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Die Erfindung betrifft ein Membranventil, mit dem Fluidströme gesteuert oder geschaltet werden können.
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Membranventile sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Bauformen bekannt. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ein Ventilelement vorgesehen ist, das den Durchfluss eines Fluids durch das Ventil steuert, indem es einen zugeordneten Ventilsitz freigeben oder verschließen kann. Das Ventilelement eines Membranventils wird typischerweise über einen Aktor verstellt, um den Durchfluss über den Ventilsitz freizugeben oder zu verschließen. Im Stand der Technik werden üblicherweise elektromagnetische Aktoren verwendet, die eine Spule aufweisen. Membranventile zeichnen sich ferner gegenüber anderen Ventilarten dadurch aus, dass der Aktor nicht medienberührt ist, die Ventile weniger Totraumvolumen aufweisen und einfacher ausgespült werden können. Daher werden Membranventile insbesondere im Bereich der Analysetechnik verwendet.
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Als nachteilig hat sich bei den bekannten Membranventilen herausgestellt, dass der Aktor auch im stationären Zustand Energie aufnimmt, weshalb die Energieaufnahme der bekannten Membranventile generell hoch ist. Beispielsweise muss die Spule eines elektromagnetischen Aktors dauerhaft angeregt werden, damit der elektromagnetische Aktor in seiner Stellung verharrt. Zudem eignen sich derartige Membranventile aufgrund der üblicherweise ferromagnetischen Spulen nicht für Anwendungen im Bereich von starken Magnetfeldern.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Membranventil bereitzustellen, das einerseits eine geringe Energieaufnahme aufweist und zudem für Anwendungen bei starken Magnetfeldern ausgebildet ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Membranventil gelöst, mit einem Gehäuse, das wenigstens zwei Fluidöffnungen aufweist, wenigstens einem Ventilsitz, einem Ventilelement und zumindest einem Aktor, wobei der Aktor ein elektroaktiver Polymeraktor ist, der das Ventilelement verstellen kann, um den wenigstens einen Ventilsitz freizugeben und/oder zu verschließen.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist es, das Membranventil mit einem energieeffizienten Aktor auszubilden. Ein elektroaktiver Polymeraktor weist zwei flexible Elektroden auf, zwischen denen eine im Wesentlichen inkompressible Polymerschicht angeordnet ist, beispielsweise ein inkompressibles Elastomer. An die beiden flexiblen Elektroden kann eine Spannung angelegt werden, wodurch sich ein elektrisches Feld zwischen den beiden Elektroden aufbaut, sodass sie sich gegenseitig anziehen. Das dazwischen angeordnete inkompressible Polymer dehnt sich daraufhin senkrecht zur Feldrichtung des zwischen den beiden Elektronen ausgebildeten elektrischen Feldes aus. Dies liegt daran, dass das Volumen des Polymers aufgrund dessen Inkompressibilität konstant bleiben muss. Als Reaktion auf die Stauchung in die eine Richtung dehnt sich das Polymer daher in eine dazu senkrechte Richtung aus. Der Weg des Polymers zwischen seinem Ausgangszustand und seinem gestauchten Zustand wird zur Verstellung des Ventilelements verwendet, um das Membranventil entsprechend zu schalten. Dadurch kann je nach Ausführung des Membranventils entweder ein Fluid, beispielsweise bei einem 2/2-Wege-Ventil oder einem 3/2-Wegeventil, oder es können mehrere Fluide geschaltet werden, beispielsweise bei einem 3/3-Wege-Ventil oder einem 5/3-Wege-Ventil. Zum Verstellen des Membranventils wird nur eine sehr geringe Energie benötigt, da der elektroaktive Polymeraktor sehr effizient ist. Generell benötigt ein elektroaktiver Polymer im stationären Zustand abgesehen vom Ausgleich von Leckströmen keine Energie, da er analog zu einem Kondensator ausgebildet ist. Hierdurch ist ein besonders energiesparsames Membranventil geschaffen, das als energiesparsames Proportionalventil ausgebildet ist. Der elektroaktive Polymeraktor weist ferner keinerlei ferromagnetisches Material auf, weshalb sich das derart ausgebildete Membranventil grundsätzlich für die Anwendung bei starken Magnetfeldern eignet, beispielsweise bei einem MRT.
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Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Ventilelement flexibel ausgebildet ist, insbesondere eine Membran ist. Hierdurch kann das Ventilelement lediglich abschnittsweise verstellt werden, sodass generell ein einziges Ventilelement und mehrere Aktoren vorgesehen sein können. Ferner können so mehrere Schaltstellungen des Membranventils über ein einziges Ventilelement realisiert werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Ventil nur Bauteile aus nichtferromagnetischem Material aufweist. Hierdurch ist nicht nur der Aktor für magnetische Hochfeldanwendungen ausgebildet, sondern das gesamte Membranventil. Daher eignet sich ein derartiges Membranventil für die Anwendung bei einem MRT. Zudem ist es möglich, dass das Membranventil zur Steuerung von ferromagnetischen Fluiden benutzt werden kann.
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Ferner kann das Gehäuse ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil aufweisen, wobei der wenigstens eine Ventilsitz und die wenigstens zwei Fluidöffnungen im ersten Gehäuseteil ausgebildet sind und der Aktor im zweiten Gehäuseteil angeordnet ist. Das Membranventil ist somit in verschiedene Abschnitte unterteilt, wobei ein Abschnitt des Membranventils vom zu steuernden Fluid durchströmt ist.
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Insbesondere sind das erste und das zweite Gehäuseteil zwei Gehäusehälften, wobei das Ventilelement zwischen den beiden Gehäusehälften angeordnet ist, vorzugsweise teilweise eingespannt ist. Dadurch ist ein besonders kompaktes Membranventil geschaffen, das lediglich aus zwei Gehäusehälften besteht, in denen sämtliche für die Steuerung des Fluids benötigten Bauteile untergebracht sind. Das Ventilelement trennt dabei den fluiddurchströmten Abschnitt des Membranventils vom restlichen Abschnitt des Membranventils. Über die Einspannung des Ventilelements kann eine vordefinierte Flexibilität des Ventilelements eingestellt werden. Die Bauhöhe eines derartigen Membranventils ist sehr gering im Vergleich zu Membranventilen mit einem elektromagnetischen Aktor.
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Der Aktor kann insbesondere ein Stapel- oder ein Membranaktor sein. Hierdurch kann ein höherer Verstellhub des Aktors bei gleichbleibender, angelegter Betriebsspannung erreicht werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass an einer Innenwand des Gehäuses wenigstens eine elektrische Leitung angeordnet ist, insbesondere integriert ist, über die der zumindest eine Aktor mit einem elektrischen Anschluss gekoppelt ist. Bei der wenigstens einen elektrischen Leitung kann es sich um elektrische Leiterbahnen und/oder eine Platine handeln. Die Versorgung des elektroaktiven Polymeraktors erfolgt somit unmittelbar im Gehäuse, insbesondere im zweiten Gehäuseteil. Demnach ist die elektrische Leitung im Abschnitt des Membranventils vorgesehen, durch den das Fluid nicht strömt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Federelement vorgesehen, das am Gehäuse angeordnet ist. Über das Federelement können Montagetoleranzen des Membranventils ausgeglichen werden. Des Weiteren kann das Federelement dazu eingesetzt werden, den Aktor vorzuspannen, um somit den von ihm ausgehenden Hubweg zu beeinflussen.
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Insbesondere wirkt das Federelement direkt auf das Ventilelement. Hierdurch kann der Aktor indirekt über das Ventilelement vorgespannt werden, an dem der Aktor unmittelbar angeordnet ist.
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Ferner kann das Federelement auch direkt auf den Aktor wirken, sofern es sich bei dem Aktor um einen Membranaktor handelt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht eine Justiereinrichtung am Gehäuse vor, über die der Federweg des Federelements eingestellt werden kann. Über die Justiereinrichtung kann die Schließkraft des Aktors eingestellt und/oder nachträglich angepasst werden.
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Die Justiereinrichtung kann eine Aufnahme mit einer Justierschraube sein, die auf das Federelement wirkt. Dies stellt eine einfache Ausbildung der Justiereinrichtung dar, sodass ein Benutzer des Membranventils mit einfachen Mitteln die Schließkraft des Aktors anpassen kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Gehäuse drei Fluidöffnungen und zwei Ventilsitze auf, wobei eine der drei Fluidöffnungen eine Ausströmöffnung ist, die insbesondere mittig zwischen den beiden anderen Fluidöffnungen angeordnet ist. Die beiden anderen Fluidöffnungen können Einströmöffnungen darstellen, über die dem Membranventil jeweils ein Fluid zugeführt werden kann. Das Membranventil kann somit beispielsweise als ein 3/2-Wegeventil oder ein 3/3-Wegeventil ausgebildet sein. Das Membranventil kann somit gleichzeitig mit zwei unterschiedlichen Fluiden beaufschlagt werden, die über eine gemeinsame Ausströmöffnung aus dem Membranventil strömen können.
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Insbesondere weist das Gehäuse eine Mischkammer auf, die mit den Fluidöffnungen in Strömungsverbindung steht. In der Mischkammer können die dem Membranventil zugeführten Fluide gemischt werden, wodurch eine gezielte Mischung innerhalb des Membranventils möglich ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind zwei Aktoren vorgesehen, die das Ventilelement verstellen können, wobei insbesondere die beiden Aktoren jeweils einem Ventilsitz direkt gegenüberliegend angeordnet sind. Aufgrund der beiden Aktoren weist das Membranventil höhere Schaltfrequenzen auf. Zudem ist ein kompakter Aufbau möglich, da die von den Aktoren ausgehenden Kräfte direkt auf das Ventilelement und den zugeordneten Ventilsitz ausgeübt werden. Eine Umleitung der von den Aktoren ausgehenden Kräfte ist nicht nötig.
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Der zweite Aktor kann ebenfalls ein elektroaktiver Polymeraktor sein. Die Energieaufnahme des Membranventils ist trotz der beiden Aktoren sehr gering. Des Weiteren kann das Membranventil weiterhin für magnetische Hochfeldanwendungen verwendet werden.
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Ferner können die zwei Aktoren mit einer Spannung gegenläufig beaufschlagt sein. Hierdurch sind eine aktive Stellbewegung und eine aktive Rückstellbewegung des Ventilelements realisiert. Dies reduziert die Hystereseeffekte des Systems. Ferner ist die Effizienz des Membranventils gesteigert sowie das Ansprechverhalten des Membranventils verbessert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Schaltwippe vorgesehen, die im Gehäuse und zwischen dem wenigstens einen Aktor und dem Ventilelement angeordnet ist. Hierdurch kann ein Membranventil ausgebildet werden, das mehrere Zuleitungen aufweist, die über einen einzigen Aktor angesteuert werden.
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Ferner können die zwei Aktoren direkt mit der Schaltwippe gekoppelt sein und insbesondere die Schaltwippe an zwei entgegengesetzten Enden beaufschlagen. Das Membranventil ist dadurch besonders steif ausgeführt, da die Schaltwippe durch die Aktoren eingespannt ist. Aufgrund der steifen Ausgestaltung haben auftretende Strömungsumschläge und Schwingungen des Fluids geringere Auswirkungen auf die Steuer- bzw. Regelgenauigkeit. Die Strömungsumschläge und Schwingungen werden vom steifen Membranventil wirksam unterdrückt. Dies steigert allgemein die Steuer- bzw. Regelgenauigkeit.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Membranventil gemäß einer ersten Ausführungsform in einer ersten Schaltstellung,
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2 das Membranventil aus 1 in einer zweiten Schaltstellung,
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3 ein erfindungsgemäßes Membranventil gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer ersten Schaltstellung,
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4 das Membranventil aus 3 in einer zweiten Schaltstellung,
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5 ein erfindungsgemäßes Membranventil gemäß einer dritten Ausführungsform in einer ersten Schaltstellung,
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6 das Membranventil gemäß 5 in einer zweiten Schaltstellung,
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7 ein erfindungsgemäßes Membranventil gemäß einer vierten Ausführungsform in einer ersten Schaltstellung,
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8 das Membranventil aus 7 in einer zweiten Schaltstellung,
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9 ein erfindungsgemäßes Membranventil gemäß einer fünften Ausführungsform in einer zweiten Schaltstellung,
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10 ein erfindungsgemäßes Membranventil gemäß einer sechsten Ausführungsform in einer Perspektivansicht,
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11 das Membranventil aus 10 mit abgenommenem Deckel,
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12 das Membranventil aus 10 in einer ersten Schnittansicht, in der eine erste Schaltstellung gezeigt ist, und
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13 das Membranventil aus 10 in einer zweiten Schnittansicht, in der eine zweite Schaltstellung gezeigt ist.
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In 1 ist ein Membranventil 10 gemäß einer ersten Ausführungsform in einer ersten Schaltstellung gezeigt. Das Membranventil 10 weist ein Gehäuse 12 auf, welches aus einem ersten Gehäuseteil 14 und einem zweiten Gehäuseteil 16 ausgebildet ist. Das zweite Gehäuseteil 16 weist einen hülsenartigen Abschnitt 18 sowie einen Deckel 20 auf. Die beiden Gehäuseteile 14, 16 stellen generell zwei Gehäusehälften des gesamten Gehäuses 12 des Membranventils 10 dar.
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Im ersten Gehäuseteil 14 sind drei Fluidöffnungen 22, 24, 26 ausgebildet. Zur besseren Unterscheidbarkeit werden die Fluidöffnungen 22, 24, 26 als erste Zuströmöffnung 22 und zweite Zuströmöffnung 26, über die dem Membranventil 10 ein Fluid zugeführt werden kann, sowie als Ausströmöffnung 24 bezeichnet, über die Fluid aus dem Membranventil 10 ausströmen kann. Die Ausströmöffnung 24 ist mittig zwischen den beiden Zuströmöffnungen 22, 26 angeordnet. Die Fluidöffnungen 22 bis 26 sind generell von einem Dichtungsring umgeben.
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Den beiden Zuströmöffnungen 22, 26 ist jeweils ein erster Ventilsitz 28 bzw. ein zweiter Ventilsitz 30 zugeordnet, die innerhalb des Gehäuses 12 ausgebildet sind. Die beiden Ventilsitze 28, 30 wirken mit einem Ventilelement 32 zusammen, das in der gezeigten Ausführungsform flexibel ausgebildet ist. Bei dem Ventilelement 32 handelt es sich um eine Membran, die zwischen dem ersten Gehäuseteil 14 und dem zweiten Gehäuseteil 16 eingespannt ist. Über die Einspannung kann das flexible Ventilelement 32 vorgespannt werden, sodass eine gewisse Kraft nötig ist, um das Ventilelement 32 zu verstellen.
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Das zweite Gehäuseteil 16 weist ferner hinterschnittene Aussparungen 34, 36 auf, in denen das Ventilelement 32 mit einem Randabschnitt eingesetzt ist, sodass das Ventilelement 32 sicher zwischen den beiden Gehäuseteilen 14, 16 aufgenommen ist.
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Die beiden hinterschnittenen Aussparungen 34, 36 können auch als eine umlaufende, hinterschnittene Nut des Gehäuses 12 ausgebildet sein.
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Das Ventilelement 32, das mit den beiden Ventilsitzen 28, 30 zusammenwirkt, wird in der gezeigten Ausführungsform über einen Aktor 38 verstellt. Bei dem Aktor 38 handelt es sich um einen elektroaktiven Polymeraktor, der in der gezeigten Ausführungsform als Stapelaktor ausgebildet ist. Insbesondere kann es sich bei dem Aktor 38 um einen dielektrischen elektroaktiven Polymeraktor handeln.
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Der elektroaktive Polymeraktor 38 ist insbesondere als Stapelaktor ausgebildet, bei dem mehrere Polymer- und Elektrodenschichten abwechselnd aufeinander gestapelt sind. Im Stapelaktor ist jeweils zwischen zwei flexiblen Elektroden ein inkompressibles Polymer angeordnet, das insbesondere dielektrisch ist. Durch Anlegen einer Spannung an die beiden Elektroden bildet sich ein elektrisches Feld aus, sodass sich die beiden Elektroden anziehen. Hierdurch wird das dazwischen angeordnete inkompressible Polymer gestaucht, wobei es sich aufgrund seiner Inkompressibilität senkrecht zur Feldrichtung ausdehnt. Die parallel zur Feldrichtung verlaufende Stauchung der Polymerschichten wird genutzt, um einen Hubweg über den elektroaktiven Polymeraktor 38 bereitzustellen, sodass dieser als Aktor wirken kann.
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Der elektroaktive Polymeraktor 38 ist einem Kondensator ähnlich, da zwei Elektroden vorgesehen sind, die eine eingebrachte elektrische Energie speichern können. Dies bedeutet, dass ein einmal verstellter elektroaktiver Polymeraktor 38 keine weitere Energiezufuhr benötigt, um seinen stationären Zustand zu halten. Lediglich Leckströme müssen ausgeglichen werden, um die Spannung zwischen den beiden Elektroden aufrecht zu halten.
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Wie aus der 1 hervorgeht, ist der Aktor 38 zwischen dem zweiten Gehäuseteil 16 und einer Schaltwippe 40 angeordnet, die um eine Schwenkachse S schwenkbar gelagert ist.
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Die Schaltwippe 40 weist an einem ersten Ende 42 einen ersten Koppelbereich 44 auf, über den die Schaltwippe 40 mit dem Ventilelement 32 fest gekoppelt ist. Das Ventilelement 32 weist hierzu einen ersten Koppelungsabschnitt 46 auf, in den ein erstes Koppelelement 48 aufgenommen ist, das mit dem ersten Koppelbereich 44 zusammenwirkt, um eine feste Verbindung mit der Schaltwippe 40 auszubilden.
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Der Aktor 38 ist am ersten Ende 42 der Schaltwippe 40 angeordnet, sodass der Aktor 38 einerseits ein möglichst hohes Moment auf die Schaltwippe 40 ausüben kann und andererseits direkt gegenüberliegend zum ersten Ventilsitz 28 angeordnet ist. Der Aktor 38 ist in einem ersten, nicht aktiviertem Zustand mechanisch vorgespannt zwischen dem zweiten Gehäuseteil 16 und der Schaltwippe 40 angeordnet und wirkt direkt senkrecht auf das Ventilelement 32, um den ersten Ventilsitz 28 verschließen zu können.
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An dem zweiten Ende 49 der Schaltwippe 40 ist ein Federelement 50 vorgesehen, welches mit einem Vorsprung 52 an der Schaltwippe 40 zusammenwirkt und sich ebenfalls am zweiten Gehäuseteil 16 abstützt. Das Federelement 50 ist dem zweiten Ventilsitz 30 gegenüberliegend angeordnet.
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Die Schaltwippe 40 ist am zweiten Ende 49 über einen zweiten Koppelbereich 54, einem zweiten Koppelungsabschnitt 56 des Ventilelements 32 sowie einem zweiten Koppelelement 58 mit dem Ventilelement 32 gekoppelt.
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Die beiden Koppelelement 48, 58 sind dabei als zapfenförmige Elemente mit Tellerabschnitten ausgebildet, die in entsprechenden Aussparungen in den Koppelungsabschnitten 46, 56 eingesetzt sind.
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In 1 ist das Federelement 50 zusammengedrückt, sodass der zweite Ventilsitz 30 geöffnet ist.
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Der elektroaktive Aktor 38 erhält seine Betriebsspannung über einen Steckeranschluss 60, der mittig im zweiten Gehäuseteil 16 angeordnet ist, insbesondere im Deckel 20. Vom Steckeranschluss 60 gehen elektrische Leitungen 62 in Form einer Platine und/oder in Form von Leiterbahnen zum Aktor 38, um eine elektrische Verbindung mit dem Steckeranschluss 60 herzustellen. Die elektrischen Leitungen 62 können dabei am zweiten Gehäuseteil 16 angeordnet oder sogar in diesem integriert sein.
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Ferner ist in dem Gehäuse 12 ein Anlagesteg 64 ausgebildet, an dem das Ventilelement 32 im Wesentlichen anliegt. Über den Anlagesteg 64 wird erreicht, dass bei einem Schalten des Membranventils 10 nur ein erster Membranabschnitt 66 des Ventilelements 32 über den Aktor 38 oder ein zweiter Membranabschnitt 68 des Ventilelements 32 über das Federelement 50 verstellt wird. Bei diesen beiden Membranabschnitten 66, 68 handelt es sich um die Abschnitte des Ventilelements 32, die den jeweiligen Ventilsitzen 28, 30 direkt gegenüberliegen. Hierdurch ist ein effizientes Membranventil 10 ausgebildet.
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Ferner ist im Membranventil 10 eine Mischkammer 70 ausgebildet, die direkt mit der Ausströmöffnung 24 fluchtet. Die beiden Zuströmöffnungen 22, 26 stehen ebenfalls mit der Mischkammer 70 in fluidischer Verbindung, sofern die Stellung des Membranventils 10 eine Fluidverbindung zulässt. In der Mischkammer 70 können zwei unterschiedliche Fluide miteinander gemischt werden.
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Die Funktionsweise des Membranventils 10 ist wie folgt:
In einer ersten, nicht aktivierten Stellung oder einer Ausgangsstellung befindet sich der Aktor 38 beispielsweise in einer nicht ausgelenkten Stellung, die in 1 gezeigt ist.
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Der Aktor 38 erstreckt sich unter mechanischer Vorspannung in Richtung zum ersten Ventilsitz 28. Hierdurch wirkt der Aktor 38 gegen die Federkraft der Feder 50 einerseits auf den ersten Membranabschnitt 66, um den ersten Ventilsitz 28 zu verschließen. Andererseits wirkt der Aktor 38 auch auf die Schaltwippe 40, sodass diese um die Schwenkachse S verschwenkt wird.
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Durch das Verschwenken der Schaltwippe 40 wird der zweite Membranabschnitt 68 gleichzeitig vom zweiten Ventilsitz 30 angehoben, sodass eine Fluidverbindung über die zweite Zuströmöffnung 26 in die Mischkammer 70 hergestellt ist.
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Das Membranventil 10 kann in dieser Ausgangsschaltstellung ohne Energieaufnahme gehalten werden.
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In 2 ist das Membranventil 10 aus 1 in einer zweiten, aktivierten Schaltstellung gezeigt.
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Der Polymeraktor 38 ist über die wenigstens eine hier dargestellte elektrische Leitung 62 mit einer Spannung beaufschlagt. Dadurch dehnt sich das im Wesentlichen inkompressible Polymer senkrecht zum zwischen den Elektroden ausgebildeten, elektrischen Feld aus, wodurch der Polymeraktor 38 gestaucht wird. Das Federelement 50 ist weniger zusammengedrückt und die Schaltwippe 40 wird um die Schwenkachse S in die andere Richtung verschwenkt. Hierdurch wird der erste Membranabschnitt 66 angehoben und der erste Ventilsitz 28 freigegeben.
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Gleichzeitig wird über das Federelement 50 der zweite Membranabschnitt 68 derart verstellt, dass er den zweiten Ventilsitz 30 sperrt.
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Aus einem Vergleich der 1 und 2 geht hervor, dass das Ventilelement 32 hauptsächlich am Anlagesteg 64 anliegt, sodass es sich in diesem Bereich nicht verstellt.
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Bei den gezeigten Figuren handelt es sich um Schnittbilder, weswegen das Membranventil 10 generell eine zweite elektrische Leitung mit einem zweiten Pin aufweist.
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In den 3 und 4 ist das Membranventil 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt.
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Die zweite Ausführungsform des Membranventils 10 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dahingehend, dass eine Justiervorrichtung 72 vorgesehen ist, die im zweiten Gehäuseteil 16 angeordnet ist, insbesondere im Deckel 20.
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Die Justiervorrichtung 72 weist eine Aufnahme 74 auf, die im Bereich des Federelements 50 angeordnet ist. Durch die Aufnahme 74 kann eine Justierschraube 75 eingeschraubt werden, die den Federweg des Federelements 50 verstellt. Hierdurch kann eine nachträgliche Anpassung der Einstellung des Federwegs bzw. der Schließkraft vorgenommen werden.
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In den 5 und 6 ist das Membranventil 10 gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt, die sich von der ersten Ausführungsform dahingehend unterscheidet, dass zwei Aktoren 38a, 38b vorgesehen sind, die beide als elektroaktive Polymeraktoren ausgebildet sind.
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Der zweite elektroaktive Polymeraktor 38b hat das in der ersten Ausführungsform vorgesehene Federelement 50 ersetzt. Die am zweiten Gehäuseteil 16 vorgesehenen elektrischen Leitungen 62 erstrecken sich nun vom ersten Aktor 38a bis zum zweiten Aktor 38b, wodurch generell ein symmetrischer Aufbau des Membranventils 10 geschaffen ist.
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Der zweite Aktor 38b wirkt demnach mit dem zweiten Ende 49 der Schaltwippe 40 zusammen, um den zweiten Membranabschnitt 68 derart verstellen zu können, dass dieser den zweiten Ventilsitz 30 freigibt oder verschließt. Der zweite Aktor 38b ist hierzu dem zweiten Ventilsitz 30 direkt gegenüberliegend angeordnet.
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Aufgrund der zwei Aktoren 38 können generell höhere Schaltfrequenzen des Membranventils 10 erreicht werden.
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Ferner kann die Schaltwippe 40 von den beiden Aktoren 38, die an jeweils entgegengesetzten Enden 42, 49 der Schaltwippe 40 angeordnet sind, eingespannt werden. Hierdurch ist ein steifes Regelsystem des Membranventils 10 ausgebildet, welches Strömungsschwankungen des dem Membranventil 10 zugeführten Fluids ausgleichen bzw. kompensieren kann.
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In den 7 und 8 ist das Membranventil 10 gemäß einer vierten Ausführungsform gezeigt, die sich von der dritten Ausführungsform dahingehend unterscheidet, dass keine Schaltwippe 40 vorgesehen ist.
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Die beiden Aktoren 38 wirken direkt mit dem Ventilelement 32 bzw. den entsprechenden Membranabschnitten 66, 68 zusammen. Es sind lediglich die Koppelelemente 48, 58 vorgesehen, die eine Kopplung der Aktoren 38 mit dem Ventilelement 32 ermöglichen.
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Die vierte Ausführungsform des Membranventils 10 zeichnet sich dadurch aus, dass aufgrund des Wegfalls der Schaltwippe 40 mehrere Schaltstellungen erreicht werden können, da die beiden Aktoren 38 unabhängig voneinander den ihnen zugeordneten Membranabschnitt 66, 68 vom jeweiligen Ventilsitz 28, 30 anheben bzw. auf den jeweiligen Ventilsitz 28, 30 drücken können.
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Mit dem in der vierten Ausführungsform gezeigten Membranventil 10 ist es somit auch möglich, beide Ventilsitze 28, 30 bei gleichzeitiger Aktivierung beider Aktoren 38 gleichzeitig freizugeben, wodurch die Mischkammer 70 gespült werden kann oder gleichzeitig mit unterschiedlichen Fluiden befüllt werden kann. Ferner ist es mit der vierten Ausführungsform des Membranventils 10 möglich, beide Ventilsitze 28, 30 gleichzeitig zu verschließen.
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Bei den Ausführungsformen des Membranventils 10, in denen zwei Aktoren 38 vorgesehen sind, kann insbesondere vorgesehen sein, dass diese beiden Aktoren 38 mit einer Spannung gegenläufig beaufschlagt sind. Hierdurch kann ein aktives Verstellen und Rückstellen des Ventilelements 32 realisiert werden, sodass sich die Hysterese des Membranventils 10 reduziert. Hierdurch ist ein effizientes Membranventil 10 ausgebildet, das ein besseres Ansprechverhalten aufweist.
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9 zeigt eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Membranventils 10.
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Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen in der Ausbildung der Aktoren 38. Gleiche oder wirkungsgleiche Elemente werden mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der fünften Ausführungsform sind die Aktoren 38 als Membranaktoren ausgebildet. Bei den Membranaktoren handelt es sich ebenfalls um elektroaktive Polymeraktoren, die zumindest einen aktiven Polymerabschnitt 78 aufweisen. Sofern mehrere aktive Polymerabschnitte 78 vorgesehen sind, sind diese nicht stapelförmig angeordnet.
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Aus der in 9 gezeigten Ausführungsform geht hervor, dass ein als Membranaktor ausgebildeter Aktor 38 mehrere aktive Polymerabschnitte 78 aufweist, die zwischen Trägerteilen 80, 82 und 84 der Membranaktoren angeordnet sind. Die Trägerteile 80 bis 84 können insbesondere starr ausgebildet sein.
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Das erste Trägerteil 80 ist an einer Seitenwand des zweiten Gehäuseteils 16 angeordnet, insbesondere in der Seitenwand aufgenommen. Von dem ersten Trägerteil 80 erstreckt sich ein erster aktiver Polymerabschnitt 78 zu einem zweiten Trägerteil 82, das mit einem ersten Koppelteil 86 gekoppelt ist. Das erste Koppelteil 86 ist wiederum mit dem ersten Koppelelement 38 gekoppelt, welches mit dem Ventilelement 32 zusammenwirkt. Wenn das zweite Trägerteil 82 verstellt wird, wird diese Verstellbewegung somit auf das Ventilelement 32 übertragen. Das erste Koppelteil 86 ist somit funktionsgleich zum ersten Koppelbereich 44 der Schaltwippe 40 gemäß dem Membranventil 10 der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet.
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Vom zweiten Trägerteil 82 geht wiederum ein aktiver Polymerabschnitt 78 ab, der das zweite Trägerteil 82 mit dem dritten Trägerabschnitt 84 verbindet, sodass das zweite Trägerteil 82 an beiden, entgegengesetzten Seiten mit einem aktiven Polymerabschnitt 78 gekoppelt ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass das zweite Trägerteil 82 gleichmäßig und im Wesentlichen senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung verstellt wird.
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Das dritte Trägerteil 84 ist an dem entgegengesetzten Ende wiederum mit einem aktiven Polymerabschnitt 78 gekoppelt, der Teil des anderen Aktors 38 ist, der entsprechend ein zweites Koppelteil 88 umfasst, um auf das Ventilelement 32 zu wirken.
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Die beiden Aktoren 38 weisen somit ein gemeinsames Trägerteil 84 auf, weswegen die beiden Aktoren 38 auch als Aktorenvektor oder Aktorenmatrix angesehen werden können, der bzw. die symmetrisch ausgebildet ist.
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Die Kontaktierung der als Membranaktoren ausgebildeten Aktoren 38 erfolgt über Kontakte 90, die in der gezeigten Ausführungsform als Kontaktstifte ausgebildet sind, die seitlich am zweiten Gehäuseteil 16 vorgesehen sind. Die Kontakte 90 sind mit den elektrischen Leitungen 62 verbunden, sodass das über die elektrischen Leitungen 62 eingespeiste Signal an die Kontakte 90 und die Aktoren 38 übermittelt werden kann.
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Generell sind die beiden als Membranaktoren ausgebildeten Aktoren 38 ebenso wie die zuvor beschriebenen Stapelaktoren getrennt voneinander ansteuerbar.
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Des Weiteren ist den beiden als Membranaktoren ausgebildeten Aktoren 38 jeweils ein Federelement 92 zugeordnet, das direkt mit den Aktoren 38 zusammenwirkt.
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In der in 9 gezeigten Stellung des Membranventils 10 ist der zweite Ventilsitz 30 von dem zugeordneten, nicht aktivierten Aktor 38 und dem mit ihm zusammenwirkende Federelement 92 verschlossen, wohingegen der erste Ventilsitz 28 durch den ihm zugeordneten, aktivierten Aktor 38 und dem als Zugfeder ausgebildete Federelement 92 geöffnet ist.
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Die Funktionsweise des Membranventils 10 ist ansonsten analog zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen.
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In den 10 bis 14 ist eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Membranventils 10 gezeigt.
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Diese Ausführungsform des Membranventils 10 unterscheidet sich von den vorherigen Ausführungsformen dahingehend, dass mehrere Aktoren 38 vorgesehen sind, die in Form einer Matrix angeordnet sind.
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Das Gehäuse 12 umfasst eine Fluidkanalplatte 94 mit Anschlüssen 96, über die ein Fluid in Fluidkanäle 98 eingespeist werden kann (siehe 12 und 13), die die Strömungskanäle des Membranventils 10 ausbilden.
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Auf der Fluidkanalplatte 94 ist ein Träger 100 angeordnet, der die Aktoren 38 aufweist. Die Aktoren 38 können insbesondere im Träger 100 integriert sein. Bei den Aktoren 38 kann es sich analog zur fünften Ausführungsform um Membranaktoren handeln.
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Generell handelt es sich bei dem Träger 100 und den daran angeordneten Aktoren 38 um eine Aktormatrix 102, das heißt, einer Anordnung von Aktoren 38, die in einem als Grundkörper ausgebildeten Element, hier dem Träger 100, angeordnet sind. In der gezeigten Ausführungsform sind in einer Zeile zwei Aktoren 38 und in einer Spalte zwei Aktoren 38 vorgesehen, sodass die hier gezeigte Aktormatrix 102 2×2 Aktoren 38 aufweist (siehe 11).
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Der Träger 100 ist in der gezeigten Ausführungsform plattenförmig, sodass er eine Trägerplatte ausbildet. Der Träger 100 allgemein oder die konkrete Trägerplatte können als Membran ausgebildet sein, insbesondere als Elastomermembran, die die Polymeraktorbereiche 78 aufweist.
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Alternativ kann zwischen dem Träger 100 und der Fluidkanalplatte 94 eine Membran angeordnet sein, die den medienberührten Bereich vom Aktorbereich trennt.
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Das Gehäuse 12 umfasst ferner einen Deckel 104, der auf den Träger 100 gesetzt wird, um einen Abschluss des Gehäuses 12 auszubilden. Der Deckel 104 kann insbesondere plattenförmig und/oder aus einem Metall gefertigt sein.
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Ferner weist der Deckel 104 entsprechend für jeden Aktor 38 ein Federelement 92 auf, die in analoger Weise zur fünften Ausführungsform mit den Aktoren 38 zusammenwirken oder mit diesen verbunden sind. Bei den Federelementen 92 der sechsten Ausführungsform handelt es sich um Formfederkonturen, die vorzugsweise durch ein Ätzverfahren in den Deckel 104 eingebracht worden sind. Die Federelemente 92 sind demnach einstückig mit dem Deckel 104 ausgebildet.
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Aus 11 geht ferner hervor, dass im Träger 100 die elektrischen Leitungen 62 angeordnet sind, die die einzelnen Aktoren 38 miteinander elektrisch koppeln. Die elektrischen Leitungen 62 weisen erste Anschlüsse 106 auf, die beispielsweise als positiver Anschluss ausgebildet sind. Ferner ist ein zweiter Anschluss 108 vorgesehen, der entsprechend als negativer Anschluss bzw. Masseanschluss ausgebildet ist, sodass die Aktoren 38 mit einer Spannung versorgt werden können. Der negative Anschluss ist in der gezeigten Ausführungsform über die Federelemente 92 und den Deckel 104 realisiert, die im Ausführungsbeispiel metallisch ausgebildet sind.
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Die 12 und 13 zeigen Schnittansichten entlang der in 10 gezeigten Schnittlinien A und B, wobei sich die Aktoren 38 in 12 in einer aktivierten Stellung befinden, sodass sie die entsprechenden Ventilsitze 28, 30 freigeben. Dagegen befinden sich die Aktoren 38 in 13 in einer nichtaktivierten Stellung, da die Ventilsitze 28, 30 verschlossen sind, sodass das Fluid nicht durch die den Aktoren 38 zugeordneten Fluidkanäle 98 strömen kann.
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Jede Reihe der Aktormatrix 102 weist somit in der gezeigten Ausführungsform einen ersten und einen zweiten Ventilsitz 28, 30 auf.
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Die Funktionsweise der Aktoren 38 ist analog zu derjenigen der Aktoren 38 in der fünften Ausführungsform, da die als Membranaktoren ausgebildeten Aktoren 38 wiederum die drei Trägerteile 80 bis 84 sowie die aktiven Polymerabschnitte 78 aufweisen, die zwischen den jeweiligen Trägerteilen 80 bis 84 angeordnet sind und elektrisch angeregt werden.
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Aus Gründen der besseren Darstellbarkeit sind die elektrischen Anschlüsse der Polymerabschnitte 78 nicht dargestellt.
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Generell können die einzelnen Aktoren 38 individuell angesteuert werden, sodass mehrere Schaltstellungen des Membranventils 10 erreicht werden können. Des Weiteren kann die Aktormatrix 102 mehr als die gezeigten vier Aktoren 38 umfassen. Dementsprechend weist jede Reihe der Aktormatrix 102 mehr als zwei Ventilsitze auf.
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In allen gezeigten Ausführungsformen können die verwendeten Bauteile, insbesondere das Gehäuse 12, die optionale Schaltwippe 40 sowie die Koppelelemente 48, 58 aus einem Kunststoff oder einem amagnetischen Metall hergestellt sein. Hierdurch werden keine ferromagnetischen Materialien bei dem Membranventil 10 verwendet, sodass sich dieses für magnetische Hochfeldanwendungen eignet, beispielsweise einem MRT. Beispielsweise kann es sich bei den Bauteilen um Spritzgussteile handeln.
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Des Weiteren können mit einem derartig ausgebildeten Membranventil 10 ferromagnetische Fluide gesteuert werden.
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Erfindungsgemäß ist somit ein energieeffizientes Membranventil 10 geschaffen, das im stationären Zustand keine Energieaufnahme benötigt.
