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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Membranfederventil, welches z.B. als Einlassventil in einer Kraftstoffpumpe benutzt werden kann, bzw. eine Membranfeder, welche in ein Membranfederventil eingesetzt werden kann.
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Eine derartige Membranfeder ist beispielsweise aus der
GB 2478876B bekannt. Derartige Membranfederventile weisen eine Membranfeder und einen Ventilträger mit einem Ventilsitz und einer Durchgangsöffnung auf. Die Membranfeder weist einen inneren Abdichtteil, einen äußeren Abstützteil und eine Vielzahl von Federarmen auf, welche den inneren Abdichtteil mit dem äußeren Abstützteil verbindet, und ist am Ventilträger befestigt. Wenn Medium unter Druck an der Membranfeder anliegt, hebt die Membranfeder vom Ventilsitz ab und das Medium kann durch den freigegebenen Querschnitt der Membranfeder strömen. In den Federarmen der Membranfeder baut sich entsprechend der Auslenkung eine Rückstellkraft auf, welche die Membranfeder in ihre Ausgangslage zurückbringen will. Sobald das durchströmende Medium nicht mehr unter Druck an der Membranfeder ansteht, schließt sich die Membranfeder selbstständig durch die Rückstellkraft der Federarme. Sobald die Membranfeder wieder auf dem Ventilträger aufliegt, dichtet sie die Durchgangsöffnung gegen zurückströmendes Medium ab. Allerdings kann zum einen die Dichtheit des Membranfederventils bezüglich Toleranzen und Ebenheit nicht sicher gewährleistet werden. Der Grund dafür ist, dass die Auslenkung der Membranfeder beim Beenden des Schließvorgangs immer kleiner wird und somit geht die Rückstellkraft bzw. die Schließkraft der Federarme gegen Null. Zum anderen kann die Rückstellung der Membranfeder beim Beenden des Schließvorgangs durch die sich ständig reduzierende Rückstellkraft immer langsamer werden, wodurch der Schließvorgang länger dauern kann. Dies macht eine Anwendung der bekannten Membranfeder in dynamischen Systemen und/oder teilweise drucklosen Systemen sehr schwierig.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Membranfederventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass die Ventildynamik und die Ventildichtheit des Membranfederventils verbessert werden können. Somit kann das erfindungsgemäße Membranfederventil zum Einsatz bei teilweise drucklosen Systemen kommen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Membranfederventil eine Membranfeder umfasst, welche eine Vorspannung im geschlossenen Zustand des Membranventils aufweist. Die Vorspannung kann entweder durch eine plastische Vorverformung der Membranfeder an sich vor dem Einbau in das Membranfederventil oder durch eine Verformung der Membranfeder, die über die Form des Ventilträgers beim Einbau der Membranfeder in das Membranfederventil erzeugt wird, entstehen. Hierbei umfasst das erfindungsgemäße Membranfederventil den Ventilträger mit einer Durchgangsöffnung, die Membranfeder mit einem inneren Abdichtteil, einem äußeren Abstützteil und einer Vielzahl von Federarmen, welche den inneren Abdichtteil mit dem äußeren Abstützteil verbinden, wobei die Membranfeder am Ventilträger angeordnet ist, und wobei der innere Abdichtteil die Durchgangöffnung des Ventilträgers verschließt oder freigibt. Im geschlossenen Zustand des Membranfederventils ist die Membranfeder eingerichtet, mittels der Vielzahl der Federarme eine Vorspannung auf den inneren Abdichtteil auszuüben, um die Durchgangsöffnung zu verschließen und so in allen Betriebszuständen ein dynamisches, sicheres Schließen zu ermöglichen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Vorzugsweise kann der Ventilträger eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweisen, welche in zwei unterschiedlichen zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind, wobei im geschlossenen Zustand des Membranfederventils der innere Abdichtteil der Membranfeder auf der ersten Fläche angeordnet ist und der äußere Abstützteil auf der zweiten Fläche angeordnet ist. Somit kann eine Vorspannung auf den inneren Abdichtteil mittels der Federarme der Membranfeder durch eine konstruktive Anpassung des Ventilträgers in einfacher Weise ausgeübt werden. Der Ventilträger kann z.B. einen Vorsprung aufweisen, wodurch die erste und zweite Fläche entstehen. Die erste Fläche, auf der der innere Abdichtteil angeordnet sein kann, kann auf dem Vorsprung ausgebildet sein. Die zweite Fläche entspricht dann der Fläche des Ventilträgers, welche den Vorsprung umgibt und auf welcher der äußere Abstützteil angeordnet sein kann. Ferner kann die Vorspannung direkt über die Höhe des Vorsprungs eingestellt werden.
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Weiterbevorzugt kann die Membranfeder eine Flachmembranfeder sein. Als Flachmembranfeder ist eine Membranfeder zu verstehen, deren innerer Abdichtteil und äußerer Abstützteil im entlasteten Zustand vor dem Einbau der Membranfeder in das Membranfederventil bzw. an den Ventilträger in einer gemeinsamen Ebene liegen. Somit kann in schneller und einfacher Weise eine Vorspannung direkt beim Einbau der Membranfeder in das Membranfederventil sichergestellt werden. Dadurch können weiter Schritte zur Erzeugung der Vorspannung vermieden werden.
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Alternativ kann vorzugsweise die Membranfeder eine Deformations-Membranfeder mit plastisch verformten Federarmen sein. Als Deformations-Membranfeder ist eine Membranfeder zu verstehen, deren innerer Abdichtteil und deren äußerer Abstützteil im entlasteten Zustand vor dem Einbau der Membranfeder in das Membranfederventil bzw. an den Ventilträger nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen. Zur Herstellung einer Deformations-Membranfeder kann z.B. eine Flachmembranfeder mechanisch so weit geöffnet werden, dass die Federarme über ihre Elastizitätsgrenze hinaus belastet werden, wobei beim Entspannen eine plastische Verformung übrig bleibt. Durch die Benutzung einer Deformations-Membranfeder kann je nach Anwendung die Vorspannung der Membranfeder so eingestellt werden, dass auch größere Vorspannungen z.B. in sehr dynamischen Systemen ohne Vorsehen eines Vorsprungs am Ventilträger möglich sind. Dies kann zu einem kompakten Aufbau des Membranfederventils führen.
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Weiter bevorzugt können der innere Abdichtteil und der äußere Abstützteil im geschlossenen Zustand des Membranfederventils in einer gemeinsamen Ebene des Ventilträgers liegen, was zur Erzeugung einer Vorspannung der Deformations-Membranfeder im Falle eines flachen Ventilträgers führt.
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Gemäß einer noch weiteren alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise eine minimale Breite eines Federarmes kleiner als ein minimaler Abstand zwischen dem Federarm und dem inneren Abdichtteil und kleiner als ein minimaler Abstand zwischen dem Federarm und dem äußeren Abstützteil sein. Somit kann ein großer Freigabequerschnitt für das zu fördernde Medium gewährleistet werden. Dies ist besonders wichtig bei Systemen mit relativ kleinem Druck, wobei der Abdichtteil vom Ventilträger bzw. Ventilsitz nur teilweise abheben kann. Somit kann trotz der unvollständigen Öffnung des Membranfederventils eine ausreichende Strömung des zu fördernden Mediums sichergestellt werden.
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Ferner bevorzugt weisen die Federarme keine Überlappungsbereiche in Umfangsrichtung zueinander auf. Dadurch kann zum einen ein größerer Freigabequerschnitt für das zu fördernde Medium gewährleistet werden. Zum anderen kann die Strömung des zu fördernden Mediums erleichtert werden, wobei die Druckverluste verringert werden können.
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Vorzugsweise kann die Durchgangsöffnung zylindrisch oder abgestuft sein. Je nach Anwendung kann somit die Strömung des zu fördernden Mediums vor der Membranfeder entsprechend angepasst werden.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Membranfeder mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Hierbei ist die erfindungsgemäße Membranfeder eine Deformations-Membranfeder mit plastisch verformten Federarmen. Durch die plastische Verformung der Federarme kann im geschlossenen Zustand des Membranfederventils eine Vorspannung der Federarme der Deformations-Membranfeder sichergestellt werden.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Kraftstoffpumpe, umfassend ein Membranfederventil und/oder eine Membranfeder nach einem der vorherigen Ansprüche. Somit kann eine taktgenaue Funktion der Kraftstoffpumpe bzw. Förderung von Kraftstoff in einfacher und kostengünstiger Weise ermöglicht werden und Förderverluste am Ventil reduziert werden.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug, umfassend ein Membranfederventil und/oder eine Membranfeder und/oder eine Kraftstoffpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche. Somit kann eine ausfallsichere und taktgenaue Funktion eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs ermöglicht werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische, stark vereinfachte Schnittansicht eines Membranfederventils im geschlossenen Zustand gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 eine Draufsicht des in 1 gezeigten Membranfederventils,
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3 eine schematische, stark vereinfachte Schnittansicht des in 1 gezeigten Membranfederventils im nicht zusammengebauten Zustand, wobei die Membranfeder eine Deformations-Membranfeder ist,
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4 eine perspektivische Ansicht einer Flachmembranfeder zur Darstellung des Herstellverfahrens einer Deformations-Membranfeder,
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5 eine Seitenansicht einer über ihre Elastizitätsgrenze hinaus ausgedehnten Flachmembranfeder zur Darstellung des Herstellverfahrens einer Deformations-Membranfeder,
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6 eine Seitenansicht einer Deformations-Membranfeder,
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7 eine schematische, stark vereinfachte Schnittansicht eines Membranfederventils im geschlossenen Zustand gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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8 eine schematische, stark vereinfachte Schnittansicht des in 7 gezeigten Membranfederventils im nicht zusammengebauten Zustand, wobei die Membranfeder eine Flachmembranfeder ist, und
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9 eine Schnittansicht eines Teils einer Kraftstoffpumpe, welche zwei erfindungsgemäße Membranfederventile aufweist.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 ein Membranfederventil 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst das erfindungsgemäße Membranfederventil 1 einen Ventilträger 2 mit einer abgestuften Durchgangsöffnung 20 und eine Membranfeder in der Form einer Deformations-Membranfeder 4, welche einen inneren, kreisförmigen Abdichtteil 30, einen äußeren, ringförmigen Abstützteil 31 mit einem Außendurchmesser D1 und drei Federarme 42 aufweist.
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Als Deformations-Membranfeder 4 ist eine Membranfeder zu verstehen, deren innerer Abdichtteil 30 und deren äußerer Abstützteil 31 in mechanisch entlastetem Zustand vor dem Einbau der Deformations-Membranfeder 4 in das Membranfederventil 1 bzw. an den Ventilträger 2 parallel zueinander und voneinander beabstandet sind, wobei die Federarme 42 plastisch verformt sind. Dies ist aus den 3 und 6 ersichtlich.
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Die Federarme 42 verbinden den inneren Abdichtteil 30 mit dem äußeren Abstützteil 31, wobei die Federarme 42 im Wesentlichen bogenförmig in Umfangsrichtung verlaufen. Ferner sind die drei Federarme 42 gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt, nämlich in einem Winkel α von 120° zueinander angeordnet, so dass die Federarme 42 keine Überlappungsbereiche in Umfangsrichtung zueinander aufweisen (2).
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Ferner sind die Federarme 42 so ausgebildet, dass eine minimale Breite eines Federarmes 42 kleiner als ein minimaler Abstand zwischen dem Federarm 42 und dem äußeren Abstützteil 31 und kleiner als ein minimaler Abstand zwischen dem Federarm 42 und dem inneren Abdichtteil 30 ist.
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Weiterhin ist der Ventilträger 2, auf dem die Deformations-Membranfeder 4 angeordnet ist, zylindrisch ausgebildet und weist einen Durchmesser D2 auf, welcher ein bisschen größer als der Durchmesser D1 des äußeren Abstützteils 31 ist.
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Es sei angemerkt, dass die 1 und 2 das erfindungsgemäße Membranfederventil 1 im zusammengebauten, geschlossenen Zustand zeigen. Der geschlossene Zustand des Membranfederventils 1 bedeutet, dass kein Medium durch das Membranfederventil 1 strömen kann.
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Im Gegensatz zu den 1 und 2 zeigt die 3 das Membranfederventil 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem nicht zusammengebauten Zustand. Dementsprechend befindet sich die Deformations-Membranfeder 4 bzw. die Federarme 42 in einem mechanisch entlasteten Zustand, so dass der äußere Abstützteil 31 und der innere Abdichtteil 30 nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen.
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Um die Deformations-Membranfeder 4 herzustellen, kann z.B. eine Flachmembranfeder 3 mit flachen, nicht vorverformten Federarmen 32 benutzt werden (4). Insbesondere ist als Flachmembranfeder 3 eine Membranfeder zu verstehen, dass deren innere Abdichtteil 30 und deren äußere Abstützteil 31 in mechanisch entlastetem Zustand vor dem Einbau der Flachmembranfeder 3 in das Membranfederventil 1 bzw. an den Ventilträger 2 in einer gemeinsamen Ebene E liegen.
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Die Flachmembranfeder 3 wird mechanisch in einer zur Ebene E senkrechten Richtung R so weit verformt, dass die Federarme über ihre Elastizitätsgrenze hinaus gleichmäßig belastet werden (5). Dadurch bleibt nach der Entfernung der Beanspruchung der Flachmembranfeder 3 eine plastische Verformung übrig. Somit entsteht die Deformations-Membranfeder 4, wobei die Federarme 42 plastisch verformt sind (6).
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Durch das Anordnen der Deformations-Membranfeder 4 auf dem flachen Ventilträger 2 sind die plastisch verformten Federarme 42 abgeflacht (1). Dementsprechend liegen im geschlossenen Zustand des Membranfederventils 1 der innere Abdichtteil 30 und der äußere Abstützteil 31 in einer gemeinsamen Ebene E3.
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Somit üben die Federarme 42 im zusammengebauten bzw. im geschlossenen Zustand des Membranfederventils 1 eine Vorspannung, die durch den Pfeil F in 1 gekennzeichnet ist, auf den inneren Abdichtteil 30 aus, um die Durchgangsöffnung 20 zu verschließen. Aufgrund dieser Vorspannung kann der Schließvorgang des Membranfederventils 1 schneller durchgeführt und eine bessere Dichtheit der Durchgangsöffnung 20 sichergestellt werden.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 7 und 8 ein Membranfederventil 1 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
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Das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Membranfederventils 1 unterscheidet sich grundsätzlich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Vorspannung, welche auf den inneren Abdichtteil 30 ausgeübt wird, durch die Gestaltung des Ventilträgers 2 entsteht.
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Wie aus 7 und 8 ersichtlich ist, weist der Ventilträger 2 eine zylindrische Durchgangsöffnung 20, eine erste Fläche 21 und eine zweite Fläche 22 auf, wobei die erste Fläche 21 und die zweite Fläche 22 durch das Vorhandensein eines Vorsprungs 23 entstehen. Weiterhin sind die erste Fläche 21 und die zweite Fläche 22 nicht in einer gemeinsamen Ebene, sondern in zwei unterschiedlichen zueinander parallelen Ebenen E1 und E2 entsprechend angeordnet.
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Hierbei ist die Membranfeder in der Form einer Flachmembranfeder 3 der 5 ausgebildet, was auch in 8 zu sehen ist, d.h. ohne plastisch deformierte Federarme.
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8 zeigt das Membranfederventil 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem nicht zusammengebauten Zustand, das heißt vor dem Einbau der Flachmembranfeder 3 in das Membranfederventil 1 bzw. an den Ventilträger 2.
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Im zusammengebauten, geschlossenen Zustand des Membranfederventils 1, welcher in 7 gezeigt ist, ist der innere Abdichtteil 30 der Flachmembranfeder 3 auf der ersten Fläche 21 des Ventilträgers angeordnet, wobei der äußere Abstützteil 31 auf der zweiten Fläche 22 angeordnet ist. Dadurch sind die Federarme 32 derart verformt, dass die Federarme 32 eine Vorspannung, die durch den Pfeil F gekennzeichnet ist, auf den inneren Abdichtteil 30 zum Verschließen der Durchgangsöffnung 20 ausüben.
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Nachfolgend wird eine Anwendung des erfindungsgemäßen Membranfederventils 1 in einer Kraftstoffpumpe 5 und die allgemeine Funktion der Kraftstoffpumpe 5 anhand der 9 beschrieben.
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Die Kraftstoffpumpe 5, die nur teilweise gezeigt ist, ist in der Form einer Magnetkolbenpumpe ausgebildet. Dementsprechend weist die Kraftstoffpumpe 5 einen Kolben 50 zum Fördern von Kraftstoff, eine Magnetspule 51 zur Betätigung des Kolbens 50 und ein Rückstellelement 52 zur Rückstellung des Kolbens 50 in eine Ausgangsposition auf. Ferner weist die Kraftstoffpumpe 5 ein erstes erfindungsgemäßes Membranventil 53 als Einlassventil, ein zweites erfindungsgemäßes Membranventil 54 auf und einen Förderraum 55 auf. Beide Membranventile umfassen jeweils eine Deformationsfeder.
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Die Kraftstoffpumpe 5 saugt Kraftstoff über das erste erfindungsgemäße Membranventil 53 (Einlassventil) durch die Betätigung des Kolbens 50 in eine erste Richtung A in den Förderraum 55 an. Der angesaugte Kraftstoff wird dann durch die Betätigung des Kolbens 50 in eine zweite Richtung B, die entgegengesetzt zur ersten Richtung A ist, im Förderraum 55 unter Druck gesetzt und aus dem zweiten Membranventil 54 (Auslassventil) weiter gefördert.
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Es sei angemerkt, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele dem Verständnis der vorliegenden Erfindung dienen und insofern nicht als einschränkend angesehen werden sollten. So ist z.B. beim zweiten Ausführungsbeispiel die Benutzung einer Deformations-Membranfeder 4 anstatt einer Flachmembranfeder 3 ebenso möglich.
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Durch das erfindungsgemäße Membranfederventil 1 können die oben erwähnten Nachteile des Stands der Technik eliminiert werden. Insbesondere kann der Schließvorgang des Membranventils 1 schneller durchgeführt und das Abdichten der Durchgangsöffnung 20 sichergestellt werden, was auf der ausgeübten Vorspannung auf den inneren Abdichtteil 30 der erfindungsgemäßen Membranfeder im geschlossenen Ventilzustand beruht. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Membranfederventil 1 z.B. in dynamischen Systemen Einsatz finden, was besonders wichtig z.B. bei Kraftstoffpumpen, die in Fahrzeugen benutzt werden, ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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