin über den ganzen gesamten Bereich Volumen auf, nun aber weniger als die zweite Membran 56 B. Die gesamte Volumenaufnahme des Membrandruckdämpfers 40 ist in Kennlinie 82 dargestellt.
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5 zeigt einen Membrandruckdämpfer 84 einer alternativen Ausführungsform einer Fluidpumpe. Der Membrandruckdämpfer 84 entspricht in seinem Aufbau weitgehend dem Membrandruckdämpfer 40. Abweichend hiervon weist der Membrandruckdämpfer 84 drei voneinander getrennte Dämpferkammern 86, 88 und 90 auf. Dabei umfasst der Membrandruckdämpfer 84 vier Membrane 92a, 92b, 92c und 92d.
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Wie in 6 dargestellt, kann ein Membrandruckdämpfer einen rotationssymmetrischen Aufbau aufweisen. Demnach können der Membrandämpfer 40 und/oder der Membrandruckdämpfer 84 rotationssymmetrisch ausgebildet sein.
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Alternativ hierzu ist, wie in 7 dargestellt, eine nicht rotationssymmetrische Ausgestaltung eines Membrandruckdämpfers denkbar. Demnach können der Membrandämpfer 40 und/oder der Membrandruckdämpfer 84 nicht rotationssymmetrisch ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004002489 B4 [0002]