DE102005060217B4 - Valve - Google Patents
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Abstract
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 (13,
14) 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...Valve with a valve housing (1) which encloses a pressure chamber (5) and at least two in the pressure chamber (5) opening valve openings (10), wherein in the pressure chamber (5) at least one valve opening (10) controlling, a first and a second end (24, 31) exhibiting, between a closed position and an open position axially movable plunger (13, 14) and at least one for actuating the plunger (13, 14) in the opening direction serving wire or ribbon-shaped SMA element (15) from a Shape memory alloy and a to the movement of the plunger (13, 14) serving in the closing direction return element are arranged, with the following further embodiment:
- The plunger (13, 14) carries at its first end (24) a valve opening (10) closing sealing element (25), wherein its second end (31) on a transverse to the plunger (13, 14) extending, also in Pressure chamber (5) arranged base plate (17) is guided axially,
- The SMA element (15) is with its ends on the base plate (17) and with a middle section ...
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. Beispielsweise aus
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.task The invention is an actuated by means of an SMA element valve to design so that the actuation force generated by an SMA element effectively exploitable is at the same time a simple installation and precise control of the valve actuation allows should be.
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.These Task is solved by a valve according to claim 1. at Such a valve are in the pressure chamber enclosed by the valve housing at least one a valve opening controlling, having a first and a second end, between a closed position and an open position axially movable plunger, at least one for operation of the plunger in the opening direction serving wire or ribbon SMA element as well a to move the plunger in closing direction serving return element arranged. The pestle carries on his first end a valve opening occlusive Sealing element, wherein its second end extending at a transverse to the plunger, also arranged in the pressure chamber base plate is guided axially. The SMA element is with its ends on the base plate and with a middle section fixed on the ram, the ones extending away from the plunger Legs of the SMA element one opening to the base plate Include angle, this angle in principle take any values between 0 ° and 180 ° can. Furthermore is between the valve openings and the SMA element has a shielding wall in which at least there is an opening through the first end of the plunger is.
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.Thereby, that the pestle is common with a press SMA element is disposed within the valve pressure chamber are reduces the actuating forces for the plunger. As mentioned at the beginning, flow the valve openings of the valve in the pressure chamber, so that there depending on the task across from the atmosphere an over- or forms negative pressure. Would the SMA element is outside the pressure chamber, ie in a region of the valve, the is under atmospheric pressure, should the pestle over one pressure tight execution one housing wall enforce, so its first, a sealing element bearing end in the pressure chamber with a valve opening could work together. Such a pressure-tight implementation through the plunger a housing wall requires increased actuation forces for the plunger, the on the one hand due to increased friction and on the other due result in a pressure difference between the pressure chamber and the atmosphere can. In an inventive arrangement both the SMA element and the plunger within the pressure chamber this disadvantage is bypassed. A serving for actuating the plunger SMA element can therefore be weaker be interpreted, which in particular a more sensitive Valve control benefits.
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.One while the operation of the valve through the pressure chamber, an SMA element unhindered disturbing medium by cooling effects one for a foreseen shortening of the SMA element required heating. A reproducible driving a target position of the plunger would be no more or at most with a high control technology Effort possible.
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.One Another advantage of the valve according to the invention is that due to the V-shaped arrangement of the SMA element a way reduction is achievable, which in particular low on affects the achievable load cycles.
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.In a preferred embodiment, it is provided that the shielding wall covers substantially the entire cross-sectional area of the pressure chamber. This ensures that the flow of the SMA element is prevented with certainty. In addition, such a shield wall also provides a mechanical protection, in particular during assembly of the valve, as will be shown below. A further advantageous embodiment provides that the shielding wall and the base plate at a central region with each other are connected. As mentioned above, a plunger is guided on the base plate. This can be accomplished in a simple manner in that there is an opening in this, which is penetrated by the second end of the plunger. Such an opening weakens the stability of the base plate. The mentioned fixation of the shielding wall on the base plate counteracts such weakening. Preferably, the shield is fixed not only in a central region, but also in the region of the ends of the SMA element to the base plate. Shielding wall and base plate are thus a stable component created that provides mechanical protection for the SMA element and also ensures that once a set bias and the geometry of the SMA element does not change.
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.at In another preferred embodiment, the shielding wall and one the valve openings having wall of the valve housing each formed of two sections, the one legs the SMA elements have corresponding angular position to each other. This ensures that that the shielding wall is always in a consistently low Distance to the SMA element and thus its protective function can develop particularly well. It also follows from the mentioned embodiments a compact, material and space saving Construction.
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.The guide the plunger takes place, as already indicated above, in that its second end has an opening in the base plate passes through. The second end of the pestle is thus, like the first end too, easy to do Way mounted axially movable. The provision of the plunger after an operation through the SMA element is preferably carried out by a plunger enclosing Helical compression spring.
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.A the fixation of the SMA element on the plunger simplistic design provides that the plunger two separate longitudinal sections which can be connected to each other and can be plugged into one another having the middle portion of the SMA element between to record oneself. The SMA element can thus initially during assembly over the Front side of a longitudinal section guided and be fixed with its ends to the base plate. The pestle will then completed by the other longitudinal section with the already pre-assembled, the SMA-element holding longitudinal section connected, about it is plugged. Problematic when mounting the SMA element is still that this with a precise with the restoring force of the return element tuned preload must be fixed to the base plate. Such an assembly is in a further preferred embodiment thereby ensuring that each end of the SMA element is held by a crimping element are, which is fixed to the base plate. By this configuration is, as further below explained a simple installation of the SMA element with exact preload possible.
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.When an easy way to control the plunger is on the base plate a cooperating with this limit switch arranged. Such a valve accordingly has an open / close function up and is for simply stored applications used. A control of intermediate positions, which is an exact Determine the wire shortening or the position of the plunger requires For example, with potentiometer assemblies or Hall sensor assemblies be accomplished. For Such and other control tasks provided electrical and / or electronic components are in a preferred embodiment arranged on the base plate itself, d. H. this forms one equipped with the components mentioned Circuit board.
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.In view of the above-mentioned effective power utilization, it is advantageous if the legs of the SMA element enclose an angle of 130 ° to 160 °. Such an arrangement results in a Wegüber- and a power reduction. It is about a design conceivable in which the SMA element undergoes a change in length of only about 0.3%, with a theoretical change in length of up to 6% would be possible. Such a moderate change in length has a positive effect on the achievable load cycle numbers. The larger the change in length, the lower the durability of an SMA element. The V-shaped alignment of the legs of the SMA element results in a force reduction. In a maximum allowable for NiTi wires tensile stress of 70 N / mm 2 but sufficient force components can be achieved in the axial direction of the plunger. An optimization of the mentioned effects can be achieved by maintaining an angle between 135 ° and 155 °, in particular an angle of approximately 145 °.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The The invention will now be described with reference to the accompanying drawings explained in more detail. Show it:
Das
in
Die
Stößel
Die
Stößel
Zur
Montage der SMA-Elemente
Mit
der Unterseite der Grundplatte
Wie
Bei
dem in den Abbildungen
In
Claims (17)
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