DE102005060217A1

DE102005060217A1 - Ventil

Info

Publication number: DE102005060217A1
Application number: DE102005060217A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Beyerlein; Markus Köpfer
Original assignee: Alfmeier Praezision AG Baugruppen und Systemlosungen
Current assignee: Alfmeier Praezision SE
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2025-12-17
Also published as: DE102005060217B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Ventilgehäuse (1), das einen Druckraum (5) umschließt und wenigstens zwei in den Druckraum (5) mündende Ventilöffnungen (10) aufweist, wobei im Druckraum wenigstens ein eine Ventilöffnung (10) steuernder, ein erstes und ein zweites Ende (24, 31) aufweisender, zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung axial beweglicher Stößel (13, 14) und wenigstens ein zur Betätigung des Stößels in Öffnungsrichtung dienendes draht- oder bandförmiges SMA-Element (15) aus einer Formgedächtnislegierung sowie ein zur Bewegung des Stößels (13, 14) in Schließrichtung dienendes Rückstellelement angeordnet sind, mit folgender weiterer Ausgestaltung: DOLLAR A - Der Stößel (13, 14) trägt an seinem ersten Ende (24) ein eine Ventilöffnung (10) verschließendes Dichtelement (25), wobei sein zweites Ende (31) an einer sich quer zum Stößel (13, 14) erstreckenden, ebenfalls im Druckraum (5) angeordneten Grundplatte (17) axial geführt ist, DOLLAR A - das SMA-Element (15) ist mit seinen Enden an der Grundplatte (17) und mit einem mittleren Abschnitt (38) am Stößel (13, 14) fixiert, wobei die sich vom Stößel weg erstreckenden Schenkel (57) des SMA-Elements (15) einen sich zur Grundplatte (17) öffnenden Winkel (beta) einschließen, DOLLAR A - zwischen den Ventilöffnungen (10) und dem SMA-Element (15) ist eine Abschirmwand (18) vorhanden, in der wenigstens eine von dem ersten Ende (24) des Stößels (13, 14) durchgriffene Öffnung (42) vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil, beispielsweise ein in der Pneumatik eingesetztes 2/2- oder 3/3-Wege-Ventil, welches ein einen Druckraum umschließendes Ventilgehäuse aufweist, wobei in den Druckraum wenigstens zwei Ventilöffnungen münden. Die Betätigung eines solchen Ventils kann mit Hilfe einer Formgedächtnislegierung erfolgen. Es handelt sich dabei um Legierungen, die abhängig von ihrer Temperatur in zwei unterschiedlichen Gefügezuständen vorkommen. Bei Raumtemperatur liegt ein martensitisches Gefüge vor, das sich bei kubisch flächenzentrierten Gitter einer bestimmten Grenztemperatur, etwa bei 80°C, in ein aus austenitisches Gefüge umwandelt. Ein Draht aus einer Formgedächtnislegierung verkürzt sich bei der Umwandlung in den austenitischen Zustand wobei er Arbeit leisten und etwa ein Ventilelement gegen die Wirkung eines Rückstellelements betätigen kann. Legierungen, die einen Formgedächtniseffekt aufweisen, sogenannte SMA (Shape Memory Alloys) sind vor allen Dingen Eisen-Basis-Legierungen, Kupfer-Basis-Legierungen und Nickel-Titan-Basis-Legierungen, wobei in dieser Reihenfolge die Größe des Formgedächtniseffekts zunimmt. Deswegen werden in Aktuatoren und Ventilen hauptsächlich NiTi-Legierungen eingesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein mit Hilfe eines SMA-Elements betätigtes Ventil so auszugestalten, dass die von einem SMA-Element erzeugte Betätigungskraft effektiv ausnutzbar ist, wobei gleichzeitig eine einfache Montage und eine exakte Steuerung der Ventilbetätigung ermöglicht sein soll.
Diese Aufgabe wird durch ein Ventil nach Anspruch 1 gelöst. Bei einem solchen Ventil sind in dem vom Ventilgehäuse umschlossenen Druckraum wenigstens ein eine Ventilöffnung steuernder, ein erstes und ein zweites Ende aufweisender, zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung axial beweglicher Stößel, wenigstens ein zur Betätigung des Stößels in Öffnungsrichtung dienendes draht- oder bandförmiges SMA-Element sowie ein zur Bewegung des Stößels in Schließrichtung dienendes Rückstellelement angeordnet. Der Stößel trägt an seinem ersten Ende ein eine Ventilöffnung verschließendes Dichtelement, wobei sein zweites Ende an einer sich quer zum Stößel erstreckenden, ebenfalls im Druckraum angeordneten Grundplatte axial geführt ist. Das SMA-Element ist mit seinen Enden an der Grundplatte und mit einem mittleren Abschnitt am Stößel fixiert, wobei die sich vom Stößel wegerstreckenden Schenkel des SMA-Elements einen sich zur Grundplatte öffnenden Winkel einschließen, wobei dieser Winkel prinzipiell beliebige Werte zwischen 0° und 180° einnehmen kann. Außerdem ist zwischen den Ventilöffnungen und dem SMA-Element eine Abschirmwand vorhanden, in der wenigstens eine von dem ersten Ende des Stößels durchgriffene Öffnung vorhanden ist.
Dadurch, dass der Stößel gemeinsam mit einem ihn betätigenden SMA-Element innerhalb des Ventil-Druckraums angeordnet ist, sind die Betätigungskräfte für den Stößel verringert. Wie eingangs erwähnt, münden die Ventilöffnungen des Ventils in den Druckraum, so dass sich dort je nach Aufgabenstellung gegenüber der Atmosphäre ein Über- oder Unterdruck ausbildet. Würde sich das SMA-Element außerhalb des Druckraums, also in einem Bereich des Ventils befinden, der unter Atmosphärendruck steht, müsste der Stößel über eine druckdichte Durchführung eine Gehäusewand durchsetzen, damit sein erstes, ein Dichtelement tragendes Ende im Druckraum mit einer Ventilöffnung zusammenwirken könnte. Eine solche druckdichte Durchführung des Stößel durch eine Gehäusewand erfordert erhöhte Betätigungskräfte für den Stößel, die sich einerseits aufgrund einer erhöhten Reibung und andererseits aufgrund eines Druckunterschieds zwischen Druckraum und Atmosphäre ergeben können. Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung sowohl des SMA-Elements als auch des Stößels innerhalb des Druckraums ist dieser Nachteil umgangen. Ein zur Betätigung des Stößels dienendes SMA-Element kann daher schwächer ausgelegt werden, was insbesondere auch einer feinfühligeren Ventilsteuerung zu Gute kommt.
Ein während des Betriebes des Ventils den Druckraum durchströmendes, ein SMA-Element ungehindert beaufschlagendes Medium stört durch Kühleffekte eine für eine vorgesehene Verkürzung des SMA-Elements erforderliche Erwärmung. Ein reproduzierbares Ansteuern einer Sollposition des Stößels wäre dann nicht mehr oder allenfalls mit einem hohen regelungstechnischen Aufwand möglich.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Ventils besteht darin, dass aufgrund der V-förmigen Anordnung des SMA-Elements eine Weguntersetzung erreichbar ist, was sich insbesondere günstig auf die erreichbaren Lastspielzahlen auswirkt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Abschirmwand im Wesentlichen die gesamte Querschnittsfläche des Druckraums überdeckt. Dadurch ist gewährleistet, dass ein Anströmen des SMA-Elements mit Sicherheit verhindert ist. Außerdem bietet eine derart ausgestaltete Abschirmwand auch einen mechanischen Schutz insbesondere bei der Montage des Ventils, wie weiter unten noch gezeigt wird. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Abschirmwand und die Grundplatte an einem mittleren Bereich miteinander verbunden sind. Wie oben erwähnt, ist ein Stößel an der Grundplatte geführt. Dies kann auf einfache Weise dadurch bewerkstelligt werden, dass in dieser eine Öffnung vorhanden ist, die vom zweiten Ende des Stößels durchgriffen ist. Eine solche Öffnung schwächt die Stabilität der Grundplatte. Die erwähnte Fixierung der Abschirmwand an der Grundplatte wirkt einer solchen Schwächung entgegen. Vorzugsweise ist die Abschirmwand nicht nur in einem mittleren Bereich, sondern auch im Bereich der Enden des SMA-Elements an der Grundplatte fixiert. Aus Abschirmwand und Grundplatte ist somit ein stabiles Bauteil geschaffen, das einen mechanischen Schutz für das SMA-Element bietet und außerdem gewährleistet, dass sich eine einmal eingestellte Vorspannung und die Geometrie des SMA-Elements nicht verändern.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Abschirmwand und eine die Ventilöffnungen aufweisende Wand des Ventilgehäuses jeweils aus zwei Teilabschnitten gebildet, die eine den Schenkeln der SMA-Elemente entsprechende Winkelstellung zueinander aufweisen. Dadurch ist gewährleistet, dass die Abschirmwand sich in einem stets gleichbleibend geringen Abstand zum SMA-Element befindet und dadurch ihre Schutzfunktion besonders gut entfalten kann. Außerdem ergibt sich aus den genannten Ausgestaltungen eine kompakte, material- und Bauraum einsparende Bauweise.
Die Führung des Stößels erfolgt, wie oben schon angedeutet, dadurch, dass dessen zweites Ende eine Öffnung in der Grundplatte durchgreift. Das zweite Ende des Stößels ist somit, wie das erste Ende auch, auf einfach zu bewerkstelligende Weise axial beweglich gelagert. Die Rückstellung des Stößels nach einer Betätigung durch das SMA-Element erfolgt vorzugsweise durch eine den Stößel umgreifende Schraubendruckfeder.
Eine die Fixierung des SMA-Elements am Stößel vereinfachende Ausgestaltung sieht vor, dass der Stößel zwei separate, miteinander verbindbare, etwa ineinander steckbare Längsabschnitte aufweist, welche den mittleren Abschnitt des SMA-Elements zwischen sich aufnehmen. Das SMA-Element kann somit bei der Montage zunächst über die Stirnseite des einen Längsabschnitts geführt und mit seinen Enden an der Grundplatte fixiert werden. Der Stößel wird dann komplettiert, indem der andere Längsabschnitt mit dem bereits vormontierten, das SMA-Element haltenden Längsabschnitt verbunden, etwa darauf aufgesteckt wird. Problematisch bei der Montage des SMA-Elements ist weiterhin, dass dieses mit einer exakt mit der Rückstellkraft des Rückstellelements abgestimmten Vorspannung an der Grundplatte fixiert werden muss. Eine solche Montage ist bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung dadurch gewährleistet, dass die Enden des SMA-Elements jeweils durch ein Crimpelement gehalten sind, welches an der Grundplatte fixiert ist. Durch diese Ausgestaltung ist, wie weiter unten noch näher erläutert wird, eine einfache Montage des SMA-Elements bei exakter Vorspannung möglich.
Als eine einfache Möglichkeit zur Steuerung des Stößels ist an der Grundplatte ein mit diesem zusammenwirkender Endschalter angeordnet. Ein solches Ventil weist dementsprechend eine Auf/Zu-Funktion auf und ist für einfach gelagerte Anwendungsfälle einsetzbar. Eine Steuerung von Zwischenpositionen, welche ein genaues Ermitteln der Drahtverkürzung bzw. der Position des Stößels erfordert, kann beispielsweise mit Potentiometer-Baugruppen oder Hallsensor-Baugruppen bewerkstelligt werden. Für derartige und auch sonstige Steueraufgaben vorgesehene elektrische und/oder elektronische Bauteile sind bei einer bevorzugten Ausgestaltung auf der Grundplatte selbst angeordnet, d.h. diese bildet einen mit den genannten Bauteilen bestückte Platine.
Im Hinblick auf die oben schon erwähnte effektive Kraftausnutzung ist es vorteilhaft, wenn die Schenkel des SMA-Elements einen Winkel von 130° bis 160° einschließen. Eine derartige Anordnung ergibt eine Wegüber- und eine Kraftuntersetzung. Es ist etwa eine Auslegung denkbar, bei welcher das SMA-Element eine Längenänderung von nur ca. 0,3% vollzieht, wobei eine theoretische Längenänderung von bis zu 6% möglicht wäre. Eine derart moderate Längenänderung wirkt sich positiv auf die erreichbaren Lastspielzahlen aus. Je größer nämlich die Längenänderung ist, desto geringer ist die Haltbarkeit eines SMA-Elements. Die V-förmige Ausrichtung der Schenkel des SMA-Elements ergibt eine Kraftuntersetzung. Bei einer beispielsweise für NiTi-Drähte maximal zulässigen Zugspannung von 70 N/mm² können aber ausreichende Kraftkomponenten in Axialrichtung des Stößels erreicht werden. Eine Optimierung der genannten Effekte kann dadurch erreicht werden, dass ein Winkel zwischen 135° und 155° insbesondere ein Winkel von etwa 145° eingehalten wird.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines 3/3-Wegeventils in einer ersten Ansicht,
2 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Ventils von 1 in einer zweiten Ansicht,
3 das Ventil von 1 in einem Vormontagezustand, in perspektivischer Darstellung,
4 eine perspektivische Ansicht des Ventils von 1 im Endmontagezustand,
5 eine perspektivische Darstellung eines mehrere Einzelventile aufnehmenden Gehäuses einer Ventilanordnung.
Das in 1 bis 4 gezeigte Ventil umfasst ein Ventilgehäuse 1, das sich aus einer eine Zugangsöffnung 2 aufweisenden Gehäuseschale 3 und einem die Zugangsöffnung 2 verschließenden Boden 4 zusammensetzt. Die Trennfuge zwischen dem Boden 4 und der Gehäuseschale 3 ist so gestaltet, dass sie druckdicht ist. Das Ventilgehäuse 1, das im Wesentlichen etwa quaderförmig ausgebildet ist, weißt auf seiner dem Boden 4 abgewandten Seite, die im Folgenden in Bezug auf die Anordnung gemäß 1 als Oberseite 6 bezeichnet wird, einen mit einem Luftspeicher (nicht gezeigt) verbindbaren Verbraucheranschluss 7 sowie zwei steuerbare Anschlüsse, nämlich einen Druckanschluss 8 und einen Atmosphärenanschluss 9 auf. Die Anschlüsse 8 und 9 münden mit Ventilöffnungen 10 in den Druckraum 5. In 2 ist nur eine dieser Ventilöffnungen 10 sichtbar, nämlich die dem Druckanschluss 8 zugeordnete, während die Ventilöffnung 10 des Atmosphärenanschlusses 9, weil verdeckt durch eine Seitenwand 12 des Ventilgehäuses 1, nicht sichtbar ist. Im Druckraum 5 sind zwei die genannten Ventilöffnungen 10 steuernde Stößel 13, 14 sowie zwei zu deren Betätigung dienende SMA-Elemente 15, eine als mit elektronischen und/oder elektrischen Bauteilen 16 bestückte Platine ausgebildete Grundplatte 17 sowie eine Abschirmwand 18 angeordnet. Die Grundplatte 17 und die Abschirmwand 18 sind im Querschnitt etwa recht eckig und sind so bemessen, dass sie passgenau in die Gehäuseschale 2 eingesetzt werden können. Die Grundplatte 17 und die Abschirmwand 18 weisen außerdem etwa die gleiche Länge auf. Die Abschirmwand 18 ist aus zwei Längsabschnitten 19a, b gebildet, welche miteinander einen zur Grundplatte hin geöffneten stumpfen Winkel α einschließen. Die Abschirmwand 18 ist an der Grundplatte 17 fixiert. Dazu stehen aus ihrer der Grundplatte zugewandten Seite Fixierstifte 20 vor, welche in Öffnungen (nicht dargestellt) in der Grundplatte einsteck- und fixierbar sind. Insgesamt 4 solcher Stifte 20a sind in einem mittleren Bereich der Abschirmwand 18 angeordnet, jeweils zwei Stifte 30b befinden sich an deren Enden.
Die Stößel 13, 14 setzten sich aus zwei Längsabschnitten 22, 23 zusammen. Die Längsabschnitte 22, welche die ersten Enden 24 der Stößel 13, 14 bilden, sind als Hülsen ausgestaltet, wobei in diese stirnseitig ein Dichtelement 25 eingesetzt ist. Ein den Längsabschnitten 22 zugewandter Bereich 27 der Längsabschnitte 23 ist so bemessen, dass die hülsenförmigen Längsabschnitte 22 darauf aufsteckbar sind. Im Bereich 27 ist eine stirnseitige Nut 29 vorhanden, die sich in Richtung der Längserstreckung der Stößel 13, 14 bzw. in Axialrichtung 28 sowie in Längsrichtung der Grundplatte 17 erstreckt. An dem Bereich 27 schließt sich ein radial erweiterter Bereich 30 und an diesen wiederum ein radial verengter Bereich 32 an. Aus der Stirnseite des Bereiches 32 steht zentral ein Führungszapfen 33 vor. Der Führungszapfen 33 durchgreift im Montagezustand eine Führungshülse 34, welche ihrerseits jeweils in eine Öffnung 35 in der Grundplatte 17 eingesetzt ist. Die Stößel 13, 14 sind von einer Schraubendruckfeder 36 umfasst, welche sich einerseits an einem radial vorstehenden Flansch der Führungshülsen 34 und andererseits an dem radial erweiterten Bereich 30 der Stößel 13, 14 abstützt.
Die Stößel 13, 14 sind von den weiter oben schon erwähnten SMA-Elementen 15 betätigt. Diese sind Drähte aus einer NiTi-Legierung und weisen einen Durchmesser von 0,1 mm und eine Querschnittsfläche von 0,008 mm² auf. Die SMA-Elemente 15 liegen mit einem mittleren Abschnitt 38 in der Nut 29 eines Stößels 13, 14 ein. An den Enden der SMA-Elemente 15 sind Crimpelemente 39 fixiert, welche ihrerseits mit Fixierzapfen 40 in Öffnungen (nicht dargestellt) der Grundplatte 17 eingesteckt und dort fixiert, insbesondere angelötet sind.
Zur Montage der SMA-Elemente 15 an der Grundplatte 17 werden zunächst an dieser die Crimpelemente fixiert. Die SMA-Elemente werden mit ihrem mittleren Abschnitt 38 in die Nuten 29 der Stößel 13, 14 eingelegt. Die SMA-Elemente 15 weisen zunächst noch eine größere Länge auf als dies dem Endzustand entspricht. Die Endabschnitte der SMA-Elemente 15 werden nun in die Crimpelemente eingelegt und die aus den Crimpelementen herausragenden Überstände der SMA-Elemente mit einer in ihrer Längsrichtung wirkenden Kraft beaufschlagt. Sobald die vorgegebene Vorspannung der SMA-Elemente 15 erreicht ist, werden die Crimpelemente seitlich zusammengepresst und der Draht darin fest geklemmt. Nach Ablängen der überstehenden Drahtenden wird schließlich die Abschirmwand 18, wie weiter oben schon beschrieben, an der Grundplatte 17 fixiert. Die die Dichtelemente 25 tragenden ersten Enden 24 der Stößel 13, 14 durchgreifen Öffnungen 42 in einem mittleren Abschnitt 43 der Abschirmwand 18.
Mit der Unterseite der Grundplatte 17 ist ein Drucksensor 45 mechanisch und elektrisch verbunden. Weiterhin ist im Bereich der Öffnungen 35 jeweils ein Endschalter 46 unterseits an der Grundplatte 17 angeordnet, welcher von den die zweiten Enden 31 der Stößel 13, 14 bildenden Führungszapfen 33 betätigbar ist. Die Endschalter 46 sind durch eine unterseits an die Grundplatte 17 angesetzte Abdeckplatte 47 geschützt. Der Boden 4 des Ventilgehäuses 1 weist eine den Drucksensor 45 aufnehmende Ausmuldung 48 auf. Oberseits an der Grundplatte 17 sind elektrische Kontaktstifte 49 fixiert, welche die Abschirmwand 18 durchsetzen. Die Kontaktstifte 49 durchsetzen ebenfalls die die Oberseite 6 der Gehäuseschale 3 bildende Wand 50 und ragen in ein an diese angesetztes Steckergehäuse 52 hinein. Wie insbesondere 3 zu entnehmen ist, bildet die Abschirmwand 18 mit der Grundplatte 17 und den daran fixierten Einbauten ein praktisch vollständig funktionsfähiges Bauteil bzw. Modul 53, das in Ventilgehäuse unterschiedlicher Ausgestaltung und in unterschiedlicher Anzahl einsetzbar ist. Ausgehend von dem in 3 gezeigten Vormontagezustand wird das Modul 53 in die Gehäuseschale 3 eingesetzt und diese anschließend mit dem Boden 4 verschlossen. Die Wand 50 der Gehäuseschale 3 weist zwei Wandbereiche 54 auf, die einen dem Winkel α entsprechenden Winkel einschließen. Die Wandbereiche 54 schließen einen etwa parallel zur Grundplatte 17 verlaufenden Mittelabschnitt 55 zwischen sich ein, der im Montagezustand an dem mittleren Abschnitt 43 der Abschirmwand 18 anliegt. Die Dichtelemente 25 werden dabei von den Schraubendruckfedern 36 gegen die Ventilöffnungen 10 bzw. gegen diese umgrenzende Ventilsitze 56 (2) gedrückt.
Wie 1 und 2 deutlich zu entnehmen ist, schließen die sich von den Stößeln 13, 14 weg erstreckenden Schenkel 57 der SMA- Elemente einen sich zur Grundplatte 17 öffnenden Winkel β von etwa 145° ein, welcher etwa dem Winkel α der Abschirmwand 18 entspricht. Die winkelige bzw. V-förmige Anordnung der SMA-Elemente 15 bewirkt eine Wegübersetzung. So bewirkt beispielsweise eine Längenänderung eines SMA-Elements 15 von 0,1 mm eine Bewegung eines Stößels 13, 14 in Axialrichtung 28, um 0,4 mm. Hinsichtlich der von den SMA-Elementen ausgeübten Kraft bei deren Kontraktion ergibt sich aufgrund der winkeligen Anordnung eine Kraftuntersetzung. Eine in Längsrichtung der SMA-Elemente 15 wirkende Kraft von 1 N ergibt etwa eine Kraft in Axialrichtung von 0,6 N.
Bei dem in den Abbildungen 1 bis 4 gezeigten Ventilen handelt es sich um ein 3/3-Wegeventil, d.h. es besitzt drei Anschlüsse, im vorliegenden Fall also einen Druckanschluss 8, einen Verbraucheranschluss 7 und einen Atmosphärenanschluss 9. Soll ein an den Verbraucheranschluss 8 angeschlossener Verbraucher, etwa ein Luftkissen eines Fahrzeugsitzes befüllt werden, wird das dem Stößel 14 zugeordnete SMA-Element 15 bestromt, wodurch sich dieses verkürzt. Der Stößel 14 wird dadurch von der mit dem Verbraucheranschluss 8 kommunizierenden Ventilöffnung 10 abgehoben und eine Verbindung zwischen Druckluftquelle und Verbraucher hergestellt. Soll der Verbraucher entlüftet werden, wird das SMA-Element 15 des Stößels 14 deaktiviert, d.h. es befindet sich im stromlosen Zustand, wodurch der Stößel 14 durch die Schraubendruckfeder 36 in seine Ausgangslage zurückgestellt wird, in der das Dichtelement 25 den Druckanschluss 8 verschließt. Durch Bestromung des dem Stößel 13 zugeordneten SMA-Elements 15 wird dieses in seine Öffnungsstellung bewegt und eine Verbindung zwischen dem Atmosphärenanschluss und dem Verbraucheranschluss 7 hergestellt. Um die Geräuschentwicklung beim Entlüften möglichst gering zu halten, ist in den Verbraucheranschluss 9 ein Dämpfungselement 54 eingesetzt. Für vereinfachte Anwendungsfälle kann die Steuerung der Bestromung der SMA-Elemente 15 über die Endschalter 46 bewerkstelligt werden. Die Endschalter 46 werden von den zweiten Enden 31 der sich in ihrer Öffnungsstellung befindlichen Stößel 13, 14 betätigt und dadurch der Versorungsstromkreis für die SMA-Elemente 15 unterbrochen. Mit Hilfe der elektronischen Bauteile 16 ist jedoch auch eine digitale Steuerung von beliebigen Zwischenstellungen der Stößel 13, 14 realisierbar, so dass das Ventil nach Art eines Stromregelventils betrieben werden kann. Im gesamten Druckraum 5 herrscht der jeweils aktuelle Systemdruck vor. Mit dem an der Druckplatte 17 angeordneten Drucksensor 45 kann dieser detektiert werden und dadurch voreingestellte Befüllungsgrade im Sinne einer Memory-Funktion angesteuert werden. Durch den relativ großen Winkel β, den die Schenkel 57 der SMA-Elemente 15 einschließen, werden große Drahtbiegungen, welche die Lebensdauer der SMA-Elemente verringern würden, vermieden. Die NiTi-Drähte sind bei vorgegebenen zeitlichen Verhalten des Systems, die Schaltzeiten liegen bei ca. 200 ms (bei Raumtemperatur), optimal geeignet für kurze Linear-Verfahrwege von 0 bis 0,5 mm und für Kräfte, die sich im Bereich von 0 bis 1,5 N bewegen, geeignet. Die Wärmekapazität des NiTi-Drahtes ist bei einer Dicke von ca. 0,08 bis 0,1 mm extrem gering, so dass ein flinkes Verhalten des Gesamtsystems gewährleistet ist. Um eine Steuerung unabhängig von der Außentemperatur zu gewährleisten, sind entsprechende elektronische Bauteile auf der Grundplatte 17 vorgesehen, welche eine Temperaturkompensation des Heizstroms für die SMA-Elemente im Bereich von –40°C bis +80°C gewährleisten.
In 5 ist ein Ventilgehäuse 1a einer Ventilanordnung, genauer dessen Gehäuseschale 3a, gezeigt. Der von der Gehäuseschale 3a umgrenzte Druckraum ist durch Trennwände 59 in mehrere Teilräume 60 unterteilt, die jeweils ein Modul 53 aufnehmen. Bei der Gehäuseschale 3a der 5 sind Durchbrechungen 58 erkennbar, welche auch bei der Gehäuseschale 3 des Ventils von 1 bis 4 vorhanden sind. Die Durchbrechungen 58 sind im Montagezustand von den Kontaktstiften 49 durchgriffen. Am Ventilgehäuse 3a sind Anschlüsse 62 vorhanden, welche entsprechend der jeweiligen Funktion einer Ventilanordnung mit Druckluft beaufschlagbar oder mit einem Verbraucher oder der Atmosphäre verbindbar sind.

Claims

Ventil mit einem Ventilgehäuse (1), das einen Druckraum (5) umschließt und wenigstens zwei in den Druckraum (5) mündende Ventilöffnungen (10) aufweist, wobei im Druckraum (5) wenigstens ein eine Ventilöffnung (10) steuernder, ein erstes und ein zweites Ende (24, 31) aufweisender, zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung axial beweglicher Stößel (13, 14) und wenigstens ein zur Betätigung des Stößels in Öffnungsrichtung dienendes draht- oder bandförmiges SMA-Element (15) aus einer Formgedächtnislegierung sowie ein zur Bewegung des Stößels (13, 14) in Schließrichtung dienendes Rückstellelement angeordnet sind, mit folgender weiterer Ausgestaltung: – der Stößel (13, 14) trägt an seinem ersten Ende (24) ein eine Ventilöffnung (10) verschließendes Dichtelement (25), wobei sein zweites Ende (31) an einer sich quer zum Stößel (13, 14) erstreckenden, ebenfalls im Druckraum (5) angeordneten Grundplatte (17) axial geführt ist, – das SMA-Element (15) ist mit seinen Enden an der Grundplatte (17) und mit einem mittleren Abschnitt (38) am Stößel (13, 14) fixiert, wobei die sich vom Stößel weg erstreckenden Schenkel (57) des SMA-Elements (15) einen sich zur Grundplatte (17) öffnenden Winkel (β) einschließen, – zwischen den Ventilöffnungen (10) und dem SMA-Element (15) ist eine Abschirmwand (18) vorhanden, in der wenigstens eine von dem ersten Ende (24) des Stößels (13, 14) durchgriffene Öffnung (42) vorhanden ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmwand (18) im Wesentlichen die gesamte Querschnittsfläche des Druckraums (5) überdeckt.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmwand (18) und die Grundplatte (17) an ihren mittleren Bereichen miteinander verbunden sind.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmwand (18) im Bereich der Enden des SMA-Elements (15) an der Grundplatte (17) fixiert ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmwand (18) und eine die Ventilöffnungen (10) aufweisende Wand (50) des Ventilgehäuses (1) jeweils aus zwei Wandbereichen (19a, 19b, 54) gebildet sind, die eine den Schenkeln (57) der SMA-Elemente (15) entsprechende Winkelstellung zueinander aufweisen.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Grundplatte (17) wenigstens eine Öffnung (35) aufweist, die von dem zweiten Ende (31) eines Stößels (13, 14) durchgriffen ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellelement eine den Stößel umgreifende Schraubendruckfeder (36) ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stößel (13, 14) zwei separate, miteinander verbindbare Längsabschnitte (22, 23) aufweist, welche den mittleren Abschnitt (38) des SMA-Elements (15) zwischen sich aufnehmen.
Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der vom SMA-Element (15) in Öffnungsrichtung beaufschlagte Längsabschnitt (23) eine stirnseitige Nut (29) zur Aufnahme des SMA-Elements (15) aufweist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des SMA-Elements jeweils durch ein Crimpelement (39) gehalten sind, welches an der Grundplatte (17) fixiert ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Grundplatte (17) ein mit einem Stößel (13, 14) zusammenwirkender Endschalter (46) angeordnet ist.
Ventil nach Anspruch 11 in Verbindung mit Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Endschalter (46) auf der dem SMA-Element (15) abgewandten Seite der Grundplatte (17) angeordnet ist und von dem die Öffnung (35) der Grundplatte (17) durchgreifenden zweiten Ende (31) des Stößels (13, 14) betätigt ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (17) eine mit elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen (16) bestückte Platine ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel des SMA-Elements (15) einen Winkel von 130° bis 160° einschließen.
Ventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel einen Winkel von 135° bis 155° einschließen.
Ventil nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen Winkel von 145°.
Ventilanordnung, die aus mehreren, jeweils nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestalteten Ventilen gebildet ist.