DE102016225519A1

DE102016225519A1 - Pneumatisches Ventil

Info

Publication number: DE102016225519A1
Application number: DE102016225519.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Beuschel; Stefan Bauer
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: CN110100125A; US20200378516A1; US11047497B2; WO2018114572A1; CN110100125B; DE102016225519B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Ventil, umfassend eine Luftkammer (100) mit einem Luftanschluss (3) sowie einen Aktuator (1) mit einem beweglichen Absperrelement (5, 5') und mit einem SMA-Element (4) aus einer Formgedächtnislegierung, welches mechanisch an das bewegliche Absperrelement (5, 5') gekoppelt ist, wobei zur Betätigung des Aktuators (1) dem SMA-Element (4) eine elektrische Heizleistung zuführbar ist, woraufhin sich das SMA-Element (4) verformt und hierdurch eine vorgegebene Bewegung des Absperrelements (5, 5') zum Öffnen oder Schließen des Luftanschlusses (3) bewirkt. Der Aktuator (1) umfasst eine Detektionseinheit (20), um bei Betätigung des Aktuators (1) ein Erreichen und ein Verlassen einer Endposition (EP) des Absperrelements (5, 5') zu detektieren. Ferner umfasst der Aktuator (1) eine Steuereinrichtung (30), welche derart ausgestaltet ist, dass sie bei Betätigung des Aktuators die aktuelle Zykluszeit (CL, CL') zwischen einem Verlassen und dem nächsten Erreichen der Endposition durch das Absperrelement erfasst und den Unterschied zwischen einem ersten und einem zweiten Leistungswert (L1, L2) der dem SMA-Element zugeführten elektrischen Heizleistung verringert, falls die aktuelle Zykluszeit eine erste Soll-Zykluszeit (CL1) unterschreitet, sowie den Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Leistungswert erhöht, falls die aktuelle Zykluszeit eine zweite Soll-Zykluszeit (CL2), welche größer gleich der ersten Soll-Zykluszeit (CL1) ist, überschreitet.

Description

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). Die SMA-Elemente werden durch Stromfluss und der daraus resultierenden Erwärmung verformt. Nach anschließender Abkühlung können sie wieder in ihre ursprüngliche Form gebracht werden.
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. Dem-zufolge ist für einen SMA-Aktuator in der Regel eine End-position vorgegeben, welche bei dessen Betätigung durch Stromzufuhr erreicht wird und die nicht überschritten werden soll.
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. Aufgrund der reduzierten Heizleistung wird die Endposition verlassen, woraufhin die Heizleistung wieder heraufgesetzt wird, damit die gewählte Schaltstellung des Ventils beibehalten wird. Es kommt so-mit bei der Betätigung des SMA-Aktuators zu einer Vielzahl von Mikroschaltvorgängen, welche zu einem erhöhten mechanischen Verschleiß und zu störenden Schaltgeräuschen führen.
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.
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 ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein pneumatisches Ventil mit einem SMA-Aktuator zu schaffen, welches die mechanische Belastung des SMA-Aktuators bei dessen Betätigung reduziert.
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 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. Zur Betätigung des Aktuators wird dem SMA-Element eine elektrische Heizleistung zugeführt, wo-rauf sich das SMA-Element in an sich bekannter Weise verformt und hierdurch eine vorgegebene Bewegung des Absperrelements zum Öffnen oder Schließen des Luftanschlusses bewirkt wird. Die Verformung des SMA-Elements wird bei Beendigung der Zufuhr der elektrischen Heizleistung rückgängig gemacht, wodurch eine Umkehrung der vorgegebenen Bewegung des SMA-Elements bewirkt wird.
Der Aktuator des erfindungsgemäßen Ventils umfasst eine Detektionseinheit, um bei Betätigung des Aktuators ein Erreichen und ein Verlassen der Endposition des Absperrelements zu detektieren. Darüber hinaus ist in dem Aktuator eine Steuereinrichtung vorgesehen, wobei die Detektionseinheit gegebenenfalls Bestandteil der Steuereinrichtung sein kann. Die Steuereinrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie bei Betätigung des Aktuators die elektrische Heizleistung, die dem SMA-Element zugeführt wird, auf einen ersten Leistungswert einstellt, wenn sich gemäß der Detektion der Detektionseinheit das Absperrelement nicht in der Endposition befindet, und dass sie bei Betätigung des Aktuators die elektrische Heizleistung auf einen zweiten Leistungswert einstellt, wenn sich gemäß der Detektion der Detektionseinheit das Absperrelement in der Endposition befindet. Der zweite Leistungswert ist dabei niedriger als der erste Leistungswert.
Die Steuereinrichtung des Aktuators ist ferner derart ausgestaltet, dass sie bei Betätigung des Aktuators die aktuelle Zykluszeit zwischen einem Verlassen und einem nächsten Erreichen der Endposition durch das Absperrelement oder ein Maß für die aktuelle Zykluszeit erfasst und den Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungswert verringert, falls die aktuelle Zykluszeit eine erste Soll-Zykluszeit unterschreitet, sowie den Zustand zwischen dem ersten und zweiten Leistungswert erhöht, falls die aktuelle Zykluszeit eine zweite Soll-Zykluszeit überschreitet. Die zweite Soll-Zykluszeit ist dabei größer gleich der ersten Soll-Zykluszeit. In einer Variante der Erfindung entspricht die zweite Soll-Zykluszeit der ersten Soll-Zykluszeit.
Der obige Begriff des Maßes für die aktuelle Zykluszeit ist derart zu verstehen, dass anstatt der direkten Erfassung der aktuellen Zykluszeit auch eine Größe erfasst werden kann, die unmittelbar mit der aktuellen Zykluszeit korreliert, wie z.B. die entsprechende Frequenz. Zur Verringerung bzw. Erhöhung des Unterschieds zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungswert kann dann das Unterschreiten bzw. Überschreiten der ersten bzw. zweiten Soll-Zykluszeit basierend auf dem Überschreiten bzw. Unterschreiten entsprechender Soll-Frequenzen detektiert werden.
Das erfindungsgemäße Ventil weist den Vorteil auf, dass die Schaltfrequenzen eines SMA-Aktuators über Steuerung der Leistungszufuhr zu dem SMA-Element geeignet begrenzt werden, so dass die Häufigkeit der Mikroschaltvorgänge bei betätigtem Aktuator und hierdurch dessen Verschleiß gering gehalten werden. Ferner können die Schaltgeräusche des Aktuators vermindert werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die erste Soll-Zykluszeit und/oder die zweite Soll-Zykluszeit zwischen 10 ms und 100 ms, insbesondere zwischen 20 ms und 50 ms. Derartige Zykluszeiten entsprechen Schaltfrequenzen, welche aufgrund der menschlichen Hörkurve als weniger laut und damit als weniger störend empfunden werden.
Je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils kann die Verringerung und Erhöhung des Unterschieds zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungswert auf unterschiedliche Weise bewirkt werden. Insbesondere kann diese Verminderung bzw. Erhöhung über eine ausschließliche Veränderung des ersten Leistungswerts oder über eine ausschließliche Veränderung des zweiten Leistungswerts oder durch Veränderung sowohl des ersten als auch des zweiten Leistungswerts erreicht werden.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Ventils erfolgt die Verringerung und Erhöhung des Unterschieds zwischen dem ersten und zweiten Leistungswert zeitlich kontinuierlich, d.h. bei Unterschreiten der ersten Soll-Zykluszeit bzw. bei Überschreiten der zweiten Soll-Zykluszeit wird der Unterschied basierend auf einer stetigen Funktion, wie z.B. einer linearen Funktion, in Abhängigkeit von der Zeit verändert. Nichtsdestotrotz ist es erfindungsgemäß auch möglich, den Unterschied zwischen dem ersten Leistungswert und dem zweiten Leistungswert zeitlich diskret, d.h. stufenweise, zu verringern bzw. zu erhöhen.
Erfindungsgemäß kann die Verringerung bzw. Erhöhung des Unterschieds der Leistungswerte unterschiedlich bewirkt werden. Insbesondere kann dies durch eine Variation der dem SMA-Element zugeführten Spannung oder durch eine Variation des dem SMA-Element zugeführten Stroms erreicht werden. Zur Variation der Spannung bzw. des Stroms kann z.B. Pulsweitenmodulation genutzt werden.
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.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Ventils ist dessen Aktuator derart ausgestaltet, 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. 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.
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. Ferner ist die Detektionseinrichtung dazu eingerichtet, die Beendigung der Verminderung des Widerstands des SMA-Elements zu erfassen, wodurch das Verlassen der Endposition des Absperrelements detektiert wird. Vorzugsweise wird beim Erreichen der Endposition ein direkter mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen dem Überbrückungsabschnitt und dem SMA-Element an zumindest einer Kontaktstelle hergestellt.
Die soeben beschriebene Ausführungsform 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.
In einer besonders bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform 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.
In einer weiteren Variante 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.
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.
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.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils ist das SMA-Element ein SMA-Draht, der durch Zufuhr der elektrischen Heizleistung 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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 ein Diagramm, das eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ansteuerung zur Verminderung von Mikroschaltvorgängen wiedergibt;
7 eine perspektivische Darstellung einer abgewandelten Variante einer im erfindungsgemäßen Ventil verwendeten Ventilklappe; und
8 und 9 schematische Darstellungen, welche die Detektion der Endposition mittels einer Detektionseinheit für eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils verdeutlichen.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
Zum Öffnen des Luftanschlusses 3 wird dem Draht 4 über die Kontaktpins 9 Heizstrom bzw. Heizleistung 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. In der weiter unten beschriebenen 6 ist diese Endposition durch das Bezugszeichen EP verdeutlicht. In der Endposition ist 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.
Als Folge der soeben beschriebenen Überbrückung vermindert sich der Widerstand des SMA-Drahts 4, was mittels einer Detektionseinheit 20 detektiert wird, die mit einer Steuereinrichtung 30 wechselwirkt, wie nachfolgend anhand von 4 bis 6 erläutert wird.
4 zeigt in schematischer Darstellung die geschlossene Stellung des Aktuators gemäß 1. Dabei ist zusätzlich die Detektionseinheit 20 und die Steuereinrichtung 30 wiedergegeben, welche nicht in 1 bis 3 gezeigt sind. Die Steuereinrichtung 30 wechselwirkt mit der Detektionseinrichtung 20, wie durch den Doppelpfeil DP angedeutet ist. In der Steuereinrichtung ist eine erste Soll-Zykluszeit CL1 und eine zweite Soll-Zykluszeit CL2 hinterlegt. Die Funktionsweise der Steuereinrichtung 30 wird weiter unten noch näher beschrieben.
Mit der Detektionseinheit 20 wird der Widerstand des SMA-Drahts gemessen. 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.
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 8 und 9 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.
Mittels der Steuereinrichtung 30 kann die Spannung U1 der Spannungsquelle 23 und die Spannung U2 der Spannungsquelle 24 variiert werden, wobei die Spannungen U1 und U2 in 6 wiedergegeben sind. Dort ist auch angedeutet, dass dem SMA-Draht bei angelegter Spannung U1 ein erster elektrischer Leistungswert L1 und bei angelegter Spannung U2 ein zweiter Leistungswert L2 zugeführt werden.
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 bzw. Heizleistung 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.
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.
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, löst die Steuereinrichtung 30 eine Betätigung der Schalter 25 und 26 aus, woraufhin die Schalter 25 und 26 die in 5 gezeigte Schaltstellung einnehmen. 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 U2 im Vergleich zur Spannung U1 der Spannungsquelle 23 liefert. Typischerweise liegt die Spannung der Spannungsquelle 24 bei etwa 10% bis 50% der Spannung der Spannungsquelle 23.
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.
Durch das Anlegen der niedrigeren Spannung U2 kommt es wieder zu einer Ausdehnung des SMA-Drahts, so dass die Endposition dieses Drahts verlassen wird. Dies wird wiederum über die Detektionseinheit 20 erfasst, woraufhin die Steuereinrichtung 30 die Schalter 25 und 26 wieder betätigt, so dass die in 4 gezeigte Schaltstellung eingenommen wird, in der wieder die höhere Spannung U1 zugeführt wird. Als Folge wird der SMA-Draht wieder kontrahiert, bis dessen Endposition erreicht ist, woraufhin wieder in die Schaltstellung der 5 zur Zufuhr der niedrigeren Spannung U2 gewechselt wird.
Die soeben beschriebenen Vorgänge werden zyklisch wiederholt, solange der Aktuator betätigt ist. Herkömmlicherweise sind dabei die Spannungen U1 und U2 fest gewählt, so dass während der Betätigung des Aktuators Mikroschaltvorgänge mit großer Häufigkeit ausgelöst werden. Diese Mikroschaltvorgänge führen zu einer mechanischen Belastung der Kontaktstellen und zu störenden Schaltgeräuschen des SMA-Aktuators. Um die Anzahl der Mikroschaltvorgänge gering zu halten, wird in der hier beschriebenen Ausführungsform über die Steuereinrichtung 30 auf die Größe der Spannung U1 der Spannungsquelle 23 Einfluss genommen, wie im Folgenden anhand von 6 beschrieben wird.
Das Diagramm der 6 umfasst vier Teildiagramme, wobei entlang der Abszisse jedes Teildiagramms die Zeit t wiedergegeben ist. Das oberste Teildiagramm repräsentiert die am SMA-Draht 4 angelegte Spannung U, die über den Spannungsmesser 22 der 4 bzw. 5 erfasst wird. Das zweite Teildiagramm von oben zeigt die Temperatur T des SMA-Drahts. Das dritte Teildiagramm von oben gibt den Hub x des Absperrelements 5 wieder, wobei durch die vertikale Linie EP die Endposition des Absperrelements angedeutet ist. Im untersten Teildiagramm der 6 ist der Widerstand R gezeigt, der über die Detektionseinheit 20 der 4 und 5 erfasst wird. Über die Änderung des Widerstands wird dabei das Erreichen bzw. das Verlassen der Endposition EP detektiert.
In dem Szenario der 6 wird zum Zeitpunkt t1 ein Schaltsignal zur Betätigung des Aktuators in der Steuereinrichtung 30 empfangen, um den Luftanschluss 3 aus 1 zu öffnen. Als Folge werden die Schalter 25 und 26 mittels der Steuereinrichtung 30 in die in 4 gezeigte Schaltstellung geschaltet. Die Spannung U1 der Spannungsquelle 23 und der entsprechende erste Leistungswert L1 sind dabei auf einen hohen Wert eingestellt. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 kommt es dann zu einer Erwärmung des SMA-Drahts 4, so dass dieser kontrahiert wird, bis schließlich die Endposition EP zum Zeitpunkt t2 erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt werden die Drahtabschnitte 401 und 402 über die Kante 601 der Blattfeder 6 niederohmig verbunden, was zu einer Verminderung des Widerstands R und hierdurch zur Detektion der Endposition EP führt. Als Konsequenz schaltet die Steuereinrichtung 30 die Schalter 25 und 26 in die in 5 gezeigte Schaltstellung, so dass die Spannung U2 mit einem niedrigen Spannungswert und einem entsprechend niedrigen Leistungswert L2 zugeführt wird.
Solange der Aktuator im betätigten Zustand ist, wird das Schalten zwischen den beiden Spannungen U1 und U2 wiederholt. Dabei wird die Spannung U1 angelegt, wenn sich das Absperrelement nicht in der Endposition EP befindet, und die Spannung U2, wenn es sich in der Endposition EP befindet. Aufgrund der großen Spannungsdifferenz zwischen U1 und U2 erfolgt diese Wiederholung mit einer hohen Schaltfrequenz bzw. einer geringen Zykluszeit, die in 6 mit CL angedeutet ist. Herkömmlicherweise werden die Spannungen U1 und U2 dabei nicht verändert, so dass häufige Mikroschaltvorgänge mit entsprechend hoher mechanischer Belastung sowie störende Schaltgeräuschen auftreten.
Um die Häufigkeit der Mikroschaltvorgänge zu reduzieren, greift die Steuereinrichtung 30 auf die bereits oben erwähnten Soll-Zykluszeiten CL1 und CL2 zurück. Die erste Soll-Zykluszeit CL1 stellt dabei eine minimale Zykluszeit und demzufolge eine maximale Frequenz der Mikroschaltvorgänge dar. Mit anderen Worten wird die Schaltfrequenz der Mikroschaltvorgänge über die erste Soll-Zykluszeit begrenzt und somit die Anzahl der Mikroschaltvorgänge reduziert. Die zweite Soll-Zykluszeit CL2 stellt eine maximale Zykluszeit und in diesem Sinne eine minimale Schaltfrequenz dar. Diese Schaltfrequenz sollte nicht unterschritten werden, um hierdurch eine ausreichend schnelle Reaktionszeit des SMA-Aktuators auf sich verändernde Bedingungen, wie z.B. eine veränderte Kühlung des SMA-Drahts durch Luftströmung, zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird bei der Betätigung des Aktuators die aktuelle Zykluszeit von aufeinander folgenden Mikroschaltvorgängen mittels der Steuereinrichtung 30 erfasst. In dem Szenario der 6 wird dabei im Zeitraum zwischen t2 und t3 festgestellt, dass die aktuelle Zykluszeit CL die erste Soll-Zykluszeit CL1 unterschreitet, was zu störenden Schaltgeräuschen und hoher mechanischer Belastung führt. Aufgrund dieses Unterschreitens verringert die Steuereinrichtung 30 zum Zeitpunkt t3 den Unterschied zwischen den Spannungen U1 und U2. In der hier beschriebenen Ausführungsform wird dabei der Wert der Spannung U1 der Spannungsquelle 23 herabgesetzt, wohingegen die Spannung U2 der Spannungsquelle 24 nicht verändert wird. Als Konsequenz nimmt die Zykluszeit deutlich ab, wodurch die Mikroschaltvorgänge weniger häufig ausgeführt werden.
Zum Zeitpunkt t4 ändert sich durch äußere Einflüsse das Abkühlverhalten des SMA-Drahts, d.h. die Temperatur des Drahts nimmt schneller als zuvor ab. Dies führt zu einer Erhöhung der Zykluszeit auf den Wert CL', was durch die Steuereinrichtung 30 erfasst wird. Der Wert der Zykluszeit CL' ist dabei derart groß, dass er die zweite Soll-Zykluszeit CL2 überschreitet. Als Konsequenz erhöht die Steuereinrichtung 30 zum Zeitpunkt t5 die Differenz zwischen den Spannungen U1 und U2, indem sie die Spannung U1 wieder anhebt. Dies führt dann wieder zu einer Zykluszeit, die zwischen der ersten Soll-Zykluszeit CL1 und der zweiten Soll-Zykluszeit CL2 liegt.
Zum Zeitpunkt t6 wird die Betätigung des Aktuators basierend auf einem entsprechenden Signal beendet. Als Folge werden mittels der Steuereinrichtung 30 beide Schalter 25 und 26 geöffnet, was zu einer Abkühlung und 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.
Mit dem soeben beschriebenen Ansteuerverfahren der 6 kann durch entsprechende Soll-Zykluszeiten und einer darauf basierenden Anpassung der dem Aktuator zugeführten Spannung die Häufigkeit von Mikroschaltvorgängen reduziert werden und hierdurch der mechanische Verschleiß des Aktuators vermindert und störende Schaltgeräusche reduziert werden. Durch geeignete Wahl der Soll-Zykluszeiten kann dabei weiterhin eine ausreichend schnelle Reaktionszeit des Aktuators gewährleistet werden. Typische Werte für eine erste bzw. zweite Soll-Zykluszeit liegen zwischen 20 ms und 50 ms. Anstatt der obigen Ansteuerung basierend auf Zykluszeiten können in einer Variante des Ansteuerverfahrens auch die Schaltfrequenzen erfasst und zur Steuerung genutzt werden.
In der Ausführungsform der 4 und 5 sowie analog auch in der weiter unten beschriebenen Ausführungsform gemäß 8 und 9 werden zwei Spannungsquellen zur Bereitstellung der Spannungen U1 und U2 verwendet. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass anstatt zwei Spannungsquellen lediglich eine einzige Spannungsquelle mit regelbarer Versorgungsspannung genutzt wird, um die Spannungswerte für U1 und ggf. auch für U2 einzustellen. Zur Regelung der Spannung kann in an sich bekannter Weise eine PWM-Ansteuerung (PWM = Pulsweitenmodulation) verwendet werden. Dabei werden die Einschaltdauern in den PWM-Intervallen geeignet variiert. Dabei muss die Widerstandsmessung immer innerhalb der Einschaltdauer eines jeweiligen PWM-Intervalls erfolgen, da ohne Bestromung keine Widerstandsmessung möglich ist.
7 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 7 im Wesentlichen aus einer Blattfeder 13 und einem Dichtelement bzw. Dichtpfad 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.
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 7 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.
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.
8 und 9 zeigen in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Aktuators in dem erfindungsgemäßen Ventil. Die Detektionseinheit 20 und die Steuereinrichtung 30 der 8 und 9 sind analog zu 4 und 5 aufgebaut. Die Detektionseinheit 20 dient wiederum dazu, über den Strommesser 21 und den Spannungsmesser 22 den Widerstand des SMA-Drahts 4 zu erfassen. Ebenso führt die Steuereinrichtung 30 die in 6 gezeigte Ansteuerung zur Verminderung der Häufigkeit von Mikroschaltvorgängen durch.
In der Ausführungsform der 8 und 9 kann als Ventilklappe die gleiche Ventilklappe wie aus 1 bis 3, jedoch ohne die Blattfeder 6, verwendet werden. In der Ausführungsform der 8 und 9 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.
Der Kurzschluss eines Abschnitts des SMA-Drahts 4 erfolgt in 8 und 9 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 8 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.
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 9 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.
In der Ausführungsform der 8 und 9 ist zum Kurzschluss eines Abschnitts des SMA-Drahts lediglich eine einzelne Kontaktstelle 12 erforderlich. Im Unterschied hierzu wurden in den Ausführungsformen der 1 bis 5 und 7 zwei Kontaktstellen des SMA-Drahts kontaktiert. Ferner ist in der Ausführungsform der 8 und 9 der Überbrückungsabschnitt in der Form der Leitung 603 feststehend, wohingegen sich der Überbrückungsabschnitt in den Ausführungsformen der 1 bis 5 und 7 zusammen mit der Ventilklappe bewegt.
Neben den soeben beschriebenen Varianten der Erfindung sind auch andere Ausgestaltungen möglich. Zum Beispiel kann in Ausführungsform der 8 und 9 anstatt der Ventilklappe 5 auch die in 7 gezeigte Ventilklappe 5' mit Blattfeder genutzt werden, wobei in diesem Fall der gebogene Abschnitt 17 sowie der Steg 602 weggelassen werden.
Alternativ kann sich zum Beispiel bei der in 7 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.
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.
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.
Die obige Ansteuerung gemäß 6 wurde immer anhand eines SMA-Aktuators beschrieben, dessen Endposition mit Hilfe einer Widerstandsmessung detektiert wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Erfassung einer Endposition über Widerstandsmessung beschränkt. Vielmehr kann das Erreichen bzw. Verlassen der Endposition auch auf andere Weise detektiert werden, z.B. durch separate Kontaktschalter.
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann die mechanische Belastung eines SMA-Aktuators bei dessen Betätigung durch die Reduktion der Häufigkeit der Mikroschaltvorgänge vermindert werden. Durch geeignete Festlegung von Soll-Zykluszeiten kann die Schaltfrequenz der Mikrobewegungen ferner derart festgelegt werden, dass die Schaltvorgänge aufgrund der menschlichen Hörkurve weniger laut erscheinen und damit weniger störend empfunden werden.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird ferner 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.
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.
Bezugszeichenliste

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
30: Steuereinrichtung
DP: Doppelpfeil
I: Strom
U: Spannung
U1, U2: Spannungswerte
L1, L2: Leistungswerte
EP: Endposition
t: Zeit
T: Temperatur
x: Hub
R: Widerstand
t1, t2, ..., t6: Zeitpunkte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005060217 A1 [0005]
WO 2014/135909 A1 [0006]

Claims

Pneumatisches Ventil, umfassend eine Luftkammer (100) mit einem Luftanschluss (3) sowie einen Aktuator (1) mit einem beweglichen Absperrelement (5, 5') und mit einem SMA-Element (4) aus einer Formgedächtnislegierung, welches mechanisch an das bewegliche Absperrelement (5, 5') gekoppelt ist, wobei zur Betätigung des Aktuators (1) dem SMA-Element (4) eine elektrische Heizleistung zuführbar ist, woraufhin sich das SMA-Element (4) verformt und hierdurch eine vorgegebene Bewegung des Absperrelements (5, 5') zum Öffnen oder Schließen des Luftanschlusses (3) bewirkt, wobei die Verformung des SMA-Elements (4) bei Beendigung der Zufuhr der elektrischen Heizleistung rückgängig gemacht wird und hierdurch eine Umkehrung der vorgegebenen Bewegung des SMA-Elements (4) bewirkt, - wobei der Aktuator (1) eine Detektionseinheit (20) umfasst, um bei Betätigung des Aktuators (1) ein Erreichen und ein Verlassen einer Endposition (EP) des Absperrelements (5, 5') zu detektieren, - wobei der Aktuator (1) eine Steuereinrichtung (30) beinhaltet, welche derart ausgestaltet ist, dass sie bei Betätigung des Aktuators (1) die elektrische Heizleistung auf einen ersten Leistungswert (L1) einstellt, wenn sich gemäß der Detektion der Detektionseinheit (20) das Absperrelement (5, 5') nicht in der Endposition (EP) befindet, und dass sie bei Betätigung des Aktuators (1) die elektrische Heizleistung auf einen zweiten Leistungswert (L2) einstellt, der niedriger als der erste Leistungswert (L1) ist, wenn sich gemäß der Detektion der Detektionseinheit (20) das Absperrelement (5, 5') in der Endposition (EP) befindet, - wobei die Steuereinrichtung (30) ferner derart ausgestaltet ist, dass sie bei Betätigung des Aktuators (1) die aktuelle Zykluszeit (CL, CL') zwischen einem Verlassen und dem nächsten Erreichen der Endposition (EP) durch das Absperrelement (5, 5') oder ein Maß für die aktuelle Zykluszeit (CL, CL') erfasst und den Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Leistungswert (L1, L2) verringert, falls die aktuelle Zykluszeit (CL, CL') eine erste Soll-Zykluszeit (CL1) unterschreitet, sowie den Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Leistungswert (L1, L2) erhöht, falls die aktuelle Zykluszeit (CL, CL') eine zweite Soll-Zykluszeit (CL2), welche größer gleich der ersten Soll-Zykluszeit (CL1) ist, überschreitet.
Pneumatisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Soll-Zykluszeit (CL1) und/oder die zweite Soll-Zykluszeit (CL2) zwischen 10 ms und 100 ms, insbesondere zwischen 20 ms und 50 ms, liegt.
Pneumatisches Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung und Erhöhung des Unterschieds zwischen dem ersten und zweiten Leistungswert (L1, L2) durch ausschließliche Veränderung des ersten Leistungswerts (L1) oder durch ausschließliche Veränderung des zweiten Leistungswerts (L2) oder durch Veränderung sowohl des ersten als auch des zweiten Leistungswerts (L1, L2) bewirkt wird.
Pneumatisches Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung und Erhöhung des Unterschieds zwischen dem ersten und zweiten Leistungswert (L1, L2) zeitlich kontinuierlich oder zeitlich diskret erfolgt.
Pneumatisches Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (1) derart ausgestaltet ist, dass bei Erreichen der Endposition (EP) des Absperrelements (5, 5') der Widerstand eines Abschnitts des SMA-Elements (4) mittels eines Überbrückungsabschnitts (601, 602, 603) elektrisch überbrückt wird und hierdurch der Widerstand des SMA-Elements (4) vermindert wird, wobei die Detektionseinheit (20) dazu eingerichtet ist, mittels einer Widerstandsmessung die Verminderung des Widerstands des SMA-Elements (4) zu erfassen, wodurch das Erreichen der Endposition (EP) des Absperrelements (5, 5') detektiert wird, sowie die Beendigung der Verminderung des Widerstands des SMA-Elements (4) zu erfassen, wodurch das Verlassen der Endposition (EP) des Absperrelements (5, 5') detektiert wird.
Pneumatisches Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (1) derart ausgestaltet ist, dass die Verformung des SMA-Elements (4) eine Relativbewegung zwischen dem Überbrückungsabschnitt (601, 602, 603) und dem SMA-Element (4) bewirkt, wobei die Relativbewegung bei Erreichen der Endposition (EP) des Absperrelements (5, 5') zu der elektrischen Überbrückung des Widerstands des Abschnitts des SMA-Elements (4) führt.
Pneumatisches Ventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (1) ein elektrisch leitfähiges Element (6, 602), vorzugsweise in der Form einer Platte (6) oder eines Stegs (602), umfasst, wobei das elektrisch leitfähige Element (6, 602) starr mit dem Absperrelement (5, 5') verbunden ist oder ein Teil des Absperrelements (5, 5') bildet und wobei der Überbrückungsabschnitt (601, 602) in dem elektrisch leitfähigen Element (6, 602) enthalten ist.
Pneumatisches Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (5, 5') eine Ventilklappe ist, welche als vorgegebene Bewegung zum Öffnen oder Schließen des Luftanschlusses (3) eine Verkippung ausführt, wobei die Verkippung vorzugsweise durch eine elastische Biegung und/oder durch eine Drehung der Ventilklappe (5, 5') bewirkt wird.
Pneumatisches Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das SMA-Element (4) ein SMA-Draht ist, der durch Zufuhr der elektrischen Heizleistung kontrahiert wird und hierdurch die vorgegebene Bewegung des Absperrelements (5) bewirkt, wobei der SMA-Draht (4) vorzugsweise in einer Ebene verläuft.
Pneumatisches Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der SMA-Draht (4) einen ersten und einen zweiten Drahtabschnitt (401, 402) umfasst, zwischen denen ein Kopplungsabschnitt (403) des SMA-Drahts (4) liegt, wobei der Kopplungsabschnitt (403) mechanisch an das Absperrelement (5, 5') gekoppelt ist.
Pneumatisches Ventil nach Anspruch 10 in Kombination mit Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Element (6, 602) derart angeordnet ist, dass es bei Erreichen der Endposition (EP) des Absperrelements (5, 5') den ersten Drahtabschnitt (401) und den zweiten Drahtabschnitt (402) jeweils an einer Kontaktstelle (12, 12') berührt und hierdurch die elektrische Überbrückung des Widerstands des Abschnitts des SMA-Elements (4) bewirkt.
Pneumatisches Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (1) ein elektrisch leitfähiges Bauteil (603), vorzugsweise in der Form einer Leitung, umfasst, wobei das elektrisch leitfähige Bauteil (603) eine feste Position im Ventil hat und wobei der Überbrückungsabschnitt (603) in dem elektrisch leitfähigen Bauteil (603) enthalten ist.
Pneumatisches Ventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Bauteil (603) eine Leitung ist, deren eines Ende elektrisch mit dem SMA-Element (4) verbunden ist, und deren anderes Ende eine Kontaktstelle (12) umfasst, welche bei Erreichen der Endposition (EP) des Absperrelements (5, 5') mit dem SMA-Element (4) in Berührung kommt und hierdurch die elektrische Überbrückung des Widerstands des Abschnitts des SMA-Elements (4) bewirkt.
Pneumatisches Ventil nach Anspruch 13 in Kombination mit Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Teil der Leitung zwischen dem ersten und zweiten Drahtabschnitt (401, 402) in Richtung hin zu dem Kopplungsabschnitt (403) des SMA-Drahts (4) erstreckt.
Pneumatisches Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil zum Befüllen und/oder Entleeren zumindest einer elastischen Luftblase in einer Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes in einem Verkehrsmittel vorgesehen ist.