-
Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Ventil.
-
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 – Formgedächtnislegierung). Die SMA-Elemente werden durch Stromfluss und der daraus resultierenden Erwärmung verformt. Nach anschließender Abkühlung können sie wieder in ihre ursprüngliche Form gebracht werden.
-
Häufig werden zum Betätigen von pneumatischen Ventilen SMA-Elemente in der Form von Drähten verwendet. Dabei wird der Aktuatorhub über eine Kontraktion des Drahts mittels Stromzufuhr bewirkt. Um eine hohe Lebensdauer und damit eine hohe Anzahl von Betätigungszyklen zu erreichen, soll die Kontraktion des Drahts bei der Betätigung des Ventils möglichst gering sein. Demzufolge gibt es verschiedene Ansätze, um mittels einer geometrischen Übersetzung die Kontraktion des Drahts in einen größeren Ventilhub umzusetzen.
-
Die Druckschrift
DE 102 57 549 B3 zeigt eine mechanische Reihenschaltung von SMA-Drähten, um den Stellhub eines Ventils zu erhöhen.
-
In den Druckschriften
WO 2015/185132 A1 sowie
WO 2015/086089 A1 sind pneumatische SMA-Ventile gezeigt, bei denen der Hub eines SMA-Drahts über Gelenke in die Bewegung eines Ventilelements umgesetzt wird.
-
Das Dokument
DE 10 2005 060 217 A1 zeigt ein pneumatisches Ventil mit dreiecksförmig gespannten SMA-Drähten, an denen Stößel zum Öffnen und Schließen von Ventilöffnungen angebracht sind.
-
Das Dokument
DE 10 2005 059 081 A1 offenbart einen Drehaktuator mit einem Zugelement aus Formgedächtnislegierung. Der Aktuator setzt eine Zugbewegung des Zugelements in eine Drehbewegung um.
-
Aus dem Stand der Technik sind ferner Elastomer-Aktuatoren bekannt, welche durch Anlegen einer elektrischen Spannung die Kompression eines Elastomers bewirken (siehe z.B.
DE 10 2014 002 739 B3 ).
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach aufgebautes pneumatisches Ventil mit einem SMA-Aktuator zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird durch das pneumatische Ventil gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
-
Das erfindungsgemäße pneumatische Ventil umfasst ein Ventilgehäuse, in dem eine Luftkammer mit einem oder mehreren Luftanschlüssen vorgesehen ist. Zumindest ein Luftanschluss kann mittels eines SMA-Aktuators geöffnet und dichtend geschlossen werden. Der SMA-Aktuator umfasst ein SMA-Element aus einer Formgedächtnislegierung (z.B. einer NiTi-Legierung), welche sich durch Zufuhr eines elektrischen Heizstroms verformt und hierdurch eine vorgegebene Bewegung zumindest einer Dichtfläche zum Öffnen oder Schließen des zumindest eines Luftanschlusses bewirkt. Die Verformung des SMA-Elements wird bei Beendigung der Zufuhr des elektrischen Heizstroms rückgängig gemacht, wodurch eine Umkehrung der vorgegebenen Bewegung der zumindest einer Dichtfläche bewirkt wird.
-
Der SMA-Aktuator des erfindungsgemäßen Ventils umfasst einen elastischen Körper aus einem Elastomer, d.h. aus einem formfesten, jedoch elastisch verformbaren Kunststoff, wie z.B. Gummi oder Silikon. Das SMA-Element wechselwirkt derart mit dem elastischen Körper, dass das SMA-Element durch seine Verformung bei Zufuhr des Heizstroms eine Druckkraft auf eine vorbestimmte Fläche des elastischen Körpers ausübt, wobei die ausgeübte Druckkraft eine Ausdehnung des elastischen Körpers und hierdurch die vorgegebene Bewegung der zumindest einen Dichtfläche bewirkt.
-
Das erfindungsgemäße Ventil weist den Vorteil auf, dass auf einfache Weise die Wandlung der Verformung eines SMA-Elements in einen Ventilhub mittels eines Elastomers erreicht werden kann. Hierdurch wird ein einfach und kompakt aufgebautes Ventil geschaffen.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils ist die vorbestimmte Fläche, auf welche das SMA-Element die Druckkraft ausübt, eine Umfangsfläche um eine vorgegebene Achse des elastischen Körpers, wobei die Umfangsfläche vorzugsweise zylindrisch ist. Das SMA-Element ist dabei um die Umfangsfläche angeordnet, wobei die ausgeübte Druckkraft des SMA-Elements eine Ausdehnung des elastischen Körpers in Richtung der vorgegebenen Achse bewirkt.
-
In einer bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform ist um die Umfangsfläche des elastischen Körpers eine flexible Hülse angeordnet, welche vorzugsweise zylindrisch ausgestaltet ist. An der Außenseite dieser Hülse liegt das SMA-Element an, wobei das SMA-Element durch seine Verformung eine Kontraktion der flexiblen Hülse bewirkt und hierdurch die Druckkraft auf den elastischen Körper ausübt. Hierdurch wird ein gleichmäßiger Kraftübertrag von dem SMA-Element auf den elastischen Körper erreicht. Die Flexibilität der elastischen Hülse kann auf verschiedene Weise erreicht werden. In einer bevorzugten Variante umfasst die flexible Hülse einen oder mehrere Schlitze, welche derart angeordnet sind, dass sich ein jeweiliger Schlitz bei Verformung des SMA-Elements verkleinert und hierdurch zu der Kontraktion der flexiblen Hülse führt.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das SMA-Element des SMA-Aktuators einen SMA-Draht, der um die vorbestimmte Fläche des elastischen Körpers gewickelt ist, wobei sich der SMA-Draht bei Zufuhr des Heizstroms kontrahiert.
-
Vorzugsweise ist das SMA-Draht auf der oben beschrieben flexiblen Hülse aufgewickelt. Mit dieser Variante der Erfindung wird ein besonders kompakter Aufbau des SMA-Aktuators erreicht.
-
Je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils kann eine Dichtfläche an verschiedenen Stellen im Ventil angeordnet sein. In einer besonders bevorzugten Variante umfasst eine Dichtfläche eine Fläche des elastischen Körpers. Auf diese Weise übernimmt der elastische Körper auch eine Dichtfunktion im Ventil. Sofern das Ventil als die zumindest eine Dichtfläche mehrere Dichtflächen umfasst, bezieht sich der soeben und auch weiter unten verwendete Begriff „eine Dichtfläche“ auf eine dieser Dichtflächen. Sofern das Ventil als zumindest eine Dichtfläche jedoch nur eine einzelne Dichtfläche umfasst, bezieht sich der Begriff „eine Dichtfläche“ auf diese einzelne Dichtfläche.
-
In einer besonders bevorzugten Variante umfasst eine Dichtfläche zumindest einen Teil einer Stirnfläche, welche die Umfangsfläche des elastischen Körpers begrenzt. Dabei ist es auch denkbar, dass zwei oder mehr Stirnflächen ganz oder teilweise als Dichtflächen vorgesehen sind. Das Ventil kann dabei derart ausgestaltet sein, dass die ausgeübte Druckkraft des SMA-Elements eine Ausdehnung der gesamten Stirnfläche bewirkt. Nichtsdestotrotz ist es auch möglich, dass die ausgeübte Druckkraft des SMA-Elements nur eine Ausdehnung eines Teilbereichs der Stirnfläche bewirkt. Für eine Stirnfläche, bei der sich nur ein Teilbereich ausdehnt, wird der nicht zum Teilbereich gehörige Abschnitt der Stirnfläche in seiner Ausdehnung, vorzugsweise durch einen Anschlag, begrenzt. Dieser Anschlag ist in einer bevorzugten Variante eine Innenfläche des Ventilgehäuses. Durch die Ausdehnung der Stirnfläche nur in einem Teilbereich kann auf einfache Weise eine Vergrößerung des Ventilhubs erreicht werden.
-
Je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils kann der elastische Körper als Vollkörper oder ggf. auch als Körper mit einem Hohlraum ausgestaltet sein. Der Hohlraum wird vorzugsweise durch eine starre Hülse gestützt, so dass die Druckkraft des SMA-Elements nicht den Hohlraum komprimiert, sondern weiterhin eine Ausdehnung des Elastomers, vorzugsweise an wenigstens einer Stirnseite des Elastomers, bewirkt.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Ventil einen Stößel, an dem eine Dichtfläche angeordnet ist. Diese Dichtfläche ist somit nicht Bestandteil des elastischen Körpers.
-
In einer besonders bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform umfasst der elastische Körper einen Hohlraum, in dem der Stößel geführt ist, wobei ein vorbestimmter Abschnitt des Stößels mit dem elastischen Körper derart wechselwirkt, dass die Ausdehnung des elastischen Körpers eine Verschiebung des Stößels und hierdurch die vorgegebene Bewegung der Dichtfläche zum Öffnen oder Schließen des zumindest einen Luftanschlusses bewirkt.
-
Vorzugsweise ist in dem Hohlraum des elastischen Körpers eine starre Hülse angeordnet, welche einen Teil des Stößels aufnimmt, wodurch verhindert wird, dass der Stößel aufgrund der Ausdehnung des elastischen Körpers nicht mehr bewegbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann der oben genannte vorbestimmte Abschnitt des Stößels in einer Hinterschneidung des elastischen Körpers gehalten sein. Hierdurch kann erreicht werden, dass der elastische Körper eine Rückstellkraft für den Stößel hin zu der Ventilstellung bei unbestromtem SMA-Element erzeugt.
-
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.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
-
Es zeigen:
-
1 eine Schnittansicht in Längsrichtung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils;
-
2 eine Schnittansicht in Querrichtung des in 1 gezeigten Ventils;
-
3 eine Schnittansicht in Längsrichtung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils in geöffneter Schaltstellung;
-
4 eine Schnittansicht in Längsrichtung des Ventils aus 3 in geschlossener Schaltstellung;
-
5 eine Schnittansicht in Längsrichtung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils; und
-
6 eine Schnittansicht in Längsrichtung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines pneumatischen Ventils beschrieben, welches im geöffneten Zustand den Luftstrom einer Druckluftzufuhr zu einer elastischen Luftblase in einer Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Kraftfahrzeugsitzes leitet. Nichtsdestotrotz ist die Erfindung nicht auf diesen Einsatzzweck beschränkt und die im Folgenden beschriebenen Ventile können auch in beliebigen anderen Anwendungen zum Einsatz kommen.
-
1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils in einem Längsschnitt, wobei einige Komponenten außerhalb der Schnittebene wiedergegeben sind. Das Ventil umfasst ein druckdichtes Ventilgehäuse 2 mit einem quaderförmigen Oberteil 201, welches an seiner Unterseite durch einen Boden 202 dichtend verschlossen ist. In dem Oberteil 201 sind die beiden Luftanschlüsse 3 und 3' vorgesehen. Der Luftanschluss 3 stammt von einer Luftdruckzufuhr, was durch den Pfeil P angedeutet ist. Der Luftanschluss 3' stellt einen Arbeitsanschluss dar und führt zu der oben erwähnten elastischen Luftblase, was durch den Pfeil A angedeutet wird. Das Ventil der 1 ist ein 2/2-NO-Ventil (NO = Normally Open), welches im nicht aktivierten Zustand geöffnet ist und die Luftanschlüsse 3 und 3' freigibt, so dass Druckluft in die elastische Luftblase strömen kann. In 1 ist die geöffnete Ventilstellung wiedergegeben.
-
Innerhalb des Ventilgehäuses 2 ist eine druckdicht gegenüber der Umgebung abgeschlossene Luftkammer 100 ausgebildet, in der sich ein SMA-Aktuator 1 zum Öffnen bzw. Schließen des Luftanschlusses 3 befindet. Der Aktuator umfasst einen zylindrischen elastischen Körper 6, der aus einem Elastomer, wie z.B. Gummi oder Silikon, besteht. Der Körper ist durch Druckausübung verformbar, nimmt bei Wegnahme des Drucks jedoch seine ursprüngliche Form wieder an. Der elastische Körpers 6 umfasst eine Umfangsfläche 8 und die Längsachse des Körpers fällt mit der Längsachse AX des Ventils zusammen. Die Umfangsfläche 8 des Körpers 6 ist auf der rechten Seite durch eine Stirnfläche 7 und auf der linken Seite durch eine Stirnfläche 7'' begrenzt. Die Stirnfläche 7 weist auf eine rechte Innenfläche 204 des Gehäuses 2 und die Stirnfläche 7'' weist auf eine linke Innenfläche 203 des Gehäuses 2. In der Ausführungsform der 1 stellt die Stirnfläche 7 eine Dichtfläche im Sinne der Patentansprüche dar.
-
Um die Umfangsfläche 8 des elastischen Körpers 6 ist eine flexible Hülse 5 angeordnet, deren Flexibilität durch einen Schlitz in deren Längsrichtung gewährleistet wird, wie weiter unten anhand von 2 beschrieben wird. Die flexible Hülse hat eine zylindrische Form und besteht aus einem nicht-leitenden Material (z.B. Kunststoff). Um die flexible Hülse ist ein SMA-Element in der Form eines SMA-Drahts 4 gewickelt, der aus einer an sich bekannten Formgedächtnislegierung besteht. Die beiden Enden der Drahtwicklung (nicht aus 1 ersichtlich) sind fest mit Kontaktpins 9 bzw. 9' verbunden, welche im Boden 202 des Gehäuses 2 fixiert sind und druckdicht nach außen zu einer Leiterplatte 10 eingeführt werden. Die Leiterplatte 10 enthält elektronische Bauelemente zur Ansteuerung des pneumatischen Ventils. Über die Kontaktpins 9 und 9' wird dem SMA-Draht 4 zur Betätigung des Ventils ein Heizstrom zugeführt. Hierfür wird an die Kontaktpins z.B. die Spannung vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs angelegt.
-
In 1 ist das Ventil im unbestromten Zustand des SMA-Drahts 4 gezeigt. In diesem Zustand befindet sich die Stirnseite 7 des elastischen Körpers 6 in einem Abstand vor der Öffnung des Luftanschlusses 3, so dass Druckluft aus der Druckluftzufuhr in die elastische Luftblase über die Anschlüsse 3 und 3' fließen kann. Wird dem SMA-Draht über die Kontaktpins 9 und 9' Heizstrom zugeführt, zieht sich dieser zusammen. Dies führt auch zu einem Zusammenziehen der flexiblen Hülse 5 und damit zu einer Ausübung einer Druckkraft auf die Umfangsfläche 8 des elastischen Körpers 6. Da das Elastomer des elastischen Körpers nur geringfügig kompressibel ist, bewirkt die Kontraktion des SMA-Drahts 4 neben der Verringerung des Durchmessers des elastischen Körpers 6 auch eine Ausdehnung des Körpers entlang der Achse AX. Da die Stirnseite 7'' des Körpers 6 an der linken Innenfläche 203 anschlägt, kann sich das Elastomer nur in Richtung hin zu dem Luftanschluss 3 ausdehnen, so dass sich die Stirnfläche 7 hin zu dem Luftanschluss 3 bewegt und diesen schließlich verschließt. Diese geschlossene Ventilstellung ist in 1 durch die gestrichelte Linie L angedeutet.
-
Mit der Ausführungsform der 1 wird durch eine geeignete Kombination eines Elastomer-Körpers mit einem SMA-Draht ein ausreichender Ventilhub zum Öffnen bzw. Schließen eines Luftanschlusses gewährleistet. Bei einer Längenkontraktion des SMA-Drahts 4 von z.B. 1% ergibt sich eine Reduktion des Durchmessers des zylindrischen elastischen Körpers 6 auch um 1% und damit eine Abnahme der Querschnittsfläche der Stirnseite 7 um ca. 2%. Das Elastomer weicht in dem Ventil der 1 hin zu der Stirnseite 7 des zylindrischen Körpers aus, wodurch eine Längenzunahme von ebenfalls ca. 2% bewirkt wird. Demzufolge wird eine geometrische Übersetzung der Kontraktion des SMA-Drahts 4 in einen vergrößerten Hub der Stirnfläche 7 des Elastomer-Körpers 6 erreicht.
-
2 zeigt eine Schnittansicht senkrecht zur Achse AX durch das Ventil der 1. Man erkennt aus 2 insbesondere, dass die flexible Hülse 5 an ihrem höchsten Punkt einen Schlitz 501 aufweist, der sich in deren Längsrichtung erstreckt. Durch Kontraktion des SMA-Drahts wird eine Biegung der Hülse und damit eine Verkleinerung des Schlitzes 501 bewirkt. Die flexible Hülse besteht dabei auch aus einem elastischen Material und nimmt wieder ihre ursprüngliche Form an, sobald der Draht nicht mehr durch Heizstrom komprimiert wird. Aus 2 erkennt man ferner die beiden unteren Enden 401 und 402 des SMA-Drahts, die nicht im Schnitt der 1 dargestellt sind. Diese Enden sind an den jeweiligen Kontaktpins 9 und 9' befestigt, so dass der Draht über die Kontaktpins fest im Gehäuse 2 gehalten wird.
-
Nachfolgend werden anhand von 3 bis 6 weitere Varianten des erfindungsgemäßen Ventils beschrieben. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Bauteile wie in dem Ventil der ersten Ausführungsform gemäß 1 und 2.
-
In 3 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils im Längsschnitt wiedergegeben. Das Ventil ist weitestgehend genauso wie das Ventil der 1 aufgebaut. Insbesondere umfasst das Ventil analog zu 1 einen zylindrischen elastischen Körper 6, auf dem sich eine flexible Hülse 5 befindet, um welche ein SMA-Draht 4 gewickelt ist. Ebenso sind im Ventilgehäuse 2 entsprechende Luftanschlüsse 3 und 3' vorgesehen. Der wesentliche Unterschied zwischen dem Ventil der 1 und dem Ventil der 3 besteht darin, dass das Gehäuse 2 im Bereich der Luftanschlüsse 3 und 3' anders ausgestaltet ist. Wie man aus 3 erkennt, ist eine zylindrische Ausnehmung 20 in der Innenfläche 204 des Gehäuses 2 ausgebildet. Am Boden der Ausdehnung befindet sich das linke Ende des Luftanschlusses 3. Darüber hinaus ist im Gehäuse 2 ein Luftkanal 205 ausgebildet, der sich von einer Öffnung im Boden der Ausnehmung 20 hin zu dem linken Ende des Luftanschlusses 3' erstreckt. In dem in 3 gezeigten unbestromten Zustand des SMA-Drahts 4 verbindet der Kanal 205 die Luftanschlüsse 3 und 3', wodurch Luft von der Luftdruckzufuhr hin zu der elastischen Luftblase strömt, was durch Pfeile P' angedeutet ist.
-
In dem Ventil der 3 liegt die Innenfläche 204 im geöffneten Zustand des Ventils direkt an einem ringförmigen Außenbereich der Stirnfläche 7 des elastischen Körpers 6 an. Der ringförmige Außenbereich ist dabei um die Ausdehnung 20 angeordnet. Es wird somit durch die Innenfläche 204 ein Anschlag für den ringförmigen Außenbereich der Stirnfläche 7 gebildet. Auf diese Weise wird die stirnseitige Austrittsfläche des Elastomers des Körpers 6 gegenüber dem übrigen Querschnitt des elastischen Körpers verjüngt. Zum Beispiel ist der Durchmesser der verjüngten Austrittsfläche etwa halb so groß wie der Gesamtdurchmesser der Stirnfläche 7.
-
Die Konsequenz der Verjüngung der Austrittsfläche wird aus 4 ersichtlich. Diese Figur zeigt die gleiche Schnittansicht wie 3, jedoch ist der SMA-Draht 4 nunmehr mit Heizstrom bestromt. Als Folge kontrahiert sich der Draht 4 und die elastische Hülse 5, woraufhin sich das Elastomer des elastischen Körpers 6 in Richtung der Achse AX nach rechts ausdehnt. Aufgrund des Anschlags im Randbereich der Stirnfläche 7 tritt das Elastomer nunmehr nur noch über die Fläche der zylindrischen Ausnehmung 10 aus dem Körper 6 aus. Das austretende Volumen entspricht bei gleicher Kontraktion des SMA-Drahts dem gleichen Volumen, das auch in der Ausführungsform der 1 austritt. Im Falle der oben beschriebenen Kontraktion des SMA-Drahts um 1% tritt somit 2% des gesamten Elastomervolumens aus. Aufgrund des kleineren Querschnitts der Austrittsfläche, der bei einer Verjüngung um den halben Durchmesser nur noch 25% des Querschnitts der gesamten Stirnfläche beträgt, führt dies zu einem entsprechend vergrößerten Hub. In dem gerade beschriebenen Beispiel vergrößert sich der Hub in der Ausführungsform der 3 und 4 um den Faktor 4 im Vergleich zur Ausführungsform der 1 und 2, d.h. es wird eine Längenzunahme des Elastomers um 8% erreicht.
-
Wie in 4 dargestellt, führt die Ausdehnung des Elastomers dazu, dass die Ausnehmung 20 mit Elastomer gefüllt wird, wodurch das linke Ende des Luftanschlusses 3 verschlossen wird und hierdurch die Luftströmung zwischen der Druckluftzufuhr und der elastischen Luftblase unterbrochen wird. In der Ausführungsform der 3 und 4 stellt dabei lediglich der Bereich der Stirnfläche 7, welcher sich in die Ausnehmung 10 des Gehäuses ausdehnt, eine Dichtfläche im Sinne der Patentansprüche dar.
-
5 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils im Längsschnitt. Im Unterschied zur ersten und zweiten Ausführungsform, welche ein 2/2-NO-Ventil betreffen, ist das Ventil der 5 ein 2/2-NC-Ventil (NC = Normally Closed). Der Aktuator 1 dieses Ventils umfasst analog zu den vorangegangenen Ausführungsformen einen SMA-Draht 4, der um eine flexible Hülse 5 gewickelt ist, die wiederum an einem Elastomer-Körper 6 anliegt. Anders als in den vorangegangenen Ausführungsformen ist der elastische Körper 6 nunmehr jedoch kein Vollzylinder mehr, sondern er weist in seiner Mitte einen zylindrischen Hohlraum auf. In diesem Hohlraum ist eine starre Hülse 15 eingesetzt, so dass sich der Querschnitt des Hohlraums bei einer Verformung des Elastomers nicht verändert. Die rechte Stirnseite 7 des Körpers 6 liegt in der Ausführungsform der 5 an der Innenfläche 204 an, wohingegen das linke Ende des elastischen Körpers 6 an einem Vorsprung der Hülse 5 anliegt.
-
Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsformen ist die entsprechende Dichtfläche zum Öffnen bzw. Schließen des Luftanschlusses 3 nicht mehr an der Stirnfläche 7 des Elastomer-Körpers 6 vorgesehen. Vielmehr wird die Dichtwirkung über ein separates Dichtelement 12 mit zugeordneter Dichtfläche 7' bewirkt. Dieses Dichtelement ist Bestandteil eines Stößels 11, der eine zylindrische Stange 13 umfasst, die in der starren Hülse 15 geführt ist. Am rechten Ende der Stange 13 befindet sich das soeben genannte Dichtelement 12, wohingegen am linken Ende der Stange 13 ein zylindrischer Endabschnitt 14 befestigt ist, dessen äußerer Umfangsbereich in einer Hinterschneidung 16 im elastischen Körper 6 aufgenommen ist.
-
Das Gehäuse 2 des Ventils der 5 umfasst einen inneren, vertikal verlaufenden Gehäuseabschnitt, an dem sich eine Öffnung befindet. Die linke Seite des Gehäuseabschnitts stellt die Innenfläche 204 dar. Über die Öffnung des Gehäuseabschnitts wird der Stößel 11 zu einem separaten Bereich 101 innerhalb der Luftkammer 100 geführt. Dieser Bereich stellt in geöffnetem Zustand des Ventils eine Verbindung zwischen dem Luftanschluss 3 und dem Luftanschluss 3' her.
-
In 5 ist das Ventil im unbestromten Zustand des SMA-Drahts 4 gezeigt. In diesem Zustand ist der Luftanschluss 3 über die Dichtfläche 7' des Dichtelements 12 geschlossen. Bei Bestromung kommt es wiederum zu einer Kontraktion des Drahts 4 und der elastischen Hülse 5. Als Konsequenz dehnt sich das Elastomer an der Hinterschneidung 16 nach links aus, was zur Folge hat, dass der Endabschnitt 14 des Stößels 11 nach links gezogen wird, was durch die gestrichelte Linie L' in 5 angedeutet ist. Demzufolge löst sich das Dichtelement 12 von dem Düsensitz des Luftanschlusses 3, wodurch der Luftanschluss 3 freigegeben wird und somit eine Luftströmung von der Druckluftzufuhr hin zu der Luftblase erreicht wird. Durch die Anordnung des Endabschnitts 14 in der Hinterschneidung 16 wird sichergestellt, dass der Stößel 11 durch das Elastomer wieder in seine abdichtende Position bewegt wird, wenn nach Beendigung der Bestromung des SMA-Drahts 4 der elastische Körper 6 wieder seine ursprüngliche Form annimmt. Mit anderen Worten wird hierdurch eine Rückstellkraft durch den elastischen Körper auf den Stößel aufgebracht. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass hierzu eine unabhängige Feder oder dergleichen verwendet wird.
-
6 zeigt im Längsschnitt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Ventils. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsformen befinden sich die beiden Luftanschlüsse 3 und 3' nunmehr auf gegenüberliegenden Seiten des Ventilgehäuses 2. In Analogie zu den anderen Ausführungsformen ist wieder ein SMA-Aktuator 1 mit einem SMA-Draht 4 vorgesehen, der unter Zwischenschaltung einer flexiblen Hülse 5 um einen Elastomer-Körper 6 angeordnet ist. Der Elastomer-Körper ist dabei mittig zwischen den beiden Luftanschlüssen 3 und 3' positionier. In dem in 6 gezeigten unbestromten Zustand des SMA-Drahts 4 weisen die beiden Stirnflächen 7 und 7'' des Körpers 6 einen vorbestimmten Abstand zu dem Luftanschluss 3 bzw. dem Luftanschlus 3' auf. Es wird somit über die Luftkammer 100 eine Verbindung zwischen den beiden Luftanschlüssen 3 und 3' hergestellt. Demzufolge befindet sich das Ventil in der offenen Schaltstellung, d.h. es handelt sich um ein 2/2-NO-Ventil.
-
Bei Bestromung des SMA-Drahts 4 kommt es aufgrund der Druckausübung auf den elastischen Körper 6 zu dessen Ausdehnung in Längsrichtung. Als Folge kommen die beide Stirnflächen 7 und 7'' mit den Luftanschlüssen 3 und 3' in Kontakt, so dass diese Luftanschlüsse verschlossen werden, was in 6 durch gestrichelte Linien L'' angedeutet ist. Somit stellen die beide Stirnflächen 7 und 7'' in der Ausführungsform der 6 entsprechende Dichtflächen im Sinne der Patentansprüche dar.
-
Neben den soeben beschriebenen Ausführungsformen sind auch noch weitere Varianten zur Umsetzung der Erfindung möglich. Insbesondere kann der elastische Körper 6 nicht durch einen elastischen SMA-Drahts, sondern durch eine zylindrische Hülse aus SMA-Material umschlossen sein. Diese Hülse kontrahiert sich bei Stromdurchleitung und bewirkt wiederum eine Ausdehnung des elastischen Körpers. In diesem Fall entfällt die Notwendigkeit einer zusätzlichen flexiblen Hülse zwischen dem SMA-Element und dem elastischen Körper.
-
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird ein kostengünstiges Ventil mit SMA-Technologie geschaffen, welches ein SMA-Element mit einem Elastomer-Körper kombiniert. Durch die Verwendung des Elastomer-Körpers kann eine robuste mechanische Übersetzung ohne Achsen und Hebel erreicht werden. Darüber hinaus wird das Elastomer auch dazu genutzt, eine Rückstellkraft zur Bewegung des SMA-Elements in seine ursprüngliche Lage zu erzeugen, wenn das SMA-Element nicht mehr bestromt wird.
-
Der elastische Körper muss nicht zwangsläufig eine zylindrische Form aufweisen. Vielmehr kann der Körper auch einen elliptischen, rechteckigen (insbesondere quadratischen) oder auch einen vieleckigen (insbesondere sechseckigen) Querschnitt aufweisen.
-
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 die oben beschriebenen Luftanschlüsse sind Fluidanschlüsse. 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.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- SMA-Aktuator
- 2
- Ventilgehäuse
- 100
- Luftkammer
- 101
- separater Bereich der Luftkammer
- 201
- Oberteil des Ventilgehäuses
- 202
- Boden des Ventilgehäuses
- 203, 204
- Innenfläche des Ventilgehäuses
- 205
- Kanal im Ventilgehäuse
- 3, 3'
- Luftanschlüsse
- 4
- SMA-Draht
- 401, 402
- Enden des SMA-Drahts
- 5
- flexible Hülse
- 501
- Schlitz
- 6
- elastischer Körper
- 7, 7''
- Stirnflächen des elastischen Körpers
- 7'
- Dichtfläche eines Dichtelements
- 8
- Umfangsfläche des elastischen Körpers
- 9, 9'
- Kontaktpins
- 10
- Leiterplatte
- 11
- Stößel
- 12
- Dichtelement
- 13
- Stange des Stößels
- 14
- Endabschnitt des Stößels
- 15
- starre Hülse
- 16
- Hinterschneidung
- 20
- Ausnehmung
- L, L', L''
- Linien
- A, P, P'
- Pfeile
- AX
- Achse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10257549 B3 [0004]
- WO 2015/185132 A1 [0005]
- WO 2015/086089 A1 [0005]
- DE 102005060217 A1 [0006]
- DE 102005059081 A1 [0007]
- DE 102014002739 B3 [0008]
