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HINTERGRUND
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(a) Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochdruck-Magnetventil und insbesondere einen Einfüllpfad und einen Zuführpfad für Kraftstoff, die durch Sicherstellen eines maximalen Arbeitshubs eines Ventilkolbens vereint sind, wodurch die Ventilgröße aufgrund des verkürzten Strömungspfades im Innern des Ventils verkleinert, die Anzahl der Bauteile verringert sowie Kosten und Gewicht des Ventils gesenkt werden.
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(b) Hintergrundtechnik
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Ein Magnetventil wird prinzipiell durch einen Elektromagneten betätigt und ist ein elektronisches Ventil, das einen Eingang zwischen einem Zylinder und einem Ventilkolben schaltet, der eine physikalische Kraft in einer vorgegebenen Richtung überträgt, um einen Strömungspfad zur öffnen oder zu schließen, um so eine Fluidströmung einzustellen. Magnetventile werden in der Industrie in weitem Umfang eingesetzt, u. a. in der Elektroindustrie, der Elektronik und der Maschinen- und Geräteindustrie.
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Das Magnetventil öffnet und schließt einen Strömungspfad aufgrund der Bewegung des Ventilkolbens. In einem Hochdruckgassystem, in dem Hochdruckgas strömt, strömt das Hochdruckgas im Strömungspfad in das Magnetventil und beaufschlagt den Ventilkolben. Mit anderen Worten, der Ventilkolben kann sich wegen des Widerstands des Hochdruckgases nicht gleichmäßig bewegen, und das Magnetventil wird instabil betätigt. Da ferner kein getrenntes Verfahren zum Filtern der in den Gasen enthaltenen Fremdstoffe am Eintrittsanschluss des Hochdruckgases vorgesehen ist, wird der Strömungspfad des Magnetventils durch die im Gas enthaltenen Fremdstoffe verstopft, was zu einem fehlerhaften Betrieb des Magnetventils führt.
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Des Weiteren speichert ein mit komprimiertem Erdgas (CNG) oder Wasserstoff als Kraftstoff betriebenes Fahrzeug Kraftstoff als Hochdruckgas in einem Hochdruckbehälter. Im Allgemeinen nutzt das Fahrzeug ein elektronisches Ventil des Magnetventiltyps, das direkt mit dem Hochdruckbehälter gekoppelt ist. Das Hochdruck-Magnetventil z. B. hat typischerweise eine geschlossene Struktur. Wenn ein Fahrzeug gestartet wird, muss Kraftstoff zugeführt werden, an eine Magnetspule wird Spannung gelegt und ein den Kraftstoff-Zuführpfad blockierender Ventilkolben wird geöffnet. Zum Ansteuern des Ventils dient außerdem ein Vorsteuerventil mit einem Ventilkolben mit Doppelstruktur, um das Ventil in einer Hochdruckumgebung mit niedrigerer Leistung anzusteuern.
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Wenn gemäß den 1A, 1B und 1C Spannung an ein Magnetventil gelegt wird, überwindet der Ventilkolben A die Kraft einer Hauptfeder und bewegt wird verschoben und Gas aus dem Tankinnern fließt durch eine Öffnung in der Mitte des Ventilkolbens B nach außen. Wenn der Außendruck auf ein Niveau gleich dem Innendruck des Tanks ansteigt, wird der Ventilkolben B weiter verschoben und öffnet einen Haupt-Strömungspfad. In manchen Beispielen wird Kraftstoff über einen getrennten Strömungspfad mit einem Rückschlagventil zugeführt, wenn Wasserstoff eingefüllt wird, wobei der abgehobene Weg (z. B. Hub, A + B) des Ventilkolbens B innerhalb ca. 0,3 mm liegt, was das Minimum ist. Ein geforderter Zuführ-Durchsatz kann selbst bei diesem minimalen abgehobenen Weg erfüllt werden. Wenn jedoch ein Befüllen ausgeführt wird, ist ein etwa 10facher oder höherer Durchsatz als der Zuführ-Durchsatz erforderlich; der Strömungsquerschnitt ist jedoch minimal, wodurch der Befüllungsdurchsatz begrenzt wird.
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Um den Hub zu vergrößern, kann die den Ventilkolben anhebende Kraft durch eine größere Magnetspule und damit eine Magnetkraft gesteigert werden. Um ferner den Einfüll-Durchsatz zu erfüllen, muss der Hub mindestens vervierfacht werden, was mit der derzeitigen Struktur und Größe des Magnetventils nicht vereinbar ist, was zu Problemen bei der Anwendung des Magnetventils führt. Beim Einfüllen des Kraftstoffs werden außerdem ein mechanisches Rückschlagventil und dgl. für einen getrennten Strömungspfad vorgesehen. Das Rückschlagventil öffnet, wenn der Einfülldruck höher ist als der Druck im Tank, und das Rückschlagventil schließt oder blockiert, wenn der niedriger oder gleich ist dem Druck im Tank. Wenn z. B. ein Kraftstoff-Einfüllpfad und ein Kraftstoff-Zuführpfad wie oben beschrieben getrennt sind, hat das Ventil eine komplexe innere Struktur mit einer hohen Anzahl von Bauteilen, wodurch die Kosten des Ventils steigen und innere Leckstellen zunehmen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Hochdruck-Magnetventil mit einem festen Kern oder Ventilkolben bereit, der geteilt werden kann, und mit einer Hilfsfeder, die zwischen den geteilten festen Kernen oder Ventilkolben angeordnet ist. Ein Einfüll-Strömungspfad und ein Zuführ-Strömungspfad für Kraftstoff können durch Sicherstellen eines maximalen Arbeitshubs eines Ventilkolbens vereint werden. Die Ventilgröße kann aufgrund des verkürzten Strömungspfades im Innern des Ventils verkleinert, die Anzahl der Bauteile verringert sowie Kosten und Gewicht des Ventils gesenkt werden.
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Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Hochdruck-Magnetventil ein Ventilgehäuse enthalten, das mit einem Körper verbunden ist, der einen Einlassanschluss und einen Auslassanschluss zur Bildung eines Haupt-Strömungspfades haben kann. Ein Haupt-Strömungspfad des Körpers kann geöffnet werden, indem Ventilkolben A und Ventilkolben B, die an der Unterseite des Ventilgehäuses angeordnet sind, in Eingriff gebracht werden (z. B. sequentiell), wenn ein fester Kern an einer Seite des Ventilgehäuses durch die Magnetkraft einer um den Umfang des Ventilgehäuses gewickelten Magnetspule magnetisiert wird. Der Haupt-Strömungspfad kann durch eine Hauptfeder geschlossen werden, die elastisch zwischen dem festen Kern und dem Ventilkolben B angeordnet sein kann. Ferner kann der feste Kern in einen zweiten festen Kern, der an einer Seite des Ventilgehäuses durch eine mit dem Ventilgehäuse gekoppelte Abdeckscheibe befestigt ist, und einen ersten festen Kern geteilt sein, der sich vom zweiten festen Kern zum Ventilkolben B hin und her bewegt.
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Außerdem kann eine elastisch zwischen dem ersten und dem zweiten festen Kern angeordnete Hilfsfeder eine Kraft ausüben, um den ersten festen Kern zum Ventilkolben B zu verschieben. Der Ventilkolben B kann in einen ersten Ventilkolben und einen zweiten Ventilkolben geteilt sein, und der erste Ventilkolben sowie der zweite Ventilkolben können durch eine zwischen dem ersten Ventilkolben und dem zweiten Ventilkolben elastisch angeordnete Hilfsfeder in entgegengesetzte Richtungen verschoben werden. Es kann z. B. möglich sein, die Größe des Magnetventils durch Verkürzen des Strömungspfades im Innern des Ventils zu verkleinern und die Anzahl der Bauteile zu verringern und die Kosten sowie das Gewicht des Magnetventils zu senken.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Offenbarung erschließen sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen.
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1A ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels im Querschnitt und zeigt einen Betriebszustand eines Magnetventils der verwandten Technik;
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1B ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels im Querschnitt und zeigt einen Betriebszustand eines Magnetventils der verwandten Technik;
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1C ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels im Querschnitt und zeigt einen Betriebszustand eines Magnetventils der verwandten Technik;
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2 ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels im Querschnitt und zeigt einen Betriebszustand eines Hochdruck-Magnetventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3. ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels im Querschnitt und zeigt einen Betriebszustand eines Hochdruck-Magnetventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels im Querschnitt und zeigt einen Betriebszustand eines Hochdruck-Magnetventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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5 ist ein Diagramm eines anderen Ausführungsbeispiels eines Hochdruck-Magnetventils gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Vorteile und Merkmale der Erfindung und Verfahren zur Verwirklichung derselben erschließen sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen. Obwohl die Erfindung in Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen beschrieben wird, versteht es sich, dass sich die vorliegende Beschreibung der Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränken soll. Die Erfindung soll im Gegenteil nicht nur die Ausführungsbeispiele, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen abdecken, die von Geist und Gültigkeitsbereich der Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, erfasst werden.
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Die hierin verwendete Terminologie hat den Zweck, nur bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben und soll die Erfindung nicht einschränken. Wie hierin verwendet sollen die Singularformen ”einer, eine, eines” und ”der, die, das” auch die Pluralformen umfassen, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes angibt. Außerdem versteht es sich, dass die Begriffe ”aufweisen” und/oder ”aufweisend” bei Verwendung in dieser Beschreibung das Vorhandensein angegebener Merkmale, ganzzahliger Größen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile angibt, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzzahliger Größen, Schritte, Operationen, Elemente Bauteile und/oder Gruppen derselben ausschließt. Wie hierin verwendet enthält die Formulierung ”und/oder” sämtliche Kombinationen eines oder mehrerer der aufgeführten Positionen. Um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung deutlich zu halten, sind z. B. nicht relevante Teile nicht dargestellt und die Dicken von Schichten und Zonen sind der Klarheit halber übertrieben. Wenn ferner angegeben wird, das seine Schicht ”auf” einer anderen Schicht oder einem Substrat angeordnet ist, kann die Schicht direkt auf der anderen Schicht oder dem Substrat liegen oder es kann eine dritte Schicht dazwischen angeordnet sein.
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Es versteht sich, dass der Begriff ”Fahrzeug” oder ”fahrzeugtechnisch” oder andere ähnliche hierin verwendete Begriffe allgemein Kraftfahrzeuge betreffen, wie Personenkraftwagen, einschließlich Komfort-Geländewagen (sports utility vehicles; SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wassermotorfahrzeuge einschließlich verschiedene Boote und Schiffe, Luftfahrzeuge und dgl. und auch Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (an der Steckdose aufladbar), Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge für alternative Kraftstoffe (z. B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) umfasst. Wie hierin verwendet ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Antriebsquellen, z. B. Fahrzeuge sowohl mit Benzin- als auch Elektroantrieb.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Hochdruck-Magnetventil 200 bereit, das ein mit einem Körper 100 verbundenes Ventilgehäuse 210 enthalten kann, der einen Einlassanschluss 110 und einen Auslassanschluss 120 mit einem Haupt-Strömungspfad L1 wie in den 2 bis 4 dargestellt ist enthalten kann. Der Haupt-Strömungspfad L1 des Körpers 100 kann geöffnet werden, indem Ventilkolben A 220 und Ventilkolben B 230 durch Magnetisieren eines festen Kerns an einer Seite (z. B. an der ersten Seite) des Ventilgehäuses 210 durch die Magnetkraft einer um den Umfang des Ventilgehäuses 210 gewickelten Magnetspule 213 in Eingriff gebracht werden (z. B. durch sequentielles Anziehen), die an der Unterseite des Ventilgehäuses 200 angeordnet sein können.
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Das Hochdruck-Magnetventil 200 kann zum Schließen des Haupt-Strömungspfades L1 mittels einer Hauptfeder S1 konfiguriert sein, die zwischen dem festen Kern 240 und dem Ventilkolben B 230 elastisch angeordnet sein kann. Der feste Kern 240 kann z. B. in einen zweiten festen Kern 243, der an einer Seite des Ventilgehäuses 210 durch eine mit dem Ventilgehäuse 210 gekoppelte Abdeckscheibe 211 positioniert ist, und einen ersten festen Kern 241 geteilt sein, um vom zweiten festen Kern 243 zum Ventilkolben B 230 zurückkehrt. Eine Hilfsfeder S2, die zwischen dem ersten und dem zweiten festen Kern 241 und 243 elastisch angeordnet sein kann, kann mit dem ersten festen Kern 241 in Eingriff gebracht werden und den ersten festen Kern zum Ventilkolben B 230 verschieben.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein Hochdruck-Magnetventil 200 ein mit einem Körper 100 verbundenes Ventilgehäuse 210 mit einem Einlassanschluss 110 und einem Auslassanschluss 120 enthalten, der einen Haupt-Strömungspfad L1 wie in 5 dargestellt hat. Der Haupt-Strömungspfad L1 des Körpers 100 kann geöffnet werden, indem Ventilkolben A 220 und Ventilkolben B 230, die an der Unterseite des Ventilgehäuses 200 angeordnet sind, durch Magnetisieren eines festen Kerns an einer Seite des Ventilgehäuses 210 durch die Magnetkraft einer um den Umfang des Ventilgehäuses 210 gewickelten Magnetspule 213 in Eingriff gebracht werden (z. B. durch sequentielles Anziehen).
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Das Hochdruck-Magnetventil 200 kann zum Schließen des Haupt-Strömungspfades L1 mittels einer Hauptfeder S1 konfiguriert sein, die zwischen dem festen Kern 240 und dem Ventilkolben B 230 elastisch angeordnet ist. Der Ventilkolben B 230 kann z. B. in einen ersten Ventilkolben 235 und einen zweiten Ventilkolben 237 geteilt sein. Der erste Ventilkolben 235 und der zweite Ventilkolben 237 können in entgegengesetzten Richtungen durch eine Hilfsfeder S2 verschoben werden, die zwischen dem ersten Ventilkolben 235 und dem zweiten Ventilkolben 237 elastisch angeordnet ist. Insbesondere kann ein Kopplungsstift 239 im ersten Ventilkolben 235 vorgesehen sein und verhindern, dass sich der zweite Ventilkolben 237 vom ersten Ventilkolben 235 trennt.
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Ferner können das erste und zweite Ausführungsbeispiel eine Absperrblechhalterung 233 des Ventilkolbens B enthalten, der durch Schraubeingriff durch die Mitte des Ventilkolbens B 230 verläuft, ist aber nicht darauf beschränkt. Außerdem kann ein Absperrblech 231 des Ventilkolbens B einen im Ventilkolben A 220 ausgebildeten Einfüllpfad L2 öffnen und schließen und an einer Seite des Ventilkolbens B 230 ausgebildet sein. Ferner kann der Einfüllpfad L2 durch die Mitte des Ventilkolbens A 220 verlaufen, und eine Membran 221 des Ventilkolbens A, die den Haupt-Strömungspfad L1 öffnen und schließen kann, kann am Umfang des Ventilkolbens A 220 ausgebildet sein. Mit anderen Worten, das Ventilgehäuse 210 kann aus einer nicht magnetischen Substanz bestehen, und bei Anlegen einer Spannung an die Magnetspule 213 kann Elektromagnetismus um die Magnetspule 213 induziert werden. Der Ventilkolben B (z. B. aus einer magnetischen Substanz), der erste feste Kern und der zweite feste Kern 243 können magnetisiert werden, Gravitation (z. B. Zugkraft) kann aufgebracht werden und der Ventilkolben B 230 kann verschoben (z. B. abgehoben) werden, um das Ventil zu öffnen, und das zweite feste Ventil 243 kann durch die mit dem Ventilgehäuse 210 durch Schraubeingriff oder Schweißen gekoppelte Abdeckscheibe 211 fixiert sein.
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Um ferner das Ventil durch Abheben des Ventilkolbens B 230 durch die Magnetkraft der Magnetspule zu öffnen, können der zweite feste Kern 243 und der erste feste Kern 241 magnetisiert und Gravitation zum Eingriff (z. B. Zug) des Ventilkolbens B 230 kann angewendet werden. Insbesondere kann zum Magnetisieren des ersten und zweiten festen Kerns 241 und 243 die Hilfsfeder S2 nicht betätigt werden, sondern kann den festen Kern 240 abstützen, wenn sich das Ventil in der offenen Position bei einer an der gewickelten Magnetspule 213 angelegten Spannung befindet. Der zweite feste Kern 243 kann mit einer Kraft beaufschlagt werden (z. B. durch Druck), bei der Wasserstoff eingefüllt werden kann, ungeachtet der Magnetisierungskraft, die zum Verschieben des Ventils in die offene Position erforderlich ist. Wirkung und Funktionsweise der vorliegenden Erfindung mit der oben beschriebenen Konfiguration werden anhand der beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Gemäß dem in den 2 bis 4 dargestellten Betriebszustand kann der Druck des Gases durch Teilen des festen Kerns 240 in zwei Teile aufgebaut werden, und der feste Kern 240 kann als eine gegenseitig verriegelte Struktur ausgebildet sein. Die Hilfsfeder S2 kann das Magnetventil mit einer Kraft beaufschlagen, und die Kraft kann vom Ventilkolben A 220 an den Ventilkolben B 230 übertragen werden. Außerdem kann die Kraft an den ersten festen Kern 241 übertragen werden, um die Hauptfeder S1 und die Hilfsfeder S2 vollständig zusammenzudrücken, und damit kann die auf den gesamten Ventilkolben B 230 ausgeübte Kraft (z. B. Größe der Druckkraft) erhöht werden. Entsprechend kann der Haupt-Strömungspfad I1 gebildet und dadurch eine ausreichende Kraftstoffmenge zugeführt werden.
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Außerdem können der Ventilkolben A 220 und der Ventilkolben B 230 durch die Magnetkraft der Magnetspule 213 durch einen Hub A in Eingriff gebracht (z. B. sequentiell abgehoben) werden, während Wasserstoff zugeführt wird, um das Ventil zu öffnen. Insbesondere kann die Kraft der Hilfsfeder S2 und der Hauptfeder S1 größer sein als die Magnetisierungskraft des ersten und zweiten festen Kerns 241 und 243 durch die Magnetspule 213, um den Hub A zur Verbesserung des Betriebsverhaltens des Ventils aufrechtzuerhalten. Wenn die Betätigungskraft des Magnetventils F1 und die Kraft durch den Einfülldruck F2 ist, kann die Kraft der Hauptfeder 1 f1 und die Kraft der Hauptfeder 2 kann f2 sein. Zum Beispiel ist f1 < F1 < f2 < F2 akzeptabel (z. B. geeignet). Außerdem kann das vorliegende Ausführungsbeispiel im Vergleich zum Gesamthub bei der verwandten Technik, bei der Hub A + Hub B gilt, einen Hub C zusätzlich zum Gesamthub enthalten, der einen längeren Hub ermöglicht und den Einfüllpfad L2 zum Einfüllen von Wasserstoff sicherstellen kann.
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Ferner kann eine Ventilführung 215, die zur Führung des Ventilkolbens B 230 konfiguriert ist, in Längsrichtung des Ventilgehäuses 210 im Ventilgehäuse 210 ausgebildet sein. Die Ventilführung 215 kann aus einer nicht magnetischen Substanz bestehen. Wenn z. B. eine Spannung an die Magnetspule 213 gelegt wird, kann der aus einer magnetischen Substanz bestehende Ventilkolben B durch den Elektromagnetismus um die Magnetspule 213 magnetisch induziert werden. Der erste feste Kern 241 und der zweite feste Kern 243 können magnetisiert und einer Schwerkraft ausgesetzt werden, so dass der Ventilkolben B 230 in Eingriff gebracht (z. B. abgehoben) werden kann, um das Ventil zu öffnen. Mit anderen Worten, das zweite feste Ventil 243 kann mit der Ventilführung 215 durch Schraubeingriff oder Schweißen gekoppelt sein.
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Um z. B. den Ventilkolben B 230 mit minimaler Magnetkraft der Magnetspule 213 zu verschieben (z. B. abzuheben) und das Ventil zu öffnen, können der zweite feste Kern 243 und der erste feste Kern 241 magnetisiert werden, um Schwerkraft durch Anziehen des Ventilkolbens B zu erzeugen, und der zweite feste Kern 243 sowie der erste feste Kern 241 können an der Innenseite der Magnetspule 213 zum Magnetisieren positioniert werden, so dass die Ventilführung 215 aus einer nicht magnetischen Substanz erforderlich sein kann. Wenn ferner eine Spannung an die Magnetspule 213 zum Öffnen des Ventils gelegt wird, kann die Hilfsfeder S2 nicht betätigt werden und den ersten festen Kern 241 abstützen. Wenn z. B. Wasserstoff eingefüllt wird, kann die Hilfsfeder S2 durch den verschobenen ersten festen Kern 241 ungeachtet einer angelegten Spannung zusammengedrückt werden. Gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Größe des Magnetventils durch Verkürzen des Strömungspfades im Ventil verkleinert und die Anzahl der Bauteile verringert sowie Kosten und Gewicht des Magnetventils können gesenkt werden.
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Die Erfindung ist in Zusammenhang mit für derzeit als praktikabel geltenden Ausführungsbeispielen beschrieben worden, es versteht sich jedoch, dass sie verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen innerhalb von Geist und Gültigkeitsbereich der beigefügten Ansprüche abdecken soll. Außerdem gilt, dass sämtliche dieser Modifikationen und Änderungen innerhalb des Gültigkeitsbereichs der vorliegenden Erfindung liegen.
