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Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Ventil.
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In einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten werden zur Steuerung von Luftströmen pneumatische Ventile eingesetzt. Dabei ist es bekannt, zur Betätigung solcher Ventile sog. SMA-Aktuatoren mit SMA-Elementen aus einer Formgedächtnislegierung, wie z.B. NiTi-Legierung, zu verwenden (SMA = Shape Memory Alloy). Die SMA-Elemente werden durch Stromfluss und der daraus resultierenden Erwärmung verformt. Nach anschließender Abkühlung können sie wieder in ihre ursprüngliche Form gebracht werden.
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Um eine hohe Lebensdauer und eine hohe Anzahl von Betätigungszyklen zu erreichen, muss der Hub und die wirksame Kraft des SMA-Aktuators zuverlässig begrenzt werden. Demzufolge ist für einen SMA-Aktuator in der Regel eine Endposition vorgegeben, welche bei dessen Betätigung durch Stromzufuhr erreicht wird und die nicht überschritten werden soll.
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Zur Erfassung der Endposition eines SMA-Aktuators werden im Stand der Technik separate elektrische Kontakte eingesetzt, die das Erreichen des maximalen Hubs anzeigen. Als Konsequenz wird in der Regel die dem SMA-Aktuator zugeführte Heizleistung reduziert.
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In dem Dokument
DE 10 2005 060 217 A1 ist ein Ventil mit einem SMA-Aktuator gezeigt, dessen Endposition über einen Endschalter erfasst wird. Durch die Anordnung des Endschalters im druckbeaufschlagten Ventilraum kann es aufgrund der dort auftretenden Feuchtigkeit zu Ausfällen des Schalters kommen.
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Das Dokument
WO 2014/135909 A1 offenbart einen Kontakt zur Erkennung der Endlage eines SMA-Aktuators in einem Pneumatikventil. Der Kontakt ist außerhalb der Ventilkammer angeordnet.
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Das Dokument
DE 10 2015 201 534 B3 offenbart eine Antriebsvorrichtung zur Bewegung zumindest einer um eine Schwenkachse schwenkbaren Klappe mit zumindest einem in seiner Länge veränderlichen Antriebselement, wobei das Antriebselement zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildet ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein pneumatisches Ventil mit einem SMA-Aktuator zu schaffen, welches eine einfache Erkennung der Endposition des Aktuators ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch das pneumatische Ventil gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Das erfindungsgemäße pneumatische Ventil umfasst eine Luftkammer mit einem Luftanschluss sowie einen Aktuator mit einem beweglichen Absperrelement und mit einem SMA-Element (insbesondere einem drahtförmigen SMA-Element) aus einer Formgedächtnislegierung (z.B. einer NiTi-Legierung). Das SMA-Element ist mechanisch an das bewegliche Absperrelement gekoppelt. In an sich bekannter Weise verformt sich das SMA-Element durch Zufuhr eines elektrischen Heizstroms, wodurch eine vorgegebene Bewegung des Absperrelements zum Öffnen oder Schließen des Luftanschlusses bewirkt wird. Die Verformung des SMA-Elements wird bei Beendigung der Zufuhr des elektrischen Heizstroms rückgängig gemacht, wodurch eine Umkehrung der vorgegebenen Bewegung des SMA-Elements bewirkt wird. Der Aktuator umfasst ferner eine Detektionseinheit, um das Erreichen einer Endposition des Absperrelements bei Zufuhr des elektrischen Heizstroms zu detektieren.
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Das erfindungsgemäße Ventil zeichnet sich dadurch aus, dass dessen Aktuator derart ausgestaltet ist, dass bei Erreichen der Endposition des Absperrelements der Widerstand eines Abschnitts des SMA-Elements mittels eines Überbrückungsabschnitts elektrisch überbrückt wird, wobei hier und im Folgenden unter Widerstand immer der elektrische Widerstand zu verstehen ist.
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Mit anderen Worten wird der genannte Abschnitt des SMA-Elements mittels des Überbrückungsabschnitts im Wesentlichen kurzgeschlossen. Der Begriff des Abschnitts des SMA-Elements ist dabei weit zu verstehen und kann neben einem Teilabschnitt des SMA-Elements ggf. auch das gesamte SMA-Element umfassen.
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Über die soeben beschriebene elektrische Überbrückung wird der elektrische Widerstand des SMA-Elements vermindert. Die Detektionseinheit ist dabei dazu eingerichtet, mittels einer elektrischen Widerstandsmessung diese Verminderung des elektrischen Widerstands des SMA-Elements zu erfassen und hierdurch das Erreichen der Endposition des Absperrelements zu detektieren. Vorzugsweise wird beim Erreichen der Endposition ein direkter mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen dem Überbrückungsabschnitt und dem SMA-Element an zumindest einer Kontaktstelle hergestellt.
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Das erfindungsgemäße Ventil weist den Vorteil auf, dass auf einfache Weise mittels eines Überbrückungsabschnitts eine Widerstandsänderung des SMA-Elements zur Erfassung einer Endposition des Aktuators erzeugt wird. Es kann somit auf die Verwendung von aufwändigen separaten Endschaltern verzichtet werden. Vielmehr wird durch Wechselwirkung des Überbrückungsabschnitts mit dem SMA-Element eine Endlagenerkennung über die elektrischen Versorgungsanschlüsse des SMA-Elements ermöglicht. Somit ist kein zusätzlicher elektrischer Anschluss für die Endlagenerkennung erforderlich, wodurch der zusätzliche Aufwand für seine Kontaktierung und ggf. für eine luftdichte Durchführung desselben vermieden wird.
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Das erfindungsgemäße pneumatische Ventil kann neben dem oben beschriebenen Luftanschluss und dem zugehörigen Aktuator ggf. auch mehrere solche Luftanschlüsse mit zugehörigen Aktuatoren umfassen. Darüber hinaus kann das pneumatische Ventil auch zusätzlich nicht-steuerbare Luftanschlüsse ohne Aktuatoren bzw. Luftanschlüsse basierend auf anderen Aktuatorprinzipien enthalten. Ferner ist es auch möglich, dass ein Aktuator gleichzeitig mehrere Luftanschlüsse betätigt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils ist der Aktuator derart ausgestaltet, dass die Verformung des SMA-Elements eine Relativbewegung zwischen dem Überbrückungsabschnitt und dem SMA-Element bewirkt, wobei die Relativbewegung bei Erreichen der Endposition des Absperrelements zu der elektrischen Überbrückung des Widerstands des Abschnitts des SMA-Elements führt. Auf diese Weise erfolgt eine direkte Kopplung der Verformung des SMA-Elements an eine Relativbewegung zwischen Überbrückungsabschnitt und SMA-Element. Je nach Ausgestaltung kann der Überbrückungsabschnitt bei dieser Relativbewegung seine Position verändern oder auch beibehalten.
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In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Ventils umfasst der Aktuator ein elektrisch leitfähiges Element, vorzugsweise in der Form einer Platte (z.B. einer Blattfeder) oder eines Stegs. Das elektrisch leitfähige Element ist starr mit dem Absperrelement verbunden oder es bildet ein Teil des Absperrelements, wobei der Überbrückungsabschnitt in dem elektrisch leitfähigen Element enthalten ist. Bei dieser Variante der Erfindung bewegt sich der Überbrückungsabschnitt zusammen mit dem Absperrelement.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Absperrelement des pneumatischen Ventils eine Ventilklappe, welche als vorgegebene Bewegung zum Öffnen oder Schließen des Luftanschlusses eine Verkippung ausführt. Diese Verkippung kann z.B. durch eine Drehung der Ventilklappe bewirkt werden, d.h. die Ventilklappe ist über ein Scharnier oder ein Gelenk befestigt. Ebenso kann die Verkippung der Ventilklappe durch eine elastische Biegung bewirkt werden, z.B. indem die Ventilklappe eine Blattfeder beinhaltet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das oben beschriebene elektrisch leitfähige Element, das starr mit dem Absperrelement verbunden ist oder Teil dieses Absperrelements ist, auf einer Seite der Ventilklappe angeordnet, welche von dem Luftanschluss weg weist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils ist das SMA-Element ein SMA-Draht, der durch Zufuhr des elektrischen Heizstroms kontrahiert wird und hierdurch die vorgegebene Bewegung des Absperrelements bewirkt. Vorzugsweise verläuft der SMA-Draht in einer Ebene. Die Verwendung eines SMA-Drahts als SMA-Element ermöglicht einen kompakten Aufbau des erfindungsgemäßen Ventils.
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In einer weiteren Variante umfasst der soeben beschriebene SMA-Draht einen ersten und einen zweiten Drahtabschnitt, zwischen denen ein Kopplungsabschnitt des SMA-Drahts liegt, wobei der Kopplungsabschnitt mechanisch an das Absperrelement gekoppelt ist. Vorzugsweise ist das oben beschriebene elektrisch leitfähige Element derart angeordnet, dass es bei Erreichen der Endposition des Absperrelements den ersten Drahtabschnitt und den zweiten Drahtabschnitt jeweils an einer Kontaktstelle berührt und hierdurch die elektrische Überbrückung des Widerstands des Abschnitts des SMA-Elements bewirkt.
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In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Ventils umfasst der Aktuator zusätzlich oder alternativ zu dem oben beschriebenen elektrisch leitfähigen Element ein elektrisch leitfähiges Bauteil, welches vorzugsweise als eine elektrische Leitung ausgestaltet ist. Das elektrisch leitfähige Bauteil hat eine feste Position im Ventil und in diesem Bauteil ist der Überbrückungsabschnitt enthalten. Im Gegensatz zu dem obigen elektrisch leitfähigen Element führt das elektrisch leitfähige Bauteil somit keine Bewegung zusammen mit dem Absperrelement durch.
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In einer bevorzugten Variante ist das elektrisch leitfähige Bauteil eine Leitung, deren eines Ende elektrisch mit dem SMA-Element verbunden ist, und deren anderes Ende eine Kontaktstelle umfasst, welche bei Erreichen der Endposition des Absperrelements mit dem SMA-Element in Berührung kommt und hierdurch die elektrische Überbrückung des Widerstands des Abschnitts des SMA-Elements bewirkt. Befindet sich das Absperrelement nicht in der Endposition, ist die Kontaktstelle freiliegend. Mit dieser Variante wird lediglich eine einzelne Kontaktstelle benötigt, um bei Erreichen der Endposition eine Widerstandsverminderung zu bewirken.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der soeben beschriebenen Ausführungsform erstreckt sich zumindest ein Teil der Leitung, die das elektrisch leitfähige Bauteil bildet, zwischen dem ersten und zweiten Drahtabschnitt des oben erläuterten SMA-Drahts in Richtung hin zu dem Kopplungsabschnitt des Drahts. Hierdurch wird ein kompakter Aufbau des SMA-Aktuators mit geringer Höhe ermöglicht.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils ist die Detektionseinheit derart ausgestaltet, dass zur elektrischen Widerstandsmessung der Heizstrom und die den Heizstrom verursachende Spannung erfasst werden und hieraus der Widerstand des SMA-Elements berechnet wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Ventil derart ausgestaltet, dass bei Erreichen der Endposition des Absperrelements dem SMA-Element ein Strom mit geringerer Stromstärke als der Heizstrom zugeführt wird. Mit anderen Worten umfasst das Ventil eine geeignete Steuereinheit, welche die Zufuhr eines Stroms mit geringerer Stromstärke ermöglicht.
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In einer Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform ist das Ventil derart ausgestaltet, dass zum Zuführen des Stroms mit der geringeren Stromstärke die den Heizstrom verursachende Spannungsquelle genutzt wird und der Strom mit der geringeren Stromstärke dadurch erzeugt wird, dass diese Spannungsquelle zyklisch mit dem SMA-Element elektrisch verbunden und von diesem getrennt wird. Demzufolge wird lediglich eine einzige Spannungsquelle zur Erzeugung des Heizstroms und des Stroms mit verringerter Stromstärke benötigt. Nichtsdestotrotz kann das Ventil auch derart ausgestaltet sein, dass zum Zuführen des Stroms mit der geringeren Stromstärke eine andere Spannungsquelle als die den Heizstrom verursachende Spannungsquelle genutzt wird.
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Das erfindungsgemäße pneumatische Ventil ist vorzugsweise zum Befüllen und/oder Entleeren zumindest einer elastischen Luftblase in einer Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes in einem Verkehrsmittel vorgesehen. Mit anderen Worten umfasst die Erfindung auch eine Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes in einem Verkehrsmittel mit zumindest einer elastischen Luftblase sowie einem erfindungsgemäßen Ventil zum Befüllen und/oder Entleeren der zumindest einen Luftblase.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 und 2 Seitenansichten einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils in geschlossener und geöffneter Stellung;
- 3 eine Draufsicht auf das Ventil aus 1;
- 4 und 5 schematische Darstellungen, welche die Detektion der Endposition mittels einer Detektionseinheit für das Ventil aus 1 bis 3 verdeutlichen;
- 6 eine perspektivische Darstellung einer abgewandelten Variante einer im erfindungsgemäßen Ventil verwendeten Ventilklappe; und
- 7 und 8 schematische Darstellungen, welche die Detektion der Endposition mittels einer Detektionseinheit für eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils verdeutlichen.
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1 zeigt in Schnittansicht eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils. Das Ventil umfasst einen Aktuator 1, der in einem Ventilgehäuse 2 angeordnet ist. Das Ventilgehäuse ist nur schematisch durch einen gestrichelten Umfang wiedergegeben. Ferner wurde das Gehäuse aus Übersichtlichkeitsgründen in 2 und 3 weggelassen. Das Ventilgehäuse umfasst einen Luftanschluss 3, der mittels des Aktuators 1 geöffnet und geschlossen wird, wie im Folgenden näher erläutert wird. In der in 1 gezeigten Aktuatorstellung ist der Luftanschluss 3 verschlossen. Je nach Ausgestaltung des Ventils können mehrere Luftanschlüsse vorgesehen sein, welche jeweils durch einen entsprechenden Aktuator 1 geöffnet bzw. geschlossen werden. Darüber hinaus besteht ggf. auch die Möglichkeit, dass ein Aktuator mehrere Luftanschlüsse gleichzeitig öffnet bzw. schließt.
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Der Aktuator 1 ist in einer Luftkammer 100 positioniert, welche durch das Gehäuse 2 druckdicht gegenüber der Ventilumgebung abgeschlossen ist. Dabei ist der Betätigungsmechanismus des Aktuators auf einer Grundplatte 8 befestigt, die vorzugsweise integraler Bestandteil des Gehäuses 2 ist. Der Aktuator umfasst einen SMA-Draht 4, dessen beiden rechten Enden jeweils über Crimp-Elemente 10 mit dem Gehäuse 2 sowie jeweiligen Kontaktpins 9 verbunden sind. Dies wird insbesondere aus der Draufsicht der 3 ersichtlich. Die genaue Befestigung des SMA-Drahts 4 über die Crimp-Elemente 10 ist für die Erfindung nicht wesentlich. Deshalb ist diese Befestigung in 1 bis 3 lediglich schematisch angedeutet. Der SMA-Draht 4 besteht aus einer an sich bekannten Formgedächtnislegierung, wie z.B. einer NiTi-Legierung.
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Die Kontaktpins 9 werden über eine druckdichte Durchführung in der Grundplatte 8 zu einer (nicht gezeigten) Leiterplatte geführt, welche die weiter unten beschriebene Detektionseinheit sowie eine Ansteuereinheit für den Aktuator umfasst. In einer bevorzugten Variante separiert die Grundplatte 8 die Luftkammer 100 von einem unteren Bereich des Gehäuses 2. In diesem unteren Bereich wird dann die Leiterplatte angeordnet, was den Vorteil hat, dass diese vor dem Luftstrom und vor Feuchtigkeit in der Luftkammer geschützt ist.
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Über die Kontaktpins 9 wird dem SMA-Draht 4 zur Betätigung des Aktuators 1 ein Heizstrom zugeführt, der durch eine separate Spannungsquelle erzeugt wird. Wird das gezeigte Ventil beispielsweise zum Befüllen bzw. Entlüften einer elastischen Luftblase in einer Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Kraftfahrzeugsitzes eingesetzt, kann die Spannung für den Heizstrom z.B. vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs stammen.
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Wie sich insbesondere aus 3 ergibt, umfasst der SMA-Draht 4 einen ersten geraden Abschnitt 401, der sich von einem der Crimp-Elemente 10 hin zu einer Ventilklappe 5 aus Kunststoff erstreckt, sowie einen zweiten geraden Abschnitt 402, der parallel zu dem Abschnitt 401 verläuft und sich von der Ventilklappe 5 hin zu dem anderen Crimp-Element 10 erstreckt. Zwischen dem ersten geraden Abschnitt 401 und dem zweiten geraden Abschnitt 402 befindet sich der gebogene Abschnitt 403, der um einen zylindrischen Vorsprung 502 verläuft, welcher auf der Ventilklappe 5 ausgebildet ist. Neben diesem zylindrischen Vorsprung 502 umfasst die Ventilklappe 5 eine horizontal verlaufende Ventilplatte 501, welche in der Stellung der 1 den Luftanschluss 3 dichtend verschließt. Gegebenenfalls kann dabei auf der Unterseite der Ventilplatte 501 ein separates Dichtelement vorgesehen sein, um einen guten dichtenden Abschluss des Luftanschlusses 3 sicherzustellen.
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Die Ventilklappe 5 ist über ein Scharnier 7 an die Grundplatte 8 angelenkt. Darüber hinaus ist auf der Oberseite des zylindrischen Abschnitts 502 eine metallische Blattfeder 6 mit einem leicht nach oben gebogenen Ende 601 befestigt. Ein Großteil der Fläche der Blattfeder befindet sich oberhalb der beiden Abschnitte 401 und 402 des SMA-Drahts 4. In der in 1 gezeigten Stellung ist die Blattfeder 6 von diesen Abschnitten 401 und 402 beabstandet.
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Zum Öffnen des Luftanschlusses 3 wird dem Draht 4 über die Kontaktpins 9 Heizstrom zugeführt, wodurch eine Erwärmung des Drahts und demzufolge eine Kontraktion desselben bewirkt wird. Die Kontraktion hat zu Folge, dass der gebogene Abschnitt 403 des SMA-Drahts 4 den Vorsprung 502 nach rechts zieht, wodurch über das Scharnier 7 eine Verkippung der Ventilklappe 5 nach oben bewirkt wird, so dass der Luftanschluss 3 geöffnet wird. Die Ventilklappe 5 wird bis zu einer vorgegebenen Endposition nach oben angehoben, wobei diese Endposition in 2 angedeutet ist. Wie man dort erkennt, wird in dieser Stellung ein elektrischer Kontakt zwischen den beiden Drahtabschnitten 401 und 402 über die Kante 601 der Blattfeder 6 hergestellt. Die Kante 601 stellt dabei eine Variante eines Überbrückungsabschnitts im Sinne der Ansprüche dar. Mittels der Kante 601 werden die durch diese berührten Kontaktstellen der beiden geraden Abschnitte 401 und 402 niederohmig verbunden, so dass die Kante 601 das links von ihr liegende Teilstück des SMA-Drahts kurzschließt und somit den Widerstand dieses Teilstücks überbrückt.
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Als Folge der soeben beschriebenen Überbrückung vermindert sich der Widerstand des SMA-Drahts 4, was mittels einer Detektionseinheit 20 detektiert wird, wie nachfolgend anhand von 4 und 5 erläutert wird. 4 zeigt in schematischer Darstellung die geschlossene Stellung des Aktuators gemäß 1. Dabei ist zusätzlich die in 1 nicht gezeigte Detektionseinheit 20 wiedergegeben, mit welcher der Widerstand des SMA-Drahts gemessen wird. Die Detektionseinheit ist über entsprechende Kontaktstellen 11 und 11' an den Draht 4 angeschlossen. Die Kontaktstellen entsprechen der Kontaktierung des Drahts durch die Kontaktpins 9 aus 1. Zur Verdeutlichung ist in 4 und 5 der Widerstand des Drahts von der Kontaktstelle 11' bis zu der Kontaktstelle 12' der Kante 601 bei geöffnetem Luftanschluss mit R1 bezeichnet. Analog ist der Widerstand von der Kontaktstelle 11 bis zu der Kontaktstelle der Kante 601 bei geöffnetem Luftanschluss mit R2 bezeichnet. Demgegenüber ist der Widerstand des Drahtabschnitts, der links von der Kante 601 liegt, mit R3 bezeichnet.
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Die in 4 und 5 dargestellte Detektionseinheit 20 umfasst einen Strommesser 21, der den Strom I durch den SMA-Draht misst. Dabei ist in 4 und 5 sowie auch in den weiter unten beschriebenen 7 und 8 der Stromfluss mittels entsprechender Pfeile P angedeutet. Ferner ist ein Spannungsmesser 22 zum Erfassen der angelegten Spannung U vorgesehen. Die Detektionseinheit 20 beinhaltet ferner einen Schalter 25 und einen Schalter 26. Mit dem Schalter 25 wird eine Spannungsquelle 23 zugeschaltet, welche den Heizstrom zur Verformung des SMA-Drahts 4 liefert. Demgegenüber wird mit dem Schalter 26 eine Spannungsquelle 24 mit einer geringeren Spannung als die der Spannungsquelle 23 zugeschaltet.
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Ohne Betätigung des Aktuators sind beide Schalter 25 und 26 geöffnet, so dass die in 1 gezeigte Schaltstellung eingenommen wird. Gemäß 4 wird nunmehr der Schalter 25 geschlossen, um hierdurch dem SMA-Draht 4 Heizstrom zuzuführen, so dass sich dieser kontrahiert und ein Anheben der Ventilklappe 5 bewirkt. Gleichzeitig wird die Spannung U und der Heizstrom I über den Spannungsmesser 22 und den Strommesser 21 erfasst. Aus diesen Größen wird der Widerstand des SMA-Drahts ermittelt, der in dem Szenario der 4 den Wert R = R1 + R2 + R3 aufweist. Der Widerstand des SMA-Drahts wird dabei im Wesentlichen kontinuierlich, d.h. in sehr kurzen Zeitabständen, mittels der Strom- und Spannungsmessung erfasst. Demzufolge kann die entsprechende Widerstandsänderung des Drahts, die durch den Kurzschluss mittels des Überbrückungsabschnitts verursacht ist, schnell erkannt werden und darauf reagiert werden.
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Aufgrund der Kontraktion des Drahts wird schließlich die in 2 gezeigte Endposition erreicht. Diese Endposition ist auch in 5 angedeutet. Wie man erkennt, schließt nunmehr die Kante 601 die beiden Drahtabschnitte 401 und 402 an entsprechenden Kontaktstellen 12 und 12' kurz, so dass der Widerstand R3 des in 5 links von der Kante 601 liegenden Teils des SMA-Drahts überbrückt wird. Als Folge wird der Widerstand des SMA-Drahts um den Betrag R3 vermindert, d.h. er liegt nur noch bei R = R1 + R2. Dies wird über die Detektionseinheit 20 mittels des Strommessers 21 und des Spannungsmessers 22 erfasst.
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Die Schalter 25 und 26 befinden sich bei der Erfassung dieser Widerstandsverminderung noch in der in 4 gezeigten Schaltstellung. Wird durch die Detektionseinheit 20 dann die Widerstandsverminderung erfasst, nehmen die Schalter 23 und 24 die in 5 gezeigte Schaltstellung ein. Mit anderen Worten wird der Schalter 25 geöffnet und der Schalter 26 geschlossen. Demzufolge wird der SMA-Draht 4 mit der Spannungsquelle 24 verbunden, welche eine wesentlich geringere Spannung als die Spannungsquelle 23 liefert. Typischerweise liegt die Spannung der Spannungsquelle 24 bei etwa 10% bis 50% der Spannung der Spannungsquelle 23.
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Die Reduktion der dem SMA-Draht zugeführten Spannung ist erforderlich, um eine mechanische und thermische Beschädigung des Drahts durch zu hohen Strom zu vermeiden. Die Spannung der Spannungsquelle 24 ist dabei umso niedriger zu wählen, je größer das über die Kante 601 kurzgeschlossene Teilstück des Drahts ist, da ein größeres kurzgeschlossenes Teilstück einen höheren Strom durch den SMA-Draht bedingt. Um ausgehend von 5 wieder in die in 1 gezeigte geschlossene Stellung des Luftanschlusses 3 zurückzukehren, wird schließlich neben dem Schalter 25 auch der Schalter 26 geöffnet, was zu einer Ausdehnung des Drahts und einem Absinken der Ventilklappe 5 führt. Dabei ist zu beachten, dass die Ventilklappe 5 mit nicht gezeigten elastischen Mitteln hin zu ihrer geschlossenen Schaltstellung vorgespannt ist, so dass hierdurch eine Rückstellkraft zur Bewegung der Ventilklappe in die geschlossene Stellung gewährleistet ist.
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In der Ausführungsform der 4 und 5 sowie analog auch in der weiter unten beschriebenen Ausführungsform gemäß 7 und 8 wird bei der Detektion des Erreichens der Endstellung der Ventilklappe 5 ein Strom aus einer Spannungsquelle 24 mit niedrigerer Spannung zugeführt. Alternativ kann der niedrigere Strom jedoch auch durch die Spannungsquelle 23 über teilweise Bestromung des SMA-Drahts in regelmäßigen zeitlichen Abständen mittels eines pulsweitenmodulierten Signals erzeugt werden. Mit anderen Worten erfolgt die Bestromung weiterhin über die Spannungsquelle 23, diese wird jedoch mittels eines pulsweitenmodulierten Signals immer nur zyklisch durch entsprechende Betätigung des Schalters 25 zugeschaltet. Bei dieser Variante muss die Widerstandsmessung immer innerhalb der kurzen Zeitintervalle der Bestromung des SMA-Drahts erfolgen, da ohne Bestromung keine Widerstandsmessung möglich ist.
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6 zeigt in perspektivischer Darstellung eine abgewandelte Variante für die in 1 bis 3 gezeigte Ventilklappe. Im Unterschied zu der Klappe aus 1 bis 3 besteht die Ventilklappe 5' der 6 im Wesentlichen aus einer Blattfeder 13 und einem Dichtelement bzw. Dichtpad 18. Die Blattfeder umfasst ein horizontal verlaufendes Federblatt 14, auf dessen Unterseite das Dichtelement 18 aus weichem Kunststoff angebracht ist. Dieses Dichtelement 18 liegt im geschlossenen Zustand der Ventilklappe 5' auf dem Ventilsitz des Luftanschlusses 3 auf. Die Blattfeder 13 umfasst neben dem Federblatt 14 zwei vertikal nach unten verlaufende Fahnen 15, über welche die Blattfeder an der Grundplatte 8, z.B. durch Einsetzen der Fahnen in Aussparungen der Grundplatte, fixiert wird.
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An der Blattfeder 13 ist ferner ein halbkreisförmiger Abschnitt 16 sowie ein gebogener Abschnitt 17 ausgebildet. Der gebogene Abschnitt 17 mündet in einen Steg bzw. Flügel 602, der eine Ausführungsform eines elektrisch leitfähigen Überbrückungsabschnitts im Sinne der Ansprüche darstellt. Der Steg verläuft quer zu dem SMA-Draht 4, wie deutlich aus 6 ersichtlich ist. Der Draht 4 ist um den halbkreisförmigen Abschnitt 16 der Blattfeder 13 herumgeführt. Der SMA-Draht ist analog wie in 1 bis 3 mit Kontaktpins und einer entsprechenden Leiterplatte verbunden, was nicht aus 6 ersichtlich ist. Die Fahne 15, der halbkreisförmige Abschnitt 16, der gebogene Abschnitt 17 sowie der Steg 602 sind integraler Bestandteil der Blattfeder 13. Sie werden durch Stanzung und Biegung einer entsprechenden Metallplatte ausgebildet.
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Zur Betätigung der Ventilplatte 5' wird der SMA-Draht 4 wiederum mit einem Heizstrom bestromt, was dessen Kontraktion bewirkt. Als Konsequenz wird das Federblatt 14 durch Krafteinwirkung auf den halbkreisförmigen Abschnitt 16 elastisch verformt, so dass es sich anhebt und hierdurch das Dichtelement 18 von dem Luftanschluss 3 entfernt wird. Die Verkippung der Ventilklappe 5' erfolgt somit über elastische Verformung des Federblatts 14 und nicht über eine Verdrehung an einem Scharnier, wie dies in den Ausführungsform der 1 bis 3 der Fall ist. Dies hat den Vorteil, dass über die Flexibilität der Blattfeder eine schälende Abzugsbewegung des Dichtelements 18 von dem Ventilsitz erreicht wird. Dies reduziert die zum Öffnen des Luftanschlusses erforderliche Kraft im Falle eines Klebens des Dichtelements am Ventilsitz.
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7 und 8 zeigen in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Aktuators in dem erfindungsgemäßen Ventil. Die in 7 und 8 gezeigte Detektionseinheit 20 ist analog zu 4 und 5 aufgebaut. Sie dient wiederum dazu, über den Strommesser 21 und den Spannungsmesser 22 den Widerstand des SMA-Drahts 4 zu erfassen, wobei bei der Detektion einer Widerstandsverminderung die Spannungsquelle 23 durch den Schalter 25 getrennt wird und stattdessen die Spannungsquelle 24 mit niedrigerer Spannung durch Schließen des Schalters 26 zugeschaltet wird. In der Ausführungsform der 7 und 8 kann als Ventilklappe die gleiche Ventilklappe wie aus 1 bis 3, jedoch ohne die Blattfeder 6, verwendet werden. In der Ausführungsform der 7 und 8 bezeichnet der Widerstand R1 den Widerstand des Drahtabschnitts 401 zuzüglich der Hälfte des daran anschließenden gebogenen Drahtabschnitts 403. Analog bezeichnet der Widerstand R2 den Widerstand des Drahtabschnitts 402 zuzüglich der Hälfte des daran anschließenden gebogenen Abschnitts 403.
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Der Kurzschluss eines Abschnitts des SMA-Drahts 4 erfolgt in 7 und 8 über eine elektrische Leitung 603. Die elektrische Leitung erstreckt sich von einer Kontaktstelle 11 am rechten Ende des Drahtabschnitts 402 hin zu dem gebogenen Abschnitt 403 des SMA-Drahts 4. Ein Großteil der elektrischen Leitung 603 verläuft dabei parallel zu den beiden Drahtabschnitten 401 und 402. In der in 7 gezeigten Schaltstellung, in der die Ventilklappe geschlossen ist, wird eine vordere Kontaktstelle 12 der Leitung 603 nicht elektrisch kontaktiert. Das Ende der Leitung mit der Kontaktstelle 12 kann z.B. in einer horizontal verlaufenden Bohrung in dem Vorsprung 502 der Ventilklappe 5 aus 1 bis 3 geführt sein. Die Bohrung liegt in der Ebene des SMA-Drahts 4.
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Durch die Zufuhr von Heizstrom über das Schließen des Schalters 25 wird wiederum eine Kontraktion des SMA-Drahts 4 bewirkt. Dies hat eine Verkippung der Ventilklappe 5 zur Folge, woraufhin sich der gebogene Abschnitt 403 hin zu der Kontaktstelle 12 bewegt. Beim Erreichen der Endposition kontaktiert dann der Umlenkpunkt des SMA-Drahts im Bereich des gebogenen Abschnitts 403 die Kontaktstelle 12 der Leitung 603 wie aus 8 ersichtlich ist. Auf diese Weise wird ein elektrischer Kontakt zwischen den Kontaktstellen 11 und 12 hergestellt, so dass der Widerstand R2 des Drahtabschnitts 402 überbrückt wird.
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In der Ausführungsform der 7 und 8 ist zum Kurzschluss eines Abschnitts des SMA-Drahts lediglich eine einzelne Kontaktstelle 12 erforderlich. Im Unterschied hierzu wurden in den Ausführungsformen der 1 bis 6 zwei Kontaktstellen des SMA-Drahts kontaktiert. Ferner ist in der Ausführungsform der 7 und 8 der Überbrückungsabschnitt in der Form der Leitung 603 feststehend, wohingegen sich der Überbrückungsabschnitt in den Ausführungsformen der 1 bis 6 zusammen mit der Ventilklappe bewegt.
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Neben den soeben beschriebenen Varianten der Erfindung sind auch andere Ausgestaltungen möglich. Zum Beispiel kann in Ausführungsform der 7 und 8 anstatt der Ventilklappe 5 auch die in 6 gezeigte Ventilklappe 5' mit Blattfeder genutzt werden, wobei in diesem Fall der gebogene Abschnitt 17 sowie der Steg 602 weggelassen werden.
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Alternativ kann sich zum Beispiel bei der in 6 gezeigten Ventilklappe 5' der Steg 602 nur auf eine Seite hin zu dem Drahtabschnitt 401 oder 402 erstrecken, so dass der SMA-Draht 4 im geöffneten Zustand der Ventilklappe zwischen dem am halbkreisförmigen Abschnitt 16 anliegenden Drahtabschnitt 403 und dem am einseitigen Steg 602 anliegenden Drahtabschnitt 401 oder 402 elektrisch kurzgeschlossen wird.
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Darüber hinaus kann der SMA-Draht auch in anderen Geometrien als in den vorangegangenen Ausführungsformen verlegt sein. Zum Beispiel kann der SMA-Draht auch V-förmig verlaufen. Ebenso kann als SMA-Aktuator ein zu einer Spiralfeder gewickelter Draht und dergleichen verwendet werden. Erfindungswesentlich ist dabei, dass eine Verformung einer Formgedächtnislegierung als Aktuatorprinzip genutzt wird und eine Überbrückung des elektrischen Widerstands eines Abschnitts des SMA-Elements zur Endlagenerkennung verwendet wird.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde davon ausgegangen, dass der SMA-Draht keine Beschichtung aufweist, so dass durch dessen Berührung ein direkter elektrischer Kontakt erzeugt wird. Sollte auf dem SMA-Draht eine nicht-leitende Schicht (z.B. eine Oxidschicht) vorhanden sein, wird an den Stellen, an denen der Draht durch den Überbrückungsabschnitt berührt wird, die Oxidschicht entfernt. Optional kann der SMA-Draht im Bereich der Kontaktierung durch den Überbrückungsabschnitt mit einem leitfähigen Material beschichtet werden, welches vorzugsweise oxidationsgeschützt ist. Ebenso kann durch Realisierung einer geringfügigen Schleifbewegung bei der Kontaktierung des SMA-Drahts mittels des Überbrückungsabschnitts die Robustheit der Kontaktierung verbessert werden.
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Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird auf einfache Weise die Endposition eines SMA-Aktuators mittels eines Überbrückungsabschnitts und der damit einhergehenden Widerstandsänderung des SMA-Drahts bewirkt. Es müssen somit nicht zusätzlich separate Endschalter zur Detektion dieser Endposition und auch keine zusätzlichen elektrischen Anschlüsse vorgesehen werden, was zu erhöhten Kosten führt. Vielmehr kann mit einem einfachen Bauteil, wie z.B. mit einer elektrisch leitfähigen Platte, einem elektrisch leitfähigen Steg oder einer elektrischen Leitung, ein Teil des Drahts kurzgeschlossen werden und hierüber mittels der Erfassung der daraus resultierenden Widerstandsänderung des Drahts die Endposition detektiert werden.
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Im Vorangegangenen wurde die Erfindung anhand eines pneumatischen Ventils erläutert. Nichtsdestotrotz kann die Erfindung ggf. auch allgemein als Fluidventil realisiert sein. In diesem Fall stellt die oben beschriebene Luftkammer eine Fluidkammer dar und der oben beschriebene Luftanschluss ist ein Fluidanschluss. Als Fluid kann anstatt von Luft auch eine Flüssigkeit und insbesondere ein Hydrauliköl eingesetzt werden. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Ventil somit nicht nur ein pneumatisches Ventil, sondern ggf. auch ein hydraulisches Ventil sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktuator
- 100
- Luftkammer
- 2
- Ventilgehäuse
- 3
- Luftanschluss
- 4
- SMA-Draht
- 401, 402
- gerade Drahtabschnitte des SMA-Drahts
- 403
- gebogener Drahtabschnitt des SMA-Drahts
- 5, 5'
- Ventilklappe
- 501
- Ventilplatte
- 502
- Vorsprung
- 6
- Blattfeder
- 601
- gebogene Kante der Blattfeder
- 602
- Steg
- 603
- Leitung
- 7
- Scharnier
- 8
- Grundplatte
- 9
- Kontaktpin
- 10
- Crimp-Element
- R1, R2, R3
- Widerstände
- P
- Pfeile
- 11, 11', 12, 12'
- Kontaktstellen
- 13
- Blattfeder
- 14
- Federblatt
- 15
- Fahnen
- 16
- halbkreisförmiger Abschnitt
- 17
- gebogener Abschnitt
- 18
- Dichtelement
- 20
- Detektionseinheit
- 21
- Strommesser
- 22
- Spannungsmesser
- 23, 24
- Spannungsquellen
- 25, 26
- Schalter
- I
- Strom
- U
- Spannung
