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Die Erfindung betrifft ein Membranventilgehäuse, mit zumindest zwei axial verlaufenden Fluidkanälen, die zueinander fluchten und aufeinander zulaufen, einer Trennwand zwischen den Fluidkanälen, welche ein freies Ende zu einem Ventilraum hin hat und mit einem freien Ende einen Ventilsitz bildet, der zwischen nebeneinander liegenden Mündungsöffnungen der Fluidkanäle liegt, wobei die Fluidkanäle je einen zylindrischen, vorzugsweise kreiszylindrischen Axialabschnitt und einen sich daran anschließenden, gegenüber der Axialrichtung der Fluidkanäle seitlich und schräg aufeinander zu zum Ventilraum hin verlaufende Kanalendabschnitte hat, die durch die Trennwand getrennt sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Membranventilgehäuses.
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Membranventilgehäuse haben Zu- und Abflussanschlüsse, die in Fluidkanäle münden. Üblicherweise sind diese beiden zueinander fluchtenden, eine gemeinsame Axialachse besitzenden Fluidkanäle durch Rohrabschnitte definiert. Die Kanäle knicken bezüglich ihres Verlaufs kurz vor der Trennwand seitlich ab und verlaufen aufeinander zu, um in den gemeinsamen Ventilraum zu münden. Dieser Ventilraum wird dann von einer am Ventilgehäuse anliegenden Membrane geschlossen. Die Membrane wird dabei zwischen dem Ventilgehäuse und einem an das Ventilgehäuse angeflanschten Antriebsgehäuse geklemmt. Im Antriebsgehäuse sitzen entsprechende Antriebe mit Stößel und/oder Kolben, die die Membrane gegen den Ventilsitz drücken oder ein Abheben der Membrane vom Ventilsitz erlauben, um die Kanäle miteinander in Strömungsverbindung zu bringen bzw. voneinander zu trennen.
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Die Fertigung der Ventilgehäuse mit den schräg verlaufenden Kanalendabschnitten ist aufwendig. Es gibt verschiedene Verfahren zum Herstellen dieser Kanalendabschnitte, zum Beispiel indem sie durch sogenanntes Zeilenfräsen schrittweise hergestellt werden. Die Oberfläche ist entsprechend rau und wird dann abschließend poliert, zum Teil auch notwendigerweise von Hand poliert, da die Zugänglichkeit für den Maschineneinsatz teilweise nicht gegeben ist. Ein Membranventilgehäuse der gattungsgemäßen Art ist aus der
DE 102 23 824 B4 bekannt. Bei diesem Membranventilgehäuse ist insbesondere der kontinuierlich gerundete Übergang zwischen den Axialabschnitten und dem dazu schrägen Kanalendabschnitt relativ teuer in seiner Fertigung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiger herstellbares Membranventilgehäuse sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Membranventilgehäuses anzugeben.
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Dies wird bei einem Membranventilgehäuse der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass die Trennwand in axialer Längsschnittansicht gesehen zur Begrenzung der Fluidkanäle jeweils einen zur Axialrichtung flacheren, dem Ventilsitz nahen Schrägabschnitt und einen sich daran anschließenden steileren Abschnitt besitzt.
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Während beim Stand der Technik stets der gesamte Kanalendabschnitt, in Längsschnittansicht gesehen, gleichmäßig linear verlaufend schließlich in einem großen Radius in den Axialabschnitt übergeht, sieht die Erfindung eine hierzu gegenteilige Lösung vor. Gemäß der Erfindung ist gerade kein geradliniger, stets gleichmäßig schräger Kanalendabschnitt ausgeführt. Vielmehr sind Abschnitte unterschiedlicher Schrägstellung im Kanalendabschnitt vorhanden. Näher an der Mündung ist ein Schrägabschnitt vorgesehen, der flacher relativ zur Axialrichtung geneigt ist als ein sich daran anschließender Abschnitt, der steiler als der Schrägabschnitt geneigt ist. Damit ergibt sich eine Art „Absatz“ oder eine Querschnittsvergrößerung im Kanalendabschnitt, von der Mündung der jeweiligen Kanäle aus betrachtet. Für das von der Mündung kommende Fluid ergeben sich damit aufgrund des nicht kontinuierlichen Wandverlaufs Turbulenzen. Diese Turbulenzen sind aber, wie Versuche herausgefunden haben, nicht störend, sondern bezüglich Ablagerungen von Partikeln am Übergang zwischen dem Kanalendabschnitt und dem Axialabschnitt. Die Turbulenzen wirbeln nämlich Ablagerungen auf und führen dazu, dass diese in der Strömung mitgerissen werden. Der steile Abschnitt verringert den aufwendig zu fertigenden kurvenförmigen Abschnitt und ist maschinell herstellbar, zum Beispiel durch tief ins Gehäuse hinein verlaufende Axialabschnitte, die sehr einfach durch Drehen oder Bohren oder Fräsen hergestellt werden können. Eine weitere Fertigungsmöglichkeit besteht darin, dass dieser steilere Abschnitt abschnittsweise durch Fräsen von der Mündung aus hergestellt wird, indem der Fräser einfach steiler relativ zur Axialrichtung gestellt wird. Das Membranventilgehäuse ist somit insgesamt in größerem Umfang maschinell herstellbar, ein Polieren ist nur noch maximal an kleinen Flächen notwendig, sodass die Gesamtkosten für die Herstellung deutlich verringert werden. Alternativ hierzu kann anstatt Fräsen ein anderes Verfahren zum Materialabtrag gewählt werden, zum Beispiel elektrochemisches Materialabtragen (ECM). Durch die Erfindung sind sehr einfache Bewegungsrichtungen der Elektrode möglich, gleichzeitig ist auch hier wenig oder keine Poliernacharbeit erforderlich.
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Der Schrägabschnitt und/oder der steile Abschnitt können bzw. kann in Längsschnittansicht durch einen geraden Abschnitt, das heißt durch eine lineare Strecke, gebildet sein, was die Herstellung sehr vereinfacht. Der Fräser muss für diesen Abschnitt nämlich nicht in Zeilen das Gehäuse abfahren und zwischen den Zeilen anders geneigt werden. Vielmehr kann der Fräser längs einer Kurve diesen Teil des Kanalendabschnitts, genauer gesagt diesen Abschnitt der Wand des Kanalendabschnitts herstellen, das heißt vorzugsweise durch Abwälzfräsen.
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Besonders einfach ist es, wenn der Schrägabschnitt als Ebene und damit zur Axialachse geneigte Fläche ausgeführt ist.
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Der steilere Abschnitt kann beispielsweise als Zylinderfläche oder als ebene Fläche ausgeführt werden, in beiden Fällen ist die Herstellung verglichen mit dem Stand der Technik relativ einfach.
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Der steilere Abschnitt kann radial zur Axialrichtung verlaufen, sodass die Herstellung dieses steileren Abschnitts einfach beim Fräsen oder vorzugsweise Drehen der Axialabschnitte erzeugt wird und kein extra Arbeitsschritt hierfür erforderlich ist.
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Vorzugsweise soll der steilere Abschnitt den Übergang zum angrenzenden Axialabschnitt des Fluidkanals bilden, sodass vorzugsweise nur zwei oder maximal drei verschieden geneigte Abschnitte (im Längsschnitt gesehen) den schräg verlaufenden Kanalendabschnitt bilden.
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Da der Axialabschnitt der Fluidkanäle vorzugsweise eine kreiszylindrische Form hat, ist üblicherweise in Radialansicht, das heißt in Draufsicht auf den Ventilsitz gesehen, ein seitlicher Übergang zwischen dem Schrägabschnitt und dem übrigen Wandbereich, der den Kanalendabschnitt definiert, vorgesehen. Die Erfindung sieht vor, dass gemäß einer Ausführungsform der Schrägabschnitt an seinen zwei entgegengesetzten Enden in bogenförmige Abschnitte übergeht. Diese bogenförmigen Abschnitte sind dann die seitlichen, entgegengesetzten Enden der Trennwand.
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Die bogenförmigen Abschnitte können unmittelbar in den steileren Abschnitt zwischen den bogenförmigen Abschnitten und dem Axialabschnitt übergehen, was keine aufwendige Bearbeitung nach sich zieht.
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Das Gehäuse sollte darüber hinaus einen seitlichen Ringflansch zum Anbringen der Membrane angeformt haben, wobei der Ventilsitz gegenüberliegende Abschnitte des Ringflansches miteinander verbindet, das heißt quer zur angrenzenden Ventilkammer verläuft.
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Die Fluidkanäle besitzen, in Draufsicht auf den Ringflansch gesehen, beispielsweise einen halbkreisförmigen Mündungsquerschnitt.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Herstellen eines Membranventilgehäuses nach der Erfindung. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass in einen Ventilgehäuserohling durch Materialabtragen, insbesondere durch Fräsen, die Schrägabschnitte und dass vor oder nach der Herstellung der Schrägabschnitte die Axialabschnitte erzeugt werden. Der Materialabtrag erfolgt von einer Seite des Rohlings aus, insbesondere von einem angeformten seitlichen Ringflansch.
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Der Ventilgehäuserohling nach der Erfindung kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. Beispielsweise wird das Gehäuse mittels Umformen aus Rohrabschnitten hergestellt und anschließend materialabtragend, zum Beispiel spanend bearbeitet. Für höhere Anforderungen kann der Rohling auch ein geschmiedeter Edelstahl-Rohling sein oder auch ein Guss-Rohling. Bei Herstellung aus einem Rohrabschnitt sind die Axialabschnitte vorzugsweise bereits mit erzeugt, oder es kann die Innenseite der Wand noch maschinell nachbearbeitet werden. Die Axialabschnitte müssen nicht durch ausschließlich spanendes Bearbeiten ins Vollmaterial geschnitten werden. Bei Herstellung mittels Rohrabschnitten kann die Trennwand vor ihrer maschinellen Bearbeitung durch seitliches Eindrücken der Rohrwand hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet jedoch solch großes Einsparungspotenzial, dass der Rohling auch ein voller Block oder Quader sein kann, aus dem das Gehäuse „aus dem Vollen“ herausgearbeitet wird. Ein solches Verfahren bietet gegenüber bisherigen nach wie vor Kostenvorteile.
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Eine Option der Erfindung sieht vor, dass zuerst die Axialabschnitte hergestellt werden und anschließend die Schrägabschnitte, wobei bei Fräsen der Schrägabschnitte der Fräser so tief zugestellt wird, dass die Kanalendabschnitte mit den Axialabschnitten bereits verbunden sind. Das bedeutet, das sogenannte Abzeilfräsen kann eventuell komplett entfallen, zumindest aber minimiert werden.
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Nach Erzeugen des Schrägabschnitts sollte der steilere Abschnitt oder Abschnitte desselben abgetragen oder gefräst werden, oder der steilere Abschnitt wird beim Erzeugen der Axialabschnitte bereits gedreht. In diesem Fall bildet die Stirnwand, die sich beim Drehen ergibt, den steileren Abschnitt, der damit radial zur Axialrichtung des Axialabschnitts des entsprechenden Kanals verläuft. Diese Radialfläche kann auch noch im Übergangsbereich zum Schrägabschnitt abgefast werden.
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Wie bereits erläutert, kann optional abschließend der Übergang der Kanalendabschnitte zum Axialabschnitt poliert werden. Dieser Übergang kann auch mit einem geringen Radius versehen sein. Der Radius selbst muss auch nicht durch Schleifen hergestellt sein, es ist vielmehr möglich, einen Fräser mit kugeligem Ende zu verwenden, mit dem der Radius dann beim Fräsen selbst erzeugt wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Draufsicht auf einen Ventilgehäuserohling, aus dem das erfindungsgemäße Membranventilgehäuse hergestellt wird,
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2 eine perspektivische Ansicht des Ventilgehäuserohlings nach 1,
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3 eine Längsschnittansicht durch den Ventilgehäuserohling nach 1,
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4 den Ventilgehäuserohling nach 1 beim Fräsen von Fluidkanälen in Perspektivansicht,
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5 eine weitere Perspektivansicht des Ventilgehäuserohlings beim Fräsen,
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6 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Membranventilgehäuses,
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7 eine Längsschnittansicht durch das Membranventilgehäuse nach 6,
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8 eine Längsschnittansicht durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Membranventilgehäuses,
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9 eine Draufsicht auf das Membranventilgehäuse nach 8, und
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10 eine Radialschnittansicht durch das Membranventilgehäuse längs der Linie X-X in 9.
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In den 6 und 7 ist eine erste Ausführungsform eines Membranventilgehäuses dargestellt, welches aus einem einstückigen Ventilgehäuserohling, zum Beispiel wie er in den 1 bis 3 gezeigt ist, hergestellt wird.
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Das Membranventilgehäuse weist zwei axial, längs einer gemeinsamen Mittelachse A verlaufende, sich aufeinander zu erstreckende und entsprechend zueinander fluchtende Fluidkanäle 10, 12 auf. Diese Fluidkanäle 10, 12 erstrecken sich zum Teil in den stutzenartigen, rohrförmigen Enden 14, 16, an denen das Membranventilgehäuse an Fluidleitungen angeschlossen wird.
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Neben den stutzenförmigen Enden 14, 16 hat das Membranventilgehäuse einen seitlichen Ringflansch 18 angeformt, welcher vorzugsweise eben ausgeführt ist, sich parallel zur Achse A erstreckt und gegen den eine Membrane 20 gepresst wird (siehe 7).
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Die Membrane 20 wird zwischen dem Membranventilgehäuse und einem Antriebsgehäuse 22 gepresst, in welchem ein durch einen Antrieb axial verfahrbares Druckstück 24 radial gelagert ist. Der Antrieb für das Druckstück 24 kann ein Magnetantrieb, ein hydraulischer, ein pneumatischer oder ein sonstiger Antrieb sein. Das Druckstück 24 liegt rückseitig an der Membrane 20 an und kann diese gegen einen Ventilsitz 26 im Membranventilgehäuse drücken, um die beiden Fluidkanäle 10, 12 voneinander strömungsmäßig zu trennen.
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Die Fluidkanäle 10, 12 haben nämlich im Bereich des Flansches 18 jeweils eine Mündungsöffnung 28 bzw. 30, mit der die Fluidkanäle 10, 12 in einen gemeinsamen Ventilraum 32 münden, der bei abgehobener Membrane 20 oberhalb des Ventilsitzes 26 entsteht. Über den Ventilraum 32 sind die Fluidkanäle 10, 12 optional miteinander strömungsverbunden.
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Die Fluidkanäle 10, 12 haben somit, mit Bezug auf 7, jeweils einen kreiszylindrischen Axialabschnitt 34 bzw. 36, wobei dieser Abschnitt der Abschnitt der Fluidkanäle 10, 12 ist, in dem diese axial verlaufen und zueinander ausgerichtet sind. Die beiden Axialabschnitte 34, 36 enden an einer Trennwand 38, die einstückiger Bestandteil des Ventilgehäuses ist. Die Trennwand 38 definiert dann abschnittsweise die sich an die Axialabschnitte 34, 36 jeweils anschließenden Kanalendabschnitte 40 bzw. 42. Diese Kanalendabschnitte bilden den Übergang von den Axialabschnitten 34, 36 zu den Mündungsöffnungen 28 bzw. 30 und verlaufen zur Axialrichtung gesehen schräg aufeinander zu und zum Ventilraum 32 hin. Die jeweiligen Kanalendabschnitte 40, 42 werden also abschnittsweise durch die Trennwand 38 und ansonsten durch Seitenwände, die zum Teil in den stutzenförmigen Enden 14, 16 und zum Teil am Flansch 18 gebildet sind, begrenzt.
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In 6 ist zu erkennen, dass die Mündungsöffnungen 28, 30 nierenförmig oder im weitesten Sinne halbkreisförmig oder kreissegmentförmig ausgeführt sind und die zwei flachen Seiten einander gegenüberliegen. Zwischen den flachen Seiten der beiden nierenförmigen Kanalmündungen 28, 30 erstreckt sich der Ventilsitz 26, welcher die Oberseite der stegartigen Trennwand 38 zur Ventilkammer 32 hin bildet. Dieser Ventilsitz 26 liegt etwas tiefer als die Oberseite des Flansches 18 und kann auch leicht, in Axialrichtung gesehen, bogenförmig verlaufen, das heißt von der Flanschfläche zu seiner Mitte hin unter die Ebene der Flanschfläche 18 verlaufen und anschließend wieder ansteigend zur Ebene der Flanschfläche 18.
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Die Trennwand 38 bildet sozusagen mit ihrem freien Ende zum Ventilraum 32 hin den Ventilsitz.
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In 7 ist zu erkennen, dass die Trennwand 38 mehrere Abschnitte hat, um die beiden Fluidkanäle 10, 12 zu begrenzen. Ausgehend vom Ventilsitz 26 bildet die Trennwand 38 einen dem Ventilsitz 26 nahen, zur Axialrichtung, das heißt zur Achse A flacheren Schrägabschnitt 44, 46 sowie einen sich daran anschließenden steileren Abschnitt 48, 50. Die flacheren Abschnitte 44, 46 geben der Trennwand 38 in diesem Bereich eine trapezförmige Gestalt (siehe 7).
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Bei der Ausführungsform nach den 6 und 7 sind die flacheren Schrägabschnitte 44, 46 jeweils durch eine ebene Fläche gebildet, die auch in 6 zu erkennen ist. Dies ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen.
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Bei dieser Ausführungsform sind die steileren Abschnitte 48, 50 als Flächen ausgeführt, die senkrecht zur Ebene der Flanschfläche 18 verlaufen, und abschnittsweise, vorzugsweise in dem Bereich, in dem sie an die Schrägabschnitte 44, 46 angrenzen, als ebene Radialflächen, das heißt als Flächenabschnitte, die senkrecht zur Achse A liegen.
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In 7 ist zu sehen, dass die steilen Abschnitte 48, 50 in einem kleinen Radius dann in die jeweilige Zylinderwand übergehen, welche die Axialabschnitte 34, 36 begrenzt.
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Die flachen Schrägabschnitte 44, 46 enden auf beiden seitlichen Richtungen, siehe 6, in bogenförmigen Abschnitten 52, 54.
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Vom Ventilsitz 26 entlang der Schrägabschnitte 44, 46 gesehen ergibt sich damit aufgrund des Knicks zwischen den Schrägabschnitten 44, 46 und den steileren Abschnitten 48, 50 ein Hinterschnitt, der die Bezugszeichen 56, 58 trägt.
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Strömt von dem Fluidkanal 10 Fluid in den Fluidkanal 12, so bilden sich im Hinterschnitt 58 Turbulenzen, die sämtliche eventuell im Fluid mitgeführten Partikel aus dem Hinterschnitt 58 mitreißen würden.
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Die Schrägabschnitte 44, 46 und in der vorliegenden Ausführungsform auch die steilen Abschnitte 48, 50 sind in Längsschnittansicht jeweils durch Geradenabschnitte gebildet.
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Die bogenförmigen Abschnitte 52, 54 gehen bei der dargestellten Ausführungsform in den steilen Abschnitt 48, 50 über, und zwar in einen in Draufsicht (siehe 6) zylindersegmentförmigen Abschnitt 60 des steileren Abschnitts 48, 50 über.
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Das Verfahren zum Herstellen des Membranventilgehäuses nach den 6 und 7 wird im Folgenden anhand der 1 bis 5 erläutert. Der Rohling bildet bereits Vertiefungen 62, 64 sowie einen Ansatz für die Zwischenwand.
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Vorzugsweise werden zuerst die stutzenförmigen Enden 14, 16 außen und innen bearbeitet, und zwar vorzugsweise durch Drehen, sodass zuerst die beiden zylindrischen Axialabschnitte 34, 36 erzeugt werden. Bei diesem Drehen wird so tief in den Rohling eingestochen, dass die Stirnseite der entstehenden Öffnung bereits den steileren Abschnitt 48, 50 bildet.
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Anschließend werden durch Fräsen die Kanalendabschnitte 40, 42 erzeugt, wie in den 4 und 5 zu sehen. Der Fräser trägt dabei das Bezugszeichen 70.
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Der Fräser 70 wird schräg zur Ebene des Ringflansches 18 gestellt und muss bei dieser Ausführungsform nicht durch Abzeilfräsen die entsprechende Öffnung herstellen, sondern vorzugsweise vollständig mittels Abwälzfräsen. Gerade die vorzugsweise ebenen Schrägabschnitte 44, 46 lassen sich sehr zügig herstellen.
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Als Fräser können hier Fingerfräser verwendet werden mit einer zylindrischen Außenkontur, wobei auch eine leicht konische Außenkontur möglich ist. Die Fräserspitze kann optional auch eine Kugelform besitzen.
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Wie in 5 zu sehen ist, werden die bogenförmigen Abschnitte 52, 54 sehr einfach durch die Außenform des Fräsers bestimmt (Wendepunkt der Fräserbewegung), der hier einfach längs einer Linearen verfahren wird, um den Schrägabschnitt zu bilden, und anschließend längs eines Bogens, um den gebogenen Abschnitt der nierenförmigen Mündungsöffnung 28, 30 und den entsprechenden Wandabschnitt herzustellen. In 5 ist nur ein mit dicker Linie umgrenzter Teil des entsprechenden Kanalendabschnitts 40 gefräst, wogegen der Kanalendabschnitt 42 bereits fertig gefräst ist.
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Anschließend kann optional die Oberfläche noch geschliffen werden, wobei dies bei der gezeigten Ausführungsform ausschließlich maschinell erfolgen kann.
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Die Ausführungsform nach den 8 bis 10 entspricht bis auf die Ausbildung des steileren Abschnitts 48, 50 der vorherigen Ausführungsform, sodass im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen werden muss. Die entsprechend bisherigen Abschnitte, Teile oder Flächen behalten ihre Bezugszeichen, hier kann vollumfänglich auf die vorherige Beschreibung verwiesen werden.
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Bei der Ausführungsform nach den 8 bis 10 ist der jeweilige steilere Abschnitt 48, 50 in seiner Grundform zwar identisch zur Ausführungsform nach den 6 und 7, jedoch ist die Kante 80 (siehe 8, Pfeil mit Bezugszeichen 80) im Bereich des Übergangs vom Schrägabschnitt 44, 46 zum senkrecht zur Ebene des Ringflansches 18 verlaufenden Abschnitt 48, 50 abschnittsweise abgefräst, das heißt abgefast. In 9 ist zu erkennen, dass durch die bogenförmige Abfräsung der steilere Abschnitt zusätzliche Flächen 82, 84 erhält. Auch diese Abschnitte 82, 84 sind steiler zur Axialrichtung A ausgerichtet als die entsprechenden Schrägabschnitte 44, 46.
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Wie 9 ferner zu entnehmen ist, sind die ausgefrästen, bogenförmig verlaufenden steilen Abschnitte 82, 84 nur im Bereich der ebenen Bereiche des Schrägabschnitts 44, 46, das heißt im Anschluss an diesen, vorhanden, sodass die bogenförmigen Abschnitte 52, 54 wie bei der vorherigen Ausführungsform unmittelbar in die bogenförmigen Abschnitte 60, 62 der senkrecht zur Ebene des Ringflansches 18 verlaufenden steileren Abschnitte übergehen.
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Die Herstellung des Membranventilgehäuses erfolgt wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform. Lediglich am Ende des Fertigungsvorgangs zur Herstellung der Kanalendabschnitte 40, 42 wird durch Schrägstellung des Fräsers die Kante 80 an beiden Kanalendabschnitten 40, 42 abschnittsweise abgefräst.
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Zu betonen ist, dass natürlich die Herstellung der zylindrischen Axialabschnitte 34, 36 bei beiden Ausführungsformen auch zum Schluss der Herstellung erfolgen kann, sodass die Kanalendabschnitte 40, 42 zu Beginn erzeugt werden.
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Darüber hinaus kann die Herstellung des Membranventilgehäuses auch aus einem Gussrohling oder einem geschmiedeten Edelstahlrohling erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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