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Die Erfindung betrifft ein Schieberventil, mit dem Fluidströme gesteuert oder geschaltet werden können.
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Schieberventile sind im Stand der Technik in vielen Bauformen bekannt. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass zur Betätigung des Ventilschiebers kleinere Kräfte nötig sind als bei sogenannten Sitzventilen, bei denen ein Ventilelement mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Die geringeren Kräfte bei einem Schieberventil resultieren grundsätzlich daher, dass der Schieber senkrecht zur Strömungsrichtung des gesteuerten Fluids verstellt wird und daher der Druck des gesteuerten Fluids sehr viel geringere Auswirkung auf die nötige Verstellkraft hat, wenn man die Reibung unberücksichtigt lässt.
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Ein Problem von herkömmlichen Schieberventilen besteht darin, dass der verwendete Ventilantrieb meist auch im stationären Zustand Energie aufnimmt. Beispielsweise muss die Spule eines elektromagnetischen Ventilantriebs während des Betriebs des Schieberventils durchgehend erregt werden, um den Schieber in der gewünschten Stellung zu halten.
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Ein weiteres Problem, das sich bei Schieberventilen stellt, ist der nötige Bauraum. Es ist insbesondere bei einem elektromagnetischen Antrieb kaum möglich, diesen merklich kompakter auszuführen.
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In jüngster Zeit sind auch Versuche gemacht worden, piezoelektrische Ventilantriebe zu verwenden. Solche Antriebe sind allerdings recht komplex (beispielsweise aufgrund einer nötigen Hubübersetzung), wenn sie einen ausreichend großen Stellweg erzeugen können, wie er für ein Schieberventil nötig ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Schieberventil zu schaffen, mit dem ein Fluid oder mehrere Fluide mit möglichst kleinem Druckverlust bei minimalem Energieaufwand mit direkter elektrischer Betätigung gesteuert werden können. Weiterhin soll der Schieber proportional verstellt werden können, ohne dass der Ventilantrieb im stationären Zustand Energie aufnimmt.
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Erfindungsgemäß ist zur Lösung dieser Aufgabe ein Schieberventil vorgesehen mit einer Buchse, in der Fluidöffnungen vorgesehen sind, die sich durch die Wandung der Buchse hindurch erstrecken, einem Schieber, der in der Buchse verstellbar angeordnet ist und mit mindestens einem Fluidkanal versehen ist, und einem elektroaktiven Polymeraktor, der den Schieber in der Buchse verstellen kann. Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, für den Ventilantrieb die Eigenschaften verschiedener Polymere zu nutzen, sich zu verformen, wenn eine elektrische Spannung an sie angelegt wird. Die Verformung wird zum Verstellen des Schiebers verwendet, sodass dann das Fluid direkt geschaltet werden kann. Dadurch kann entweder ein Fluid geschaltet werden, beispielsweise bei einem 2/2-Wege-Ventil oder einem 3/3-Wege-Ventil, oder es können auch mehrere Fluide geschaltet werden, beispielsweise bei einem 5/3-Wege-Ventil. Die zum Verstellen des Schiebers nötige Energie ist sehr gering, da ein Polymeraktor sehr effizient ist. Außerdem muss (wenn Leckströme unberücksichtigt bleiben) keine Energie zugeführt werden, wenn sich der Polymeraktor in einem stationären Zustand befindet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit einem Polymeraktor ein Proportionalventil realisiert werden kann. Schließlich ist auch vorteilhaft, dass der Polymeraktor keine ferromagnetischen Materialien enthält, sodass das von ihm angetriebene Schieberventil auch bei magnetischen Hochfeldanwendungen eingesetzt werden kann, beispielsweise in einem MRT.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Polymeraktor innerhalb der Buchse auf einer axialen Seite des Schiebers angeordnet ist. Dadurch wird eine kompakte Bauweise erhalten, bei der der Polymeraktor unmittelbar auf den Schieber einwirken kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass dem Polymeraktor eine Feder zugeordnet ist, die in axialer Richtung des Schiebers wirkt. Abhängig von der Bauform des Polymeraktors ist die Feder wichtig für die korrekte Funktion, da dieser u.U. vorgespannt sein muss. Die Feder kann auch in den Polymeraktor integriert sein.
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Alternativ zu einer Feder kann auch ein Luftpolster verwendet werden, das die gewünschten Rückstellkräfte bereitstellt.
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Auf der dem Polymeraktor gegenüberliegenden Seite des Schiebers kann eine zweite Feder angeordnet sein. Diese wirkt geeignet mit der ersten Feder zusammen, sodass eine gewünschte Ventilkennlinie eingestellt werden kann. Grundsätzlich ist allerdings eine einzige Feder ausreichend.
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In Abhängigkeit von der gewünschten Kennlinie des Schieberventils kann die Feder (oder können die Federn zusammen) eine lineare Kennlinie haben. Alternativ ist auch eine nichtlineare Kennlinie möglich. Insgesamt kann die Kennlinie des Ventils durch geeignete Auswahl der verwendeten Feder(n) und auch des Polymeraktors in der gewünschten Weise eingestellt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der dem Polymeraktor gegenüberliegenden Seite des Schiebers ein zweiter Polymeraktor angeordnet ist. Ein zweiter Polymeraktor, der dem ersten Polymeraktor entgegenwirkt, ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine besonders hohe Arbeitsfrequenz des Schieberventils gewünscht wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Polymeraktor ein Stapelaktor sein. Bei diesem lässt sich durch geeignete Schichtung der einzelnen Aktorelemente das gewünschte Verhältnis von Hub zu Stellkraft erhalten.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Polymeraktor ein Membranaktor ist. Dieser zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Polymeraktor über eine elektrisch leitende Klebeverbindung kontaktiert ist. Auf diese Weise können über Gehäuseöffnungen unmittelbar Elektroden auf der Rückseite des Polymeraktors kontaktiert werden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der Polymeraktor über Kontaktstifte kontaktiert ist. Diese können beispielsweise im Gehäuseboden vorgesehen sein, wobei die Elektroden des Polymeraktors bei der Montage gegen die Kontaktstifte gepresst werden, sodass die Kontaktierung erfolgt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Polymeraktor durch mehrere Kontaktringe zentriert und kontaktiert ist. Die Kontaktringe erfüllen eine Doppelfunktion, nämlich sowohl die elektrische Kontaktierung der verschiedenen Schichten des Polymeraktors, wenn dieser ein aus mehreren Aktormembranen gebildeter Stapelaktor ist, sowie eine mechanische Zentrierung innerhalb der Buchse.
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Es kann auch eine Führung vorgesehen sein, die einen vorbestimmten Spalt zwischen dem Polymeraktor und der Buchse gewährleistet, sodass die Beweglichkeit des Aktors sichergestellt ist. Die Führung ist vorzugsweise elastisch nachgiebig.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schieber ein Zylinder. Dies ermöglicht, den Schieber mit vergleichsweise geringem Aufwand innerhalb der Buchse geeignet abgedichtet anzuordnen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Fluidkanal in einem Abschnitt, der einer der Fluidöffnungen zugeordnet ist, eine Breite in axialer Richtung hat, die geringer ist als die Breite, die der Fluidkanal in einem Abschnitt hat, der einer anderen Fluidöffnung zugeordnet ist. Mit seinem breiteren Abschnitt ist der Fluidkanal unabhängig von der Stellung des Schiebers jederzeit mit der Fluidöffnung verbunden, die dem breiten Abschnitt zugeordnet ist, während die Verbindung zwischen dem schmäleren Abschnitt und der diesem zugeordneten Fluidöffnung von der Stellung des Schiebers abhängt.
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Vorzugsweise ist eine Verdrehsicherung vorgesehen, die gewährleistet, dass sich der Schieber in der Buchse um maximal einen vorgegebenen Winkel verdrehen kann. Die Verdrehsicherung ist bei einem asymmetrisch ausgeführten Schieber wichtig, um zu gewährleisten, dass die Zuordnung der verschiedenen Abschnitte der Fluidöffnung des Schiebers zu den entsprechenden Fluidöffnungen der Buchse aufrechterhalten bleibt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Verdrehsicherung über eine drehfeste Verbindung zwischen Schieber und Polymeraktor erzielt ist. Bei dieser Ausgestaltung ist keine separate Verdrehsicherung notwendig, sondern der Schieber wird geeignet an den Polymeraktor angebunden, der seinerseits aufgrund der nötigen Kontaktierung drehfest in der Buchse aufgenommen ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schieber einen Steuerabschnitt aufweist, der mit einem Fluidkanal versehen ist und dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Buchse im wesentlichen entspricht, und einen Aktorfortsatz, der gegenüber dem Steuerabschnitt einen deutlich verringerten Durchmesser aufweist. Mit dieser Ausführungsform kann zum einen Material am Schieber gespart werden, was sich in einem geringen Gewicht und folglich einer kurzen Ansprechzeit auswirkt. Weiterhin kann auf diese Weise um den Aktorfortsatz herum ein ausreichend hohes freies Volumen geschaffen werden, sodass der Raum, in welchem sich der Polymeraktor befindet, nicht notwendigerweise mit einer eigenen Entlüftung versehen sein muss, die es dem Verstellen des Schiebers verdrängten Volumen ermöglicht, aus dem Raum innerhalb der Buchse zu entweichen, in welcher der Polymeraktor angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass am Aktorfortsatz eine Abstützscheibe angebracht ist. Diese ermöglicht es insbesondere einem Stapelaktor, sich großflächig am Schieber abzustützen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schieber auf der vom Aktorfortsatz abgewandten Seite mit einem Federfortsatz versehen ist, der gegenüber dem Steuerabschnitt einen deutlich verringerten Durchmesser aufweist. Der Federfortsatz kann dazu verwendet werden, eine Feder aufzunehmen, die auf der vom Polymeraktor abgewandten Seite des Schiebers angeordnet ist. Weiterhin führt der Federfortsatz hinsichtlich Gewicht und Entfall der Entlüftung zu denselben Vorteilen, wie sie oben für den Aktorfortsatz erläutert wurden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Buchse auf ihrer Umfangsfläche mit mindestens einer Aufnahme für einen O-Ring versehen ist. Der O-Ring ermöglicht mit geringem Aufwand, die Buchse innerhalb eines Gehäuses geeignet abzudichten, in welchen sie aufgenommen wird. Insbesondere werden mehrere O-Ringe geeignet so angeordnet, dass zwischen den verschiedenen Fluidöffnungen der Buchse abgedichtet ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fluidöffnungen Schlitze sind, die sich in Umfangsrichtung erstrecken. Auf die Weise kann ein vergleichsweise großer Strömungsquerschnitt erhalten werden, der mit dem Schieber geschaltet wird.
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Vorzugsweise sind sämtliche Bauteile des Schieberventils nicht ferromagnetisch. Damit ist es möglich, das Schieberventil bei magnetischen Hochfeldanwendungen einzusetzen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Buchse einen einstückig mit der Umfangswand ausgeführten Boden auf. Dadurch ist eine Art Topf gebildet, in dem beispielsweise zuerst der Polymeraktor, dann der Schieber und anschließend eine Feder oder auch ein zweiter Polymeraktor montiert werden können.
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Vorzugsweise ist die Buchse mit einer Stirnwand verschlossen. Die Stirnwand dient gleichzeitig als Abstützung für die Feder, die dem Polymeraktor gegenüberliegt, oder für den dort angeordneten zweiten Polymeraktor. Ferner sorgt die Stirnwand dafür, dass die Buchse dicht abgeschlossen ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Buchse in ein Gehäuse eingesetzt ist, das mit Fluidanschlüssen versehen ist. Dies ermöglicht es, die Buchse zusammen mit dem Polymeraktor und dem Schieber als Ventilpatrone vorzumontieren, die dann je nach Anwendung in ein geeignetes Gehäuse eingesetzt werden kann. Bei einer solchen Ventilpatrone ist die Stirnwand vorzugsweise fest mit der Buchse verbunden, beispielsweise verschraubt, so dass eine in sich abgeschlossene, standardisierte Schieberventil-Baugruppe gebildet ist, die in verschiedene Gehäuse eingesetzt werden kann.
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Vorzugsweise weist das Gehäuse einen Deckel auf, mit dem die Buchse innerhalb des Gehäuses verspannt ist. Diese Ausgestaltung zeichnet sich durch einen geringen Montageaufwand aus. Ferner kann, falls nötig, die Buchse zusammen mit dem Polymeraktor und dem Schieber mit geringem Aufwand ausgetauscht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Polymeraktor ein Dielektrischer-Elastomer-Aktor (DEA) ist. Solche Aktoren zeichnen sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und eine präzise Zuordnung des Verstellwegs zur angelegten Spannung aus. Weitere Vorteile sind ein großer möglicher Hub, eine hohe Energiedichte, eine geringe Leistungsaufnahme, ein einfacher Aufbau und geringe Kosten.
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Beim Schieberventil kann es sich beispielsweise um ein 3/3-Wege-Ventil oder um ein 5/3-Wege-Ventil handeln. Grundsätzlich sind auch alle anderen Ventiltypen möglich, die auch bisher mit einem Schieberventil realisiert werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
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die 1a, 1b und 1c schematisch ein erfindungsgemäßes Schieberventil in einer Mittelstellung, einer ersten Schaltstellung und einer zweiten Schaltstellung;
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2 in einer perspektivischen Ansicht den beim Schieberventil von 1 verwendeten Schieber;
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3 in einer perspektivischen Ansicht die beim Schieberventil von 1 verwendete Buchse;
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die 4a, 4b und 4c ein erfindungsgemäßes Schieberventil mit einem Polymeraktor gemäß einer ersten Ausführungsform in einer Mittelstellung, einer ersten Schaltstellung und einer zweiten Schaltstellung;
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5 das Schieberventil von 4 in einer perspektivischen, längsgeschnittenen Ansicht;
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die 6a, 6b und 6c den beim Schieberventil von 4 verwendeten Polymeraktor in einer perspektivischen Draufsicht, einer perspektivischen Unteransicht sowie einer perspektivischen Seitenansicht;
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7 ein erfindungsgemäßes Schieberventil in einer Ausführungsvariante;
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die 8a, 8b und 8c ein erfindungsgemäßes Schieberventil mit einem Polymeraktor gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Mittelstellung, einer ersten Schaltstellung und einer zweiten Schaltstellung; und
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die 9a, 9b und 9c in einer perspektivischen Ansicht den Polymeraktor des Schieberventils von 8 in einer Mittelstellung, einer ersten Schaltstellung und einer zweiten Schaltstellung.
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Anhand der 1 bis 3 wird nachfolgend der grundsätzliche Aufbau eines erfindungsgemäßen Schieberventils beschrieben. Es handelt sich hier um ein 3/3-Wege-Ventil. Durch geringfügige Modifikationen des Ventils sind jedoch auch andere Typen realisierbar.
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Das Schieberventil 5 weist als wesentliche Bestandteile ein Gehäuse 10, eine Buchse 30, einen Schieber 50 und einen Polymeraktor 70 auf. Allgemein ausgedrückt dient der Schieber 50 dazu, eine Fluidverbindung zwischen verschiedenen Fluidöffnungen in der Buchse 30 in Abhängigkeit von seiner Stellung zu unterbrechen oder mit mehr oder weniger großem Strömungsquerschnitt herzustellen. Der Schieber 50 wird dabei vom Polymeraktor 70 verstellt.
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Das Gehäuse 10 ist zylindrisch ausgeführt mit einer Umfangswand 12 und einem Boden 14. In der Umfangswand 12 sind hier drei Fluidanschlüsse vorgesehen, durch die Fluid in das Innere des Gehäuses 10 geleitet werden kann. Diese Anschlüsse werden, um sie besser unterscheiden zu können, als erster Fluidanschluss 16, zweiter Fluidanschluss 17 und dritter Fluidanschluss 18 bezeichnet.
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An der vom Boden 14 abgewandten Seite ist das Gehäuse 10 mit einem Flansch 20 versehen, an dem ein Gehäusedeckel 22 mittels mehrerer Befestigungsschrauben 24 angebracht ist.
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Innerhalb des Gehäuses 10 ist die Buchse 30 angeordnet, die eine zylindrische Buchsenumfangswand 32 und an einem axialen Ende einen Buchsenboden 34 aufweist. In der Buchsenumfangswand 32 sind drei Fluidöffnungen 36, 37, 38 vorgesehen, die hier als Schlitze ausgeführt sind, die sich in Umfangsrichtung über einen Winkelbereich erstrecken, der deutlich größer ist als derjenige einer einfachen Bohrung.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Fluidöffnungen 36, 37, 38 über einen Winkelbereich in der Größenordnung von 90°. Somit ist die Länge jeder Fluidöffnung 36, 37, 38, gemessen in Umfangsrichtung, ein Vielfaches ihrer in axialer Richtung gemessenen Breite.
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Die Buchse 30 ist auf ihrer Außenseite mit mehreren Aufnahmen 40 versehen, in denen jeweils ein O-Ring 42 angeordnet ist. Die Aufnahmen 40 sind dabei so positioniert, dass sie zwischen sich jeweils einen Raum abgrenzen, der genau einer der Fluidöffnungen 36, 37, 38 zugeordnet ist.
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Wie insbesondere in 3 zu sehen ist, befindet sich die Fluidöffnung 37 zwischen der linken Aufnahme 40 und der linken der beiden mittleren Aufnahmen 40, während die Fluidöffnung 36 zwischen den beiden mittleren Aufnahmen 40 angeordnet ist. Die Fluidöffnung 38 ist schließlich zwischen der rechten der beiden mittleren Aufnahmen 40 und der rechten Aufnahme 40 angeordnet.
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Wenn die Buchse 30 in das Gehäuse 10 eingesetzt ist, befinden sich die O-Ringe 42 relativ zu den Fluidanschlüssen 16, 17, 18 in axialer Richtung an einer solchen Position, dass jeder der Fluidanschlüsse 16, 17, 18 abgedichtet mit genau einer der Fluidöffnungen 36, 37, 38 verbunden ist.
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Der Fluidanschluss 16 befindet sich mittig zwischen den O-Ringen 42 der beiden mittleren Aufnahmen 40, sodass er dicht mit der ersten Fluidöffnung 36 verbunden ist. Der zweite Fluidanschluss 17 befindet sich zwischen dem O-Ring 42 der linken Aufnahme und dem O-Ring 42 der linken der beiden mittleren Aufnahmen 40 und damit in einer dichten Fluidverbindung mit der zweiten Fluidöffnung 37. Der dritte Fluidanschluss 18 befindet sich entsprechend in einer dichten Verbindung mit der dritten Fluidöffnung 38. Somit wird Fluid, das über einen der Fluidanschlüsse 16, 17, 18 zugeführt bzw. darüber abgeführt wird, genau der diesem Anschluss zugeordneten Fluidöffnung 36, 37, 38 der Buchse zugeführt bzw. über diese abgeführt.
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Der Schieber 50 ist zylindrisch ausgeführt und weist einen Steuerabschnitt 52 auf, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Buchse 30 entspricht. „Angepasst“ bedeutet dabei, dass der Schieber 50 in axialer Richtung zwar innerhalb der Buchse 30 verschiebbar ist, der Steuerabschnitt 52 jedoch fluiddicht in der Buchse 30 aufgenommen ist.
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An den beiden voneinander abgewandten Stirnseiten des Steuerabschnitts 52 sind zwei Fortsätze angeordnet, deren Durchmesser jeweils wesentlich kleiner als der Durchmesser des Steuerabschnitts 52 ist. Auf der einen Seite ist ein Aktorfortsatz 54 vorgesehen, und auf der entgegengesetzten Seite ist ein Federfortsatz 56 angeordnet. Wie in den Figuren zu sehen ist, beträgt der Durchmesser dieser beiden Fortsätze in etwa ein Drittel des Durchmessers des Steuerabschnitts 52.
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Der Steuerabschnitt 52 des Schiebers 50 ist mit einem Fluidkanal 58 versehen, dessen Funktion darin besteht, die Fluidöffnung 36 mit einer der Fluidöffnungen 37, 38 zu verbinden.
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Der Fluidkanal 58 im Schieber 50 weist hier zwei Abschnitte auf, die in axialer Richtung betrachtet unterschiedlich breit sind, nämlich einen ersten Abschnitt 60, welcher der ersten Fluidöffnung 36, zugeordnet ist, und einen zweiten Abschnitt 62, der in Abhängigkeit von der Stellung des Schiebers 50 der zweiten und der dritten Fluidöffnung 37, 38 zugeordnet ist.
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Die in axialer Richtung gemessene Breite des ersten Abschnitts 60 des Fluidkanals 58 ist so, dass die erste Fluidöffnung 36 immer innerhalb des ersten Abschnitts 60 liegt. Die Breite des zweiten Abschnitts 62 ist dagegen kleiner als der Abstand zwischen der zweiten und der dritten Fluidöffnung 37, 38. Somit sind in Abhängigkeit von der Stellung des Schiebers 50 drei Zustände möglich: der zweite Abschnitt 62 kann zwischen den beiden Fluidöffnungen 37, 38 liegen und mit keiner von diesen in Fluidverbindung stehen; der zweite Abschnitt 62 kann mehr oder weniger weit mit der zweiten Fluidöffnung 37 überlappen; und er kann mehr oder weniger weit mit der dritten Fluidöffnung 38 überlappen.
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Der erste Abschnitt 60 und der zweite Abschnitt 62 des Fluidkanals 58 stehen miteinander in Verbindung. Hierfür kann entweder eine mittige Bohrung vorgesehen sein, oder die beiden Abschnitte 60, 62 erstrecken sich auf der in 2 nicht sichtbaren Rückseite des Schiebers 50 so weit in Umfangsrichtung, dass sie ineinander übergehen.
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Auf der Seite des Federfortsatzes 56 ist der Steuerabschnitt 52 mit einer Schulter 64 versehen. Der Zweck der Schulter besteht darin, die axiale Breite der Wand des Schiebers zu verringern; dies führt zu einem geringeren Gewicht und einem schnelleren Ansprechen des Ventils.
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Beim Polymeraktor
70 handelt es sich um einen Dielektrischen-Polymer-Aktor, wie er aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausführungsformen bekannt ist. Beispiele finden sich in der
WO 2008/083325 A1 . Grundsätzlich kann jedoch jeder Polymer-Aktor eingesetzt werden, der es ermöglicht, den Schieber
50 mit dem gewünschten Hub und der gewünschten Schaltgeschwindigkeit innerhalb der Buches
30 zu verstellen.
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Der Polymeraktor 70 ist zwischen dem Boden 34 der Buchse 30 und dem Aktorfortsatz 54 des Schiebers 50 angeordnet (siehe die 1a bis 1c). Er ist in axialer Richtung sowohl mit dem Boden 34 als auch mit dem Aktorfortsatz 54 fest verbunden.
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Die Funktion des Polymeraktors 70 besteht darin, den Schieber 50 in axialer Richtung innerhalb der Buchse 30 zu verstellen. Bei der hier als Ausführungsbeispiel gezeigten Variante eines 3/3-Wege-Ventils kann der Polymeraktor 70 den Schieber 50 zwischen einer in 1a gezeigten Mittelstellung, einer ersten maximal geschalteten Stellung (siehe 1b) und einer zweiten maximal geschalteten Stellung (siehe 1c) verstellen.
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Um zu gewährleisten, dass der erste Abschnitt 60 des Fluidkanals 58 immer der ersten Fluidöffnung 36 zugeordnet ist und der zweite Abschnitt 62, in Umfangsrichtung betrachtet, den beiden Fluidöffnungen 37, 38 zugeordnet ist, ist eine Verdrehsicherung vorhanden, die gewährleistet, dass der Schieber 50 sich nicht in Umfangsrichtung verdrehen kann. Die Verdrehsicherung ist hier dadurch realisiert, dass der Aktorfortsatz 54 des Schiebers 50 drehfest mit dem Polymeraktor 70 verbunden ist.
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In jeder Stellung des Schieberventils 5 liegt die erste Fluidöffnung 36 vollständig innerhalb des ersten Abschnitts 60 des Fluidkanals 58 des Schiebers 50.
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In der Mittelstellung des Schiebers 50 (siehe 1a) liegt der zweite Abschnitt 62 zwischen den beiden Fluidöffnungen 37, 38. Daher sind die Fluidöffnungen 37, 38 durch die beiderseits des ersten Abschnitts 62 des Fluidkanals 58 liegenden Bereiche des Steuerabschnitts 52 des Schiebers 50 verschlossen, sodass die beiden Fluidöffnungen 37, 38 direkt und die Fluidöffnung 36 indirekt gesperrt ist.
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In der ersten maximal geschalteten Stellung (siehe 1b) ist der Schieber 50 gegenüber der Mittelstellung und bezogen auf die Darstellung in den 1a bis 1c nach links verschoben, sodass die zweite Fluidöffnung 37 vollständig innerhalb des zweiten Abschnitts 62 des Fluidkanals 58 liegt. Da der zweite Abschnitt 62 des Fluidkanals 58 mit dem ersten Abschnitt 60 in Verbindung steht und dieser weiterhin mit der ersten Fluidöffnung 36 überlappt, ist in diesem Zustand der maximale Strömungsquerschnitt zwischen der ersten Fluidöffnung 36 und der zweiten Fluidöffnung 37 (und damit zwischen dem ersten Anschluss 16 und dem zweiten Anschluss 17) freigegeben.
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In der zweiten maximal geschalteten Stellung des Ventils ist der Schieber 50 gegenüber der Mittelstellung maximal nach rechts verschoben, sodass die dritte Fluidöffnung 38 vollständig innerhalb des zweiten Abschnitts 62 des Fluidkanals 58 liegt. Somit ist der maximale Strömungsquerschnitt zwischen der ersten Fluidöffnung 36 und der dritten Fluidöffnung 38 freigegeben.
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Der Polymeraktor 70 ist so ausgeführt, dass er den Schieber 50 stufenlos innerhalb der Buchse 30 verstellen kann. Somit können die Fluidöffnungen 37, 38 in Abhängigkeit von einem Steuersignal mehr oder weniger freigegeben werden. Dadurch ist es insbesondere möglich, dass das Schieberventil 5 als Proportionalventil arbeitet.
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Auf dem Federfortsatz 56 des Schiebers 50 ist eine Feder 66 angeordnet, die sich an einer Stirnwand 68 abstützt, die sich wiederum am Gehäusedeckel 22 abstützt. Die Feder 66 dient hier dazu, das Steuerverhalten des Schieberventils 5 in der gewünschten Weise einzustellen. Beispielsweise kann eine nichtlineare Kennlinie der Feder 66 einer ebenfalls nichtlinearen Kennlinie des Polymeraktors 70 überlagert werden, sodass letztendlich eine proportionale Kennlinie des Schieberventils 5 erhalten wird.
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Anstelle einer Funktion als Rückstellfeder kann die Feder 66 auch zur Vorspannung des Polymeraktors 70 verwendet werden. In diesem Fall ist sie als Zugfeder ausgeführt.
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Grundsätzlich funktioniert das Schieberventil 5 jedoch auch ohne die Feder 66. In diesem Fall wird der Schieber 50 auch ohne Federfortsatz 56 ausgeführt.
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Es kann auch vorgesehen sein, anstelle der Feder 66 einen zweiten Polymeraktor einzusetzen, der dem Polymeraktor 70 entgegenwirkt. Auf diese Weise kann eine kürzere Ansprechzeit des Schiebers erzielt werden.
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Anhand der 4 bis 6 wird nachfolgend eine erste Ausführungsform des Polymeraktors 70 beschrieben. Das Schieberventil 5 entspricht grundsätzlich der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform, und es werden für die von dieser Ausführungsform bekannten Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet. Sämtliche Erläuterungen zu diesen Bauteilen gelten auch für das Schieberventil gemäß den 4 bis 6.
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Der Polymeraktor 70 ist bei der Ausführungsform gemäß den 4 bis 6 ein Dielektrischer-Elastomer-Aktor, der hier als Membranaktor ausgeführt ist.
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Ein Dieelektrischer-Polymer-Aktor beruht allgemein darauf, dass auf zwei einander gegenüberliegende Seiten einer dielektrischen Polymerfolie jeweils eine großflächige Elektrode aufgebracht wird. Wenn an die Elektroden eine ausreichend starke elektrische Spannung angelegt wird, ziehen die Elektroden einander an, sodass die dazwischenliegende Folie zusammengedrückt wird. Da die verwendete dielektrische Folie nahezu inkompressibel ist, führt die Verringerung des Abstandes zwischen den Elektroden zu einer Formänderung. Bei einer Membran kann beispielsweise der Mittelabschnitt einer kreisförmigen Membran gegenüber dem Außenrand in axialer Richtung ausgelenkt werden, wenn an die Elektroden auf den beiden Seiten der Membran eine elektrische Spannung angelegt wird; die Verringerung der Dicke der dielektrischen Folie wird vereinfacht gesagt umgesetzt in eine größere axiale Länge der Membran.
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In den 6a bis 6c ist der als Membranaktor ausgeführte Dielektrische-Elastomer-Aktor 70 zu sehen. Er weist einen Außenring 72 auf, der zur stationären Anbringung innerhalb der Buchse 30 dient. Im Außenring 72 ist die auf beiden Seiten mit der Elektrode beschichtete Membran 74 aus einer dielektrischen Polymerfolie eingespannt. Im Mittelabschnitt ist ein Anbindungsteil 76 angeordnet, das mit dem Aktorfortsatz 54 des Schiebers 50 verbunden wird.
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Wie in den 6a und 6c zu sehen ist, ist dort auch eine Nase 78 ausgebildet, die zur drehfesten Verbindung mit dem Aktorfortsatz 54 dient und auf diese Weise die Verdrehsicherung für den Schieber 50 realisiert.
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Am Außenring 72 sind ferner auf voneinander entgegengesetzten Seiten jeweils ein Anschluss 80 vorgesehen, der in elektrischer Verbindung mit der auf der entsprechenden Seite der Membran 74 ausgebildeten Elektrode dient.
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Wie in den 4 und 5 zu sehen, ist der Außenring 72 im Innenraum der Buchse 30 montiert, und zwar in einem Abstand vom Boden 34. Das Anbindungsteil 76 ist fest am Aktorfortsatz 54 angebracht. Auf die Innenseite des Anbindungsteils 76 ist ein Federhalter 82 aufgesetzt, der eine Feder 84 aufnimmt, die sich am Boden 34 der Buchse abstützt. Der Federhalter 82 kann dabei auch als Abstandshalter dienen, der die maximal nach links verstellte Position des Schiebers 50 definiert.
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Zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden der Membran 74 sind zwei Kontaktstifte 86 vorgesehen, die sich durch den Boden 14 des Gehäuses 10 und durch den Boden 34 der Buchse 30 hindurch bis zu den Anschlüssen 80 im Außenring 72 erstrecken. Die Kontaktstifte 86 können in entsprechende Öffnungen im Gehäuse 10 und der Buchse 30 eingesetzt sein oder dort auch eingegossen werden, beispielsweise spritzgegossen. Es versteht sich von selbst, dass die Kontaktstifte 86 im Bereich der Durchführung durch die Böden 14, 34 voneinander isoliert sein müssen, sodass es nicht zu einem Kurzschluss kommt.
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In 4b ist das Ventil in einem Zustand gezeigt, in dem keinerlei elektrische Spannung an dem Polymeraktor 70 angelegt ist. Die Membran 74 hat dabei ihre „kürzeste“ Gestalt, und die Feder 84 ist maximal vorgespannt.
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Wenn über die Kontaktstifte 86 eine elektrische Spannung an die Elektroden auf der Membran 74 angelegt wird, wird die Polymerfolie der Membran 74 zusammengedrückt, wodurch sie sich unter der Wirkung der Feder 84 längt. Der Schieber 50 gelangt dadurch unter der Wirkung der Feder 84 ausgehend von der in 4b gezeigten Stellung in die in 4a gezeigte Stellung, wird also nach rechts verschoben.
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Wird gegenüber der in 4a gezeigten Stellung eine noch stärkere Spannung an die Kontaktstifte 86 angelegt, wird die Polymerfolie zwischen den Elektroden auf entgegengesetzten Seiten der Membran 74 noch weiter komprimiert, sodass der in axialer Richtung gemessene Abstand zwischen dem Außenring 72 des Polymeraktors 70 und dem Anbindungsteil 76 zunimmt und der Schieber 50 unter der Wirkung der Feder 84 in die in 4c gezeigte Position gelangt.
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Wird die elektrische Spannung entfernt, stellt sich die Membran wieder in den Ausgangszustand zurück. Dadurch wird die Feder 84 zusammengedrückt, und der Schieber 50 wird bezogen auf die 4 nach links verschoben.
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Bei der gezeigten Ausführungsform wird das Rückstellen des Schiebers von der Feder 66 unterstützt. Wird keine Feder verwendet, erfolgt die Rückstellung allein unter der elastischen Wirkung des Polymeraktors 70.
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Ein wesentliches Merkmal dieses Polymeraktors besteht darin, dass keinerlei Energiezufuhr notwendig ist, um ihn in einem bestimmten Zustand zu halten. Es muss lediglich die angelegte elektrische Spannung unverändert aufrechterhalten werden. Hierfür müssen lediglich eventuelle Leckströme kompensiert werden.
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In 7 ist eine Ausführungsvariante gezeigt, die sich von den vorhergehenden Ausführungsformen dadurch unterscheidet, dass das Schieberventil als Ventilpatrone oder „Cartridge“ ausgeführt ist, also in sich abgeschlossen. Dementsprechend ist die Stirnwand 68 fest mit der Buchse verbunden, ohne dass es hierzu des Gehäuses 10 bedarf. Die Stirnwand ist hier mit einem Ansatz 69 versehen, der in die Buchse 30 dicht eingeschraubt ist.
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Die so gebildete Ventilpatrone kann in verschiedenen Größen für unterschiedliche zu schaltende Fluidströme bereitgestellt werden und dann anwenderseitig in ein individuelles Gehäuse eingesetzt werden. Dies ist hier dadurch symbolisiert, dass das Gehäuse 10 kürzer ausgeführt ist als bei den vorhergehenden Ausführungsformen. Dementsprechend ist die rechte Aufnahme 40 mit dem rechten O-Ring 42 näher an der Mitte der Buches 30 angeordnet.
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In den 8 und 9 ist eine zweite Ausführungsform des Polymeraktors 70 gezeigt. Abgesehen von den Änderungen am Polymeraktor entspricht das Ventil demjenigen, wie es aus den 1 bis 6 bekannt ist. Dementsprechend werden die aus diesen Figuren bekannten Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen, und es wird auf die dortigen Erläuterungen verwiesen.
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Der Unterschied zum Polymeraktor der Ausführungsform gemäß den 4 bis 6 besteht darin, dass bei der Ausführungsform gemäß den 8 und 9 ein Stapelaktor verwendet wird. Ein Stapelaktor besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Schichten aus dielektrischer Polymerfolie, sodass wiederum ein Dielektrischer-Elastomer-Aktor gebildet ist. Die Elektroden auf den voneinander abgewandten Seiten jeder Schicht sind wechselseitig kontaktiert, sodass zwischen den Elektroden auf den voneinander abgewandten Seiten einer Schicht eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Unter der Wirkung dieser Spannung wird die jeweilige Schicht zusammengedrückt, wobei aufgrund der Inkompressibilität des verwendeten Polymermaterials etwas Material nach außen gedrückt wird. In der Summe verringert sich dabei durch das Zusammendrücken der einzelnen Schichten die axiale Höhe des Gesamtstapels.
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Der Stapelaktor 90 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Membranschichten 92, die aufeinandergestapelt sind und einzeln kontaktiert werden können. Zwischen den Schichten 92 sind jeweils Elektroden angeordnet, die wechselseitig über Kontaktelemente 94 kontaktiert werden. Das auf der Vorderseite der Darstellung in 9 sichtbare Kontaktelement 94 kontaktiert beispielsweise die Elektroden 1, 3, 5, 7, ..., während ein zweites, auf der Rückseite des Stapelaktors 90 angeordnetes Kontaktelement 94 die Elektroden 2, 4, 6, 8, ... kontaktiert.
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Die beiden Kontaktelemente 94 sind auf der dem Boden 34 der Buchse 30 zugewandten Seite bis auf die Unterseite des Stapels geführt, sodass sie dort von den Kontaktstiften 86 kontaktiert werden können. Hierfür kann eine elektrisch leitende Klebeverbindung verwendet werden. Auf der entgegengesetzten Seite ist eine Abstützscheibe 96 vorgesehen, die fest mit dem Aktorfortsatz 54 des Schiebers 50 verbunden ist.
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Um den Stapelaktor 90 herum ist ein Führungselement 98 vorgesehen, welches den Stapelaktor 90 in einem definierten Abstand von der Innenwand der Buchse 30 hält, sodass der Stapelaktor in axialer Richtung bewegbar ist. Das Führungselement 98 ist selbst elastisch verformbar.
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In 9b ist der Stapelaktor im Ausgangszustand gezeigt, also wenn keinerlei elektrische Spannung anliegt. Jede der Schichten 92 hat ihre Ausgangsdicke, sodass der Stapelaktor insgesamt seine maximale axiale Länge aufweist.
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Wenn eine elektrische Spannung an die Elektroden zwischen den Schichten 92 angelegt wird, werden die Schichten zusammengedrückt, sodass sich ihre Dicke verringert. Folglich verringert sich auch die axiale Höhe des Stapelaktors 90, wodurch der Schieber 50 gegenüber der in 9b gezeigten Ausgangsstellung (siehe Position des Schiebers in 8b) zunehmend nach links verstellt wird (siehe die 9b und 9c und entsprechend die Stellung des Schiebers 50 in den 8b und 8c).
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Soweit es langfristig aufgrund der auftretenden Relativbewegung zwischen dem Führungselement 98 und dem Stapelaktor 90 zu einem geringen Abrieb auf der Außenseite der Schichten 92 kommt, ist dies unkritisch, da der Abrieb lokal begrenzt ist, während die Kontaktierung der Elektroden großflächig erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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