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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tankventilvorrichtung für ein Gasspeichersystem eines gasbetriebenen Fahrzeugs sowie ein Gasspeichersystem zum Speichern eines gasförmigen Treibstoffs.
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Stand der Technik
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In Tanksystemen für Wasserstoff als Druckgas und in mobilen Anwendungen werden üblicherweise ein Rückschlagventil für die Betankung mit Kraftstoff verwendet. Das federbelastete Rückschlagventil für die Betankung ermöglicht einen Massenstrom in das Tanksystem, wenn der Gasdruck vor dem Ventil höher als der Druck im Tankbehälter ist, was normalerweise bei der Betankung der Fall ist. Ein Tanksystem kann mehrere Tankbehälter enthalten, wobei jeder Behälter ein eigenes Rückschlagventil für die Betankung aufweisen kann.
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Beim Betanken wird üblicherweise das Ventil durch den Druck des aus der Tankstelle einströmenden Gases aus dem Sitz gehoben und gibt die Betankung frei. Nach dem Betanken, wenn der Druck vor und nach dem Rückschlagventil ausgeglichen ist, wird das Ventil von der Feder in den Sitz gedrückt und das Ventil wird geschlossen.
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Der Strömungspfad des Gases beim Betanken durch das Rückschlagventil führt in der Regel durch eine Öffnung in den abschnittsweise hohlzylindrischen Kolben. Das durch den Sitz strömende Gas wird somit zunächst über den Sitz nach außen um das Ventil geführt. Durch Öffnungen dann ins Zentrum des Ventils umgelenkt, und anschließend über eine Lanze in den Tank geleitet. Dadurch ergeben sich an mehreren Stellen Strömungsverluste, welche sich negativ auf den Druckverlust des gesamten Rückschlagventils auswirken. Zusätzlich kann es dadurch zu Instabilitäten bzw. Schwingungen im Strömungsverlauf kommen, welche dann zu einer Art Schnarren führen.
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Die mehrfachen Umlenkungen des Strömungspfades führen an mehreren Stellen zu Strömungsverlusten in Form von Druckverlusten. Weiterhin kommt es dadurch zu Instabilitäten im pneumatischen Kraftverlauf, wenn sich das Ventil beim Betanken öffnet. Es kann weiterhin zu Druckeinbrüchen und somit Krafteinbrüchen bzw. Hubveränderungen kommen, so dass der erforderliche Massenstrom beim Betanken nicht erreicht werden kann. Des Weiteren führen diese Instabilitäten/Hubveränderungen zu zusätzlichen Beanspruchungen der Bauteile. Somit tritt auch verstärkter Verschleiß auf.
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Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2021 206 257 A1 ein federbelastetes Rückschlagventil für die Betankung bei einer Tankventilvorrichtung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine Tankventilvorrichtung für ein Gasspeichersystem eines gasbetriebenen Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und/oder ein Gasspeichersystem zum Speichern eines gasförmigen Treibstoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Tankventilvorrichtung für ein Gasspeichersystem eines gasbetriebenen Fahrzeugs vorgesehen. Die Tankventilvorrichtung umfasst einen Grundkörper, welcher einen Pfad zum Leiten eines gasförmigen Treibstoffs aufweist, wobei der Pfad eine Durchflussöffnung für den gasförmigen Treibstoff aufweist. Ferner umfasst die Tankventilvorrichtung eine Rückschlagventileinrichtung, welche in dem Pfad angeordnet ist. Die Rückschlagventileinrichtung enthält einen geschlossenen Ventilkolben, welcher stromabwärts der Durchflussöffnung angeordnet und innerhalb des Grundkörpers verschiebbar vorgesehen ist, und eine vorgespannte Druckfedereinrichtung. Die vorgespannte Druckfedereinrichtung ist innerhalb des Grundkörpers vorgesehen und dazu ausgebildet, den geschlossenen Ventilkolben in Richtung der Durchflussöffnung zum Verschließen der Durchflussöffnung zu drücken, wenn das Betanken des Gasspeichersystems nicht vorliegt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Gasspeichersystem zum Speichern eines gasförmigen Treibstoffs, insbesondere für ein gasbetriebenes Nutzfahrzeug, vorgesehen. Das Gasspeichersystem umfasst einen Gastank, in welchen der gasförmige Treibstoff einfüllbar ist, und eine erfindungsgemäße Tankventilvorrichtung, welche mit dem Gastank verbunden oder an diesem angeordnet ist.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, durch eine optimierte Anordnung und/oder Ausgestaltung des Ventilkolbens innerhalb des Pfades eine Strömungsführung beim Betanken bereitzustellen, die das Risiko unerwünschter Druckverluste minimiert und für einen stabilen bzw. robusten Strömungsverlauf sorgt. Dabei wird die Strömungsführung des Gases nach Durchströmen der Durchflussöffnung derart beeinflusst, dass das Gas nicht über Öffnungen in den Kern des Ventilkolbens geführt werden muss. Stattdessen wird das Gas außen am Ventilkolben
entlanggeführt. Das bedeutet der geschlossene Ventilkolben enthält weder Öffnungen, Bohrungen noch vergleichbare Hohlräume.
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Vorteilhafterweise kann dabei auch die Gefahr des Schnarrens vermindert und ein konstant hoher Massenstrom gewährleistet werden. Ferner lässt sich der Druckverlust deutlich reduzieren, bzw. bei gleichbleibendem Druckverlust ein deutlich höherer Massenstrom erzielen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der geschlossene Ventilkolben derart ausgeformt, dass zumindest abschnittsweise ein Umströmungsraum zwischen dem geschlossenen Ventilkolben und dem Grundkörper vorgesehen ist, damit der gasförmige Treibstoff durch den Umströmungsraum an dem geschlossenen Ventilkolben vorbeiströmt, wenn das Betanken des Gasspeichersystems vorliegt. Auf diese Weise können Strömungsverluste verringert werden und eine stabilere Strömung bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise ist der gasförmige Treibstoff Wasserstoff. Der Pfad ist vorzugsweise als Befüllungspfad zum Betanken des Gasspeichersystems mit einem gasförmigen Treibstoff angeordnet und ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist der geschlossene Ventilkolben im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen vieleckig ausgebildet. Somit bilden sich automatisch Umströmungsräume, da ein vieleckiger Ventilkolben das Innere des Pfades, der vorzugsweise hohlzylindrisch ausgebildet ist, nicht vollkommen ausfüllt. Dennoch kann der Ventilkolben seine Ausrichtung in dem Pfad beibehalten, indem die Kanten des vieleckigen Ventilkolbens an einer Innenwandung des Pfades gleiten. Vorzugsweise ist der geschlossene Ventilkolben im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen dreieckig ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist die vorgespannte Druckfedereinrichtung konisch ausgebildet. Dabei weist die konisch ausgebildete vorgespannte Druckfedereinrichtung beispielsweise eine nichtlineare Federkennlinie auf. Folglich verbessert die konische Ausbildung der vorgespannten Druckfedereinrichtung ein stabileres Öffnungsverhalten der Rückschlagventileinrichtung.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist ein erstes Ende der konisch ausgebildeten vorgespannten Druckfedereinrichtung, welches sich an dem geschlossenen Ventilkolben abstützt, einen geringeren Durchmesser auf als ein zweites Ende, welches sich an einer Federanschlagseinrichtung abstützt. Dabei ist der Durchmesser insbesondere auf die Spiralform der vorgespannten Druckfedereinrichtung bezogen. Somit kann der Ventilkolben zentriert werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Durchmesser eines Federdrahtes der vorgespannten Druckfedereinrichtung im Querschnitt des Federdrahtes betrachtet variieren. Die Federanschlagseinrichtung kann beispielsweise in dem Pfad verschraubt, verklemmt oder anderweitig fest mit dem Grundkörper verbunden sein.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist die Rückschlagventileinrichtung ferner einen Ventilsitz mit einer Durchflussöffnung in Verlängerung der Durchflussöffnung des Grundkörpers auf, wobei die Durchflussöffnung mit der Durchflussöffnung des Grundkörpers korrespondiert. Somit kann der Ventilsitz ein eigenständiges Bauteil in dem Pfad sein. Alternativ kann der Bereich um die Durchflussöffnung des Grundkörpers als Ventilsitz ausgebildet sein, das bedeutet der Ventilsitz kann in den Grundkörper integriert sein.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist die Rückschlagventileinrichtung ferner eine Hülse auf, welche den geschlossenen Ventilkolben und die vorgespannte Druckfedereinrichtung zumindest radial umschließt. Die Hülse ist beispielsweise als Schraubhülse oder dergleichen ausgebildet. Die Hülse kann aber auch Bestandteil des Grundkörpers im Pfad sein. Der Einfachheithalber wird nachfolgend nur von der Hülse gesprochen.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist eine Innenwandung des Pfades oder die Hülse eine axiale Führungseinrichtung auf, welche dazu angeordnet und ausgebildet ist, den verschiebbaren geschlossenen Ventilkolben axial zu führen. Auf diese Weise kann eine Rotation des Ventilkolbens um seine axiale Achse vermieden werden. Folglich kann reibungsbedingter Verschleiß zwischen dem Ventilkolben und der Innenwandung des Pfades bzw. zwischen dem Ventilkolben und der Hülse verringert werden.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist die Hülse eine Hubbegrenzungseinrichtung zum Begrenzen eines maximalen Hubs des geschlossenen Ventilkolbens auf. Die Hubbegrenzungseinrichtung ist beispielsweise als mechanische Hubbegrenzungseinrichtung vorgesehen. Somit kann die vorgespannte Druckfedereinrichtung vor Überlastung geschützt werden, da Kräfte über einem vorbestimmten Niveau von der Hubbegrenzungseinrichtung aufgenommen werden.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist die Hubbegrenzungseinrichtung einen Vorsprung an einer Innenfläche der Hülse auf, an welcher der geschlossene Ventilkolben bei dem maximalen Hub anschlägt.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist der geschlossene Ventilkolben derart stromlinienförmig ausgebildet, dass der gasförmige Treibstoff im Wesentlichen geradlinig an dem geschlossenen Ventilkolben vorbeiströmt. Auf diese Weise kann eine Durchströmung der Druckfedereinrichtung vermieden werden. Der gasförmige Treibstoff kann zwischen der Druckfedereinrichtung und dem Ventilkolben strömen. Somit können weitere Turbulenzen und in der Folge Druckverluste des Gases vermieden werden.
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Die obigen Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Insbesondere sind sämtliche Merkmale der Vorrichtung auf das zugehörige Verfahren übertragbar, und umgekehrt. Weitere mögliche Ausführungsformen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Tankventilvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Schnittansicht einer Rückschlagventileinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, welche in einem Pfad einer Tankventilvorrichtung angeordnet ist;
- 3 eine schematische Schnittansicht einer Rückschlagventileinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die vorgespannte Druckfeder konisch ausgebildet ist.
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In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis von Ausführungsformen der Erfindung vermitteln und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Zeichnungen sind lediglich als schematische Zeichnungen zu verstehen und die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Richtungsangebende Terminologie wie etwa „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „über“, „unter“, „horizontal“, „vertikal“, „vorne“, „hinten“ und ähnliche Angaben werden lediglich zu erläuternden Zwecken verwendet und dienen nicht der Beschränkung der Allgemeinheit auf spezifische Ausgestaltungen wie in den Figuren gezeigt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Tankventilvorrichtung 1. Die Tankventilvorrichtung 1 ist für ein Gasspeichersystem eines gasbetriebenen Fahrzeugs ausgelegt.
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Die dargestellte Tankventilvorrichtung 1 enthält einen Grundkörper 2, eine Vielzahl von Ventilen 14 zum Absperren und/oder Steuern der Tankventilvorrichtung 1, eine Temperatursicherungseinrichtung 15, einen Temperatursensor 16 und eine Dichtungseinrichtung 17.
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Der Grundkörper 2 weist beispielhaft einen Befüllungspfad 3 zum Betanken des Gasspeichersystems mit einem gasförmigen Treibstoff sowie einen Entnahmepfad 18 zum Abgeben des gasförmigen Treibstoffs aus dem Gasspeichersystem auf. Bei dem gasförmigen Treibstoff handelt es sich insbesondere um Wasserstoff, ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann ebenso ähnliche Gase als Energieträger enthalten. Folglich kann der Wasserstoff durch den Befüllungspfad 3 in das Gasspeichersystem einströmen und durch den Entnahmepfad 18 wieder verlassen. Optional kann der gasförmige Treibstoff auch direkt einer Verbrennungsmaschine zugeführt werden. Dabei ist der Grundkörper 2 beispielsweise im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet.
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Vorzugsweise umfasst der Grundkörper 2 mehrere rohrförmige Verästelungen, die in voneinander verschiedenen Ausrichtungen vorgesehen sind, wie dies in 1 illustriert ist. Darüber hinaus kann der Grundkörper 2 ein Gewinde zum Verschrauben der Tankventilvorrichtung 1 mit dem Gasspeichersystem aufweisen. Hierfür kann das Gasspeichersystem beispielsweise ein Mutterngewinde aufweisen. Ferner enthält der Grundkörper 2 eine in dem Befüllungspfad 3 angeordnete Rückschlagventileinrichtung 4.
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Die Rückschlagventileinrichtung 4 weist einen Ventilsitz 5 mit einer Durchflussöffnung 6 für den Wasserstoff und eine Hülse 7 auf, wobei die Hülse 7 stromabwärts des Ventilsitzes 5 angeordnet ist. Zusätzlich enthält die Rückschlagventileinrichtung 4 einen geschlossenen Ventilkolben 8, welcher innerhalb der Hülse 7 verschiebbar vorgesehen ist. Dabei drückt eine vorgespannte Druckfedereinrichtung 9, welche in der Hülse vorgesehen ist, den geschlossenen Ventilkolben 8 in Richtung des Ventilsitzes 5, um die Durchflussöffnung 6 zu verschließen, wenn das Betanken des Gasspeichersystems mit Wasserstoff nicht vorliegt.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Rückschlagventileinrichtung 4, welche in einem Pfad 3 einer Tankventilvorrichtung 1 angeordnet ist. Vorzugsweise ist die in 2 illustrierte Rückschlagventileinrichtung 4 in dem Befüllungspfad 3 der Tankventilvorrichtung 1 nach 1 angeordnet.
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Die Rückschlagventileinrichtung 4 weist einen Ventilsitz 5 mit einer Durchflussöffnung 6 für den Wasserstoff auf. Der Ventilsitz 5 ist in dem Befüllungspfad 3 fixiert. Die Durchflussöffnung 6 ist beispielhaft eine Durchgangsbohrung.
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Darüber hinaus weist die Rückschlagventileinrichtung 4 beispielhaft eine Hülse 7, einen geschlossenen Ventilkolben 8 und eine vorgespannte Druckfedereinrichtung 9 auf.
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Die Hülse 7 ist stromabwärts des Ventilsitzes 5 angeordnet. Die Hülse 7 ist beispielsweise als Schraubhülse ausgebildet. Die Schraubhülse 7 drückt zum Beispiel axial auf den Ventilsitz 5. Optional weist die Schraubhülse 7 eine axiale Führungseinrichtung 11 auf, um den verschiebbaren geschlossenen Ventilkolben 8 axial zu führen. Die axiale Führungseinrichtung 11 kann beispielsweise als Nut ausgebildet sein und sich axial erstrecken.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Schraubhülse 7 eine Hubbegrenzungseinrichtung 12 zum Begrenzen eines maximalen Hubs des geschlossenen Ventilkolbens 8 aufweisen. Dabei kann die Hubbegrenzungseinrichtung 12 vorteilhafterweise einen Vorsprung 13 an einer Innenfläche der Schraubhülse 7 aufweisen, der als mechanische Blockade wirken kann, wenn der maximale Hub erreicht ist. Das bedeutet der geschlossene Ventilkolben 8 schlägt bei dem maximalen Hub an dem Vorsprung 13 an.
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Der geschlossene Ventilkolben 8 ist innerhalb der Schraubhülse 7 verschiebbar vorgesehen. Dabei ist der geschlossene Ventilkolben 8 vorzugsweise derart ausgeformt, dass zumindest abschnittsweise ein Umströmungsraum 10 zwischen dem geschlossenen Ventilkolben 8 und der Schraubhülse 7 vorgesehen ist, damit der Wasserstoff durch den Umströmungsraum 10 an dem geschlossenen Ventilkolben 8 vorbeiströmen kann, wenn das Betanken des Gasspeichersystems vorliegt. Beispielhaft ist der geschlossene Ventilkolben 8 im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen dreieckig ausgebildet ist, wie 2 zeigt. Durch die dreieckige Form sind zwischen den drei Seiten und der rund ausgebildeten Schraubhülse drei Umströmungsräume vorhanden durch welche der einströmende Wasserstoff fließen kann. Somit wird der geschlossene Ventilkolben 8 von dem Wasserstoff außen umströmt. Zusätzlich kann der geschlossene Ventilkolben 8 derart stromlinienförmig ausgebildet sein, dass der Wasserstoff im Wesentlichen geradlinig an dem geschlossenen Ventilkolben 8 vorbeiströmt, wie dies die eingezeichneten Strömungspfeile des Wasserstoffs andeuten.
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Die vorgespannte Druckfedereinrichtung 9 ist zum Beispiel als Schraubendruckfeder, auch Spiraldruckfeder genannt, ausgebildet. Die Schraubendruckfeder 9 ist in der Hülse angeordnet und drückt den geschlossenen Ventilkolben 8 in Richtung des Ventilsitzes 5, um die Durchflussöffnung 6 zu verschließen, wenn das Betanken des Gasspeichersystems mit Wasserstoff nicht vorliegt. Weiterhin kann die Schraubhülse 7 die Vorspannung der Schraubendruckfeder 9 festlegen. Darüber hinaus kann die Schraubendruckfeder 9 den Ventilsitz 5 verpressen.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Rückschlagventileinrichtung 4 mit im Wesentlichen den Merkmalen der Rückschlagventileinrichtung 4 wie in 2 dargestellt und beschrieben ist. Die Rückschlagventileinrichtung 4 nach 3 unterscheidet sich von der Rückschlagventileinrichtung 4 nach 2 durch eine konische Ausbildung der Schraubendruckfeder 9.
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Die konisch ausgebildete, vorgespannte Schraubendruckfeder 9 weist ein erstes Ende 9a und ein zweites Ende 9b auf. Das erste Ende 9a stützt sich an dem geschlossenen Ventilkolben 8 ab. Das zweite Ende 9b stützt sich an der Hülse 7 ab. Dabei enthält das erste Ende 9a einen geringeren Durchmesser in Bezug auf die Spiralform als das zweite Ende 9b. Ferner weist der geschlossene Ventilkolben 8 beispielhaft einen Dorn 19 auf, welcher in die Schraubendruckfeder 9 hineinragt, also von der Schraubendruckfeder spiralförmig umgeben ist. Damit kann eine zentrumsnahe Krafteinleitung auf den Ventilkolben 8 realisiert werden, die gegebenenfalls Verschleiß in den Führungen reduziert.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021206257 A1 [0006]