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Die Erfindung betrifft einen Folienwandler für ein Ventil sowie ein Ventil mit einem Streifenaktor.
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Aus dem Stand der Technik sind Ventile bekannt, die Aktoren zum Verstellen eines Ventilelements umfassen, die ein elektroaktives Polymer (EAP) aufweisen, das eine elektrische Energie in eine mechanische Bewegung umsetzt. Derartige Aktoren werden auch als EAP-Aktoren bezeichnet.
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Beispielsweise ist ein solches Ventil aus der
DE 10 2014 114 212 A1 bekannt, bei dem der Aktor als ein Stapelaktor ausgebildet ist. Derartige Aktoren eignen sich insbesondere für verhältnismäßig große Ventile, da der Stapelaktor aufgrund seiner benötigten Tiefe ein entsprechendes Volumen aufweist.
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Zudem sind Ventile bekannt, die einen als Folienwandler ausgebildeten EAP-Aktor aufweisen, über den elektrische Energie entsprechend in mechanische Arbeit umgesetzt wird. Der Unterschied zu einem Stapelaktor ist bei einem Folienwandler derjenige, dass der Aktor meistens aus lediglich einer Folie aus einem elektroaktiven Polymermaterial besteht, sodass er in einem ersten Betriebszustand (zumeist der Ausgangszustand) ein geringes Volumen aufweist. Beispielsweise ist ein solcher Folienwandler aus der
DE 10 2016 114 531 A1 bekannt, bei der eine Betätigung des elektroaktiven Folienverbundaufbaus zu einer Bewegung aus der vom elektroaktiven Folienverbundaufbau aufgespannten Ebene führt. Insofern benötigt der als Folienwandler ausgebildete EAP-Aktor ebenfalls ein verhältnismäßig großes Volumen während des Betriebs, also beim Übergang zwischen dem aktiven und dem inaktiven Betriebszustand.
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Demnach ist bei den bekannten Ventilen mit EAP-Aktor jeweils ein Ventil mit einem hohen Bauraumbedarf nötig, um die elektrische Energie in die mechanische Bewegung umsetzen zu können.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen energieeffizienten Aktor für ein schmales Ventil sowie ein entsprechend energieeffizientes Ventil bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Folienwandler für ein Ventil gelöst, umfassend wenigstens ein fest angeordnetes Halteteil, wenigstens ein verstellbares Kraftübertragungsteil, einen elektroaktiven Folienverbundaufbau und wenigstens zwei Elektroden, wobei der elektroaktive Folienverbundaufbau eine Betätigungsrichtung aufweist, in die sich der elektroaktive Folienverbundaufbau bei Betätigung verlängert, und wobei die Betätigungsrichtung in einer vom elektroaktiven Folienverbundaufbau aufgespannten Ebene liegt.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist es, den Folienwandler, der als Aktor für ein Ventil dient, so auszubilden, dass die Betätigungsrichtung in der vom elektroaktiven Folienverbundaufbau aufgespannten Ebene liegt, wodurch ein schmaler Aktor geschaffen ist, der in sämtlichen Betriebszuständen entsprechend schmal ausgebildet bleibt. Dies liegt daran, dass eine sogenannte „in-plane“-Bewegungsrichtung des Folienwandlers vorliegt, die senkrecht zu den üblicherweise aus dem Stand der Technik bekannten „out-of-plane“-Aktoren ist, die ein entsprechend größeres Volumen im Betrieb benötigen. Der elektroaktive Folienverbundaufbau erstreckt sich beispielsweise räumlich in einer Ebene, die bei einem kartesischen Koordinatensystem in der x- Richtung und in der y-Richtung aufgespannt ist, wobei die Tiefe des elektroaktiven Folienverbundaufbaus in der z-Richtung zu vernachlässigen ist, da der elektroaktive Folienverbundaufbau durch eine Folie aus einem elektroaktiven Polymer gebildet sein kann. Sofern der elektroaktive Folienverbundaufbau mit einer Spannung beaufschlagt wird, verlängert sich der elektroaktive Folienverbundaufbau in der aufgespannten Ebene, beispielsweise in die y-Richtung, wodurch ein mit dem Folienwandler gekoppeltes Ventilelement entsprechend in die Betätigungsrichtung verstellt wird, in die sich der Folienwandler ausgedehnt hat, also in y-Richtung. Der Folienwandler, insbesondere der elektroaktive Folienverbundaufbau, bewegt sich also bei Betätigung in der Ebene, die durch sich selbst aufgespannt ist, wodurch sich das Volumen des Folienwandlers nur geringfügig verändert. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Folienwandler mit der „in-plane“-Betätigungsrichtung würde sich das vom Folienwandler eingenommene Volumen des Folienwandlers mit „out-of-plane“-Betätigungsrichtung bei Betätigung stark verändern, beispielsweise das Volumen eines den Folienwandler umschließenden Quaders.
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Beispielsweise besteht der elektroaktive Folienverbundaufbau aus einer Folie aus einem elektroaktiven Polymer.
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Der Folienwandler kann generell als Streifenaktor eines Ventils verwendet werden.
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Ein Aspekt sieht vor, dass der Folienwandler eine Haupterstreckungsrichtung aufweist, die mit der Betätigungsrichtung zusammenfällt. Insofern kann der Folienwandler eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen, wobei er sich in eine Richtung mehr erstreckt als in eine andere, wodurch die Haupterstreckungsrichtung definiert ist. In diese Haupterstreckungsrichtung verlängert sich der elektroaktive Folienverbundaufbau bei Betätigung entsprechend. Die Haupterstreckungsrichtung entspricht also der Richtung des Folienwandlers, die die im Wesentlichen längste Ausdehnung hat, insbesondere wobei die Haupterstreckungsrichtung durch Mittelpunkte an entgegengesetzten Kanten bzw. Enden des Folienwandlers verläuft. Es handelt sich also nicht um eine Diagonale in der entsprechend aufgespannten Ebene.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Elektroden auf entgegengesetzten Seiten des elektroaktiven Folienverbundaufbaus angeordnet sind, insbesondere wobei sich die Elektroden über die gesamte Fläche der jeweiligen Seite erstrecken. Sofern der Folienwandler, insbesondere der elektroaktive Folienverbundaufbau, mit einer Spannung beaufschlagt wird, die zwischen den beiden Elektroden anliegt, entsteht zwischen den beiden Elektroden aufgrund des erzeugten elektrischen Felds eine entsprechende Anziehungskraft, wodurch die Elektroden versuchen, den Abstand zueinander zu verringern. Das zwischen den Elektroden liegende elektroaktive Polymermaterial wird daraufhin zusammengedrückt, wodurch sich der elektroaktive Folienverbundaufbau aufgrund der Inkompressibilität des Materials in der entsprechend aufgespannten Ebene (bspw. in x- und y-Richtung) verlängert, die senkrecht zur Dicke (z-Richtung) des Folienwandlers ist, die dem Abstand der beiden Elektroden zueinander entspricht.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein erstes Ende des elektroaktiven Folienverbundaufbaus am Halteteil gehalten, insbesondere eingespannt, und/oder ein zweites, zum ersten Ende entgegengesetztes Ende des elektroaktiven Folienverbundaufbaus mit dem Kraftübertragungsteil gekoppelt, insbesondere eingespannt. Insofern können das Halteteil und das Kraftübertragungsteil jeweils eine Einspannstelle umfassen, an denen der elektroaktive Folienverbundaufbau mechanisch eingespannt ist. Der elektroaktive Folienverbundaufbau erstreckt sich demnach vom Halteteil, insbesondere der dort vorgesehenen Einspannstelle, bis zur Einspannstelle des Kraftübertragungsteils.
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Ferner können am Halteteil und/oder am Kraftübertragungsteil elektrische Kontakte zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden vorgesehen sein. Beispielsweise ist sowohl am Halteteil als auch am Kraftübertragungsteil jeweils ein elektrischer Kontakt vorgesehen, mit dem die erste Elektrode bzw. die zweite Elektrode elektrisch kontaktiert sind. Alternativ können beide Elektroden des Folienwandlers am Halteteil bzw. am Kraftübertragungsteil elektrisch kontaktiert sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt weist das Kraftübertragungsteil einen Betätigungsabschnitt auf, der sich entlang der Betätigungsrichtung über zumindest die gesamte Länge des elektroaktiven Folienverbundaufbaus erstreckt, insbesondere wobei der Betätigungsabschnitt einen Öffnungsbereich aufweist, durch den sich der elektroaktive Folienverbundaufbau und/oder das Halteteil erstrecken bzw. erstreckt. Das Kraftübertragungsteil weist insbesondere dann einen Betätigungsabschnitt auf, wenn ein Ventilelement des den Folienwandler aufweisenden Ventils an einer zur Einspannstelle des Kraftübertragungsteils entgegengesetzten Seite in Bezug auf den elektroaktiven Folienverbundaufbau angeordnet ist. Dementsprechend wird die Verstellbewegung des Kraftübertragungsteils, die an der Einspannstelle des Kraftübertragungsteils initiiert wird, über den Betätigungsabschnitt auf das Ventilelement übertragen.
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Da sich der Betätigungsabschnitt zumindest über die gesamte Länge des elektroaktiven Folienverbundaufbaus erstreckt, kann bei einer symmetrischen Ausbildung des Kraftübertragungsteils ein entsprechender Öffnungsbereich im Kraftübertragungsteil, insbesondere im Betätigungsabschnitt, vorgesehen sein, sodass sich der elektroaktive Folienverbundaufbau innerhalb dieses Öffnungsbereichs des Betätigungsabschnitts befindet. Das entsprechende Halteteil kann sich ebenfalls durch den Öffnungsbereich erstrecken, sofern der Betätigungsabschnitt länger als die Gesamtlänge des elektroaktiven Folienverbundaufbaus ist.
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Insbesondere ist das Kraftübertragungsteil im Wesentlichen T-förmig ausgebildet. Die Einspannstelle ist dabei am Querbalken des T angeordnet, wohingegen der Betätigungsabschnitt durch den senkrecht zum Querbalken verlaufenden Steg gebildet ist.
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Generell kann das Kraftübertragungsteil auch mehrteilig ausgebildet sein, beispielsweise zweiteilig.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass wenigstens eine Feder mit dem Kraftübertragungsteil zusammenwirkt, um den elektroaktiven Folienverbundaufbau mechanisch vorzuspannen, insbesondere zwei Federn, die an entgegengesetzten Seiten des Kraftübertragungsteils in Bezug auf den elektroaktiven Folienverbundaufbau angreifen. Die mechanische Vorspannung des elektroaktiven Folienverbundaufbaus ist nötig, um die Funktion des Folienwandlers zu gewährleisten, insbesondere die Funktion des elektroaktiven Folienverbundaufbaus. Sofern zwei Federn vorgesehen sind, die an entgegengesetzten Seiten angreifen, ist eine homogene Vorspannung des elektroaktiven Folienverbundaufbaus gewährleistet.
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Der Folienwandler kann ein Aktorgehäuse aufweisen, welches zumindest den elektroaktiven Folienverbundaufbau umschließt, wobei das Halteteil mit dem Aktorgehäuse fest verbunden ist oder wobei das Aktorgehäuse das Halteteil aufweist. Der elektroaktive Folienverbundaufbau ist dementsprechend geschützt gelagert, sodass dieser nicht beschädigt wird. Das Halteteil kann einstückig mit dem Aktorgehäuse oder als separates Teil ausgebildet sein, das mit dem Aktorgehäuse verbunden ist, beispielsweise mittels einer stoff-, kraft- oder formschlüssigen Verbindung.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass dem Kraftübertragungsteil eine Wippe zugeordnet ist, insbesondere ein Ende der Wippe. Über die Wippe lassen sich mehrere Schaltstellungen beim Ventil mit dem entsprechenden Folienwandler vorsehen.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass der elektroaktive Folienverbundaufbau einen flexiblen Rahmen umfasst, der das elektroaktive Polymermaterial umschließt. Insofern ist der elektroaktive Folienverbundaufbau mechanisch geschützt, insbesondere dessen EAP-Material. Aufgrund der Flexibilität des Rahmens ist sichergestellt, dass sich der elektroaktive Folienverbundaufbau in gewünschter Weise verstellen bzw. bewegen kann.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Ventil mit einem Streifenaktor, der als ein Folienwandler der zuvor genannten Art ausgebildet ist, insbesondere wobei das Ventil ein als flexible Membran ausgebildetes Ventilelement umfasst, das der Streifenaktor bei Betätigung verstellt. Das als flexible Membran ausgebildete Ventilelement dient unter anderem zur Medientrennung, sodass das Ventil einen Fluidabschnitt sowie einen Aktorabschnitt aufweist, der den Streifenaktor umfasst. Die Fluidanschlüsse des Ventils sind dabei im Fluidabschnitt des Ventils angeordnet, welcher über die flexible Membran gegenüber dem Streifenaktor entsprechend abgedichtet ist.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ventils in der geschlossenen, betätigten Stellung mit einem erfindungsgemäßen Folienwandler gemäß einer ersten Ausführungsform,
- - 2 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ventils in der geschlossenen, nichtbetätigten Stellung mit einem erfindungsgemäßen Folienwandler gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- - 3 eine perspektivische Darstellung des Ventils aus 2 mit transparent dargestelltem Aktorgehäuse, und
- - 4 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ventils in der geöffneten, nichtbetätigten Stellung mit einem erfindungsgemäßen Folienwandler gemäß einer dritten Ausführungsform.
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In 1 ist ein Ventil 10 gezeigt, das als ein normal geöffnetes Ventil („normally-open“ Ventil: NO-Ventil) ausgebildet ist. In der Darstellung befindet sich das Ventil 10 jedoch in der geschlossenen Stellung, da es entsprechend betätigt ist, wie nachfolgend noch erläutert wird.
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Das Ventil 10 umfasst ein Fluidgehäuse 12 mit einem ersten Fluidanschluss 14 sowie einem zweiten Fluidanschluss 16, wobei dem ersten Fluidanschluss 14 in der gezeigten Ausführungsform ein Ventilsitz 18 zugeordnet ist, über den das Ventil 10 entsprechend geöffnet bzw. geschlossen werden kann.
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Hierzu wirkt der Ventilsitz 18 mit einem Ventilelement 20 zusammen, welches in der gezeigten Ausführungsform durch eine flexible Membran ausgebildet ist.
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Das Ventilelement 20 bzw. die flexible Membran ist ferner einem Sammelraum 22 zugeordnet, welcher zwischen dem Ventilelement 20 und dem Ventilsitz 18 vorgesehen ist, wenn sich das Ventilelement 20 in seiner nichtbetätigten bzw. geöffneten Stellung befindet. In dem Sammelraum 22 kann sich ein Fluid sammeln, welches über den Fluidanschluss 14 entsprechend abfließen kann, wenn sich das Ventilelement 20 in seiner entsprechenden Stellung befindet, also der geöffneten Stellung, in der das Ventilelement 20 nicht auf dem Ventilsitz 18 aufliegt.
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Alternativ kann das Ventilelement 20 den Zufluss in den Sammelraum 22 je nach Stellung schließen bzw. freigeben, indem das Ventilelement 20 auf den Ventilsitz 18 gedrückt wird oder nicht.
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Insofern kann der erste Fluidanschluss 14 als Zufluss oder Abfluss dienen. Ebenso kann der zweite Fluidanschluss 16 Abfluss oder Zufluss fungieren.
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Das als flexible Membran ausgebildete Ventilelement 20 dient ferner zur Medientrennung, da es einen Fluidabschnitt 24 des Ventils 10 von einem Aktorabschnitt 26 trennt und abdichtet, der einen als Streifenaktor 28 ausgebildeten Folienwandler 30 umfasst.
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Der Folienwandler 30 weist ein Aktorgehäuse 32 auf, wobei das Ventilelement 20 zwischen dem Aktorgehäuse 32 und dem Fluidgehäuse 12 angeordnet ist, insbesondere zumindest randseitig eingeklemmt ist.
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Ferner umfasst der Folienwandler 30 ein mit dem Aktorgehäuse 32 gekoppeltes, feststehend angeordnetes Halteteil 34 sowie ein verstellbares bzw. beweglich angeordnetes Kraftübertragungsteil 36, das mit dem Ventilelement 20 zusammenwirkt, um dieses entsprechend zu verstellen, um es beispielsweise von der Offenstellung in die Schließstellung zu überführen.
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Der Folienwandler 30 weist zur Betätigung des Ventilelements 20 einen elektroaktiven Folienverbundaufbau 38 auf, der in der gezeigten Ausführungsform durch eine Folie 40 aus einem elektroaktiven Polymer gebildet ist, sodass die Folie 40 auch als elektroaktive Polymerfolie bezeichnet werden kann.
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Der elektroaktive Folienverbundaufbau 38 ist mit einem ersten Ende 41 an einer ersten Einspannstelle 42 des Halteteils 34 sowie mit einem zweiten, dem ersten Ende 41 entgegengesetzten Ende 43 einer zweiten Einspannstelle 44 des Kraftübertragungsteils 36 mechanisch gehalten, insbesondere in den entsprechenden Einspannstellen 42, 44 eingespannt.
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An den Einspannstellen 42, 44 sind jeweils elektrische Kontakte 46, 48 vorgesehen, die mit entsprechenden Elektroden 50, 52 des Folienwandlers 30 in elektrischer Verbindung stehen, um dem Folienwandler 30 mit elektrische Energie zu beaufschlagen.
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In der gezeigten Ausführungsform sind die Elektroden 50, 52 auf entgegengesetzten Seiten des elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38 angeordnet, also der entsprechenden Folie 40, wie aus der gestrichelt dargestellten zweiten Elektrode 52 hervorgeht.
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Aus Gründen der Übersicht sind die beiden Elektroden 50, 52 vorliegend nur teilweise dargestellt, wobei sie sich über die gesamte Fläche der jeweiligen Seite des elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38 erstrecken können, sodass das elektroaktive Polymermaterial des elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38 zwischen den beiden Elektroden 50, 52 angeordnet ist.
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Die beiden Elektroden 50, 52 sind demnach in z-Richtung angeordnet, also der Richtung senkrecht zur dargestellten Zeichenebene. Die z-Richtung entspricht der Dicke des Folienwandlers 30, insbesondere des elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38, welche generell zu vernachlässigen ist.
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Ferner sind in der gezeigten Ausführungsform zwei Federn 54 vorgesehen, die sich jeweils mit einem Ende an einem Lagerabschnitt 56 des Aktorgehäuses 32 abstützen. Mit ihrem anderen Ende greifen die Federn 54 an Angriffsstellen 58 des Kraftübertragungsteils 36 an, sodass der elektroaktive Folienverbundaufbau 38 über die Federn 54 vorgespannt ist, indem der elektroaktive Folienverbundaufbau 38 in y-Richtung vorgedehnt wird.
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Die beiden Federn 54 sind in der gezeigten Ausführungsform an entgegengesetzten Seiten des Kraftübertragungsteils 36 in Bezug auf den elektroaktiven Folienverbundaufbau 38 angeordnet, sodass sie eine im Wesentlichen homogene Kraft auf den elektroaktiven Folienverbundaufbau 38 ausüben, um diesen mechanisch vorzuspannen. Ein Verkippen des elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38 aufgrund der Federkraft wird somit wirkungsvoll verhindert.
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Das Kraftübertragungsteil 36 wird von den Federn 54 in Richtung Schließstellung beaufschlagt, die in 1 gezeigt ist, sodass ein Betätigungsvorsprung 60 des Kraftübertragungsteils 36 am Ventilelement 20 anliegt, welcher in der gezeigten Ausführungsform als Steg ausgebildet ist. Die Federkraft der Federn 54 ist jedoch nicht so hoch, dass das Ventilelement 20 in die Schließstellung gedrückt werden würde.
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Die Federn 54 können auch durch Formfedern, Tellerfedern, Gummibänder, Gummikörper oder anderen Vorspannelementen ausgebildet sein, die eine Vorspannung des Folienwandlers 30 gewährleisten, insbesondere des elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38. Bei den anderen Vorspannelementen handelt es sich beispielsweise um magnetische Vorspannelemente, die eine magnetische Vorspannung des Folienwandlers 30 bereitstellen oder um Vorspannelemente, die aus einer Kombination von Federelementen und magnetischen Elementen bestehen und somit eine feder-magnetische Vorspannung des Folienwandlers 30 bereitstellen. Die magnetischen Vorspannelemente sind insbesondere als permanentmagnetische Vorspannelemente ausgebildet.
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Nachfolgend wird erläutert, wie der Folienwandler 30 aus seiner geöffneten Ausgangsstellung in die in 1 gezeigte Schließstellung gebracht wird.
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Hierzu wird eine elektrische Spannung an den beiden elektrischen Kontakten 46, 48 angelegt, wodurch sich die Elektroden(-schichten) 50, 52 des elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38 gegenseitig anziehen, sodass das dazwischenliegende elektroaktive Polymermaterial zusammengedrückt wird.
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Da das elektroaktive Polymermaterial inkompressibel ist, führt die Verringerung der Dicke (in z-Richtung) zu einer Zunahme der Länge des elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38 in der vom Folienverbundaufbau 38 aufgespannten Ebene E, die durch die x-Richtung und die y-Richtung definiert ist, was der Zeichenebene entspricht.
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Insbesondere verlängert sich der elektroaktive Folienverbundaufbau 38 in y-Richtung, was dementsprechend die Betätigungsrichtung B des elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38 bzw. des Folienwandlers 30 ist. Insofern ergibt sich eine Bewegung des Folienwandlers 30, insbesondere des elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38, in der vom Folienwandler 30 aufgespannten Ebene E, was als „in-plane“-Bewegung bezeichnet wird.
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Die Betätigungsrichtung B fällt mit der Haupterstreckungsrichtung L des im Wesentlichen rechteckigen und dünnen (in z-Richtung gesehen) elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38 zusammen, wie aus der 1 hervorgeht, in der die Haupterstreckungsrichtung L der Mittelline des elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38 entlang seiner größten Ausdehnung entspricht.
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Durch die angelegte Spannung verlängert sich der elektroaktive Folienverbundaufbau 38 somit in der vom Folienwandler 30 aufgespannten Ebene E in Richtung des Ventilelements 20. Hierdurch überführt der Betätigungsvorsprung 60 des Kraftübertragungsteils 36 das Ventilelement 20 in seine in 1 dargestellte Schließstellung, in der das Ventilelement 20 auf den Ventilsitz 18 gedrückt ist, um den ersten Fluidanschluss 14 gegenüber dem Sammelraum 22 zu schließen.
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Bei der Betätigung des Folienwandlers 30, also der Überführung von der Offenstellung in die Schließstellung, wird das Kraftübertragungsteil 36 entgegen der Federkraft der Federn 54 verstellt, um das Ventil 10 zu schließen.
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In den 2 und 3 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils 10 gezeigt, das eine zweite Ausführungsform eines Streifenaktors 28 bzw. Folienwandlers 30 umfasst.
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Nachfolgend werden die Unterschiede zur ersten Ausführungsform näher beschrieben.
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Bei dem Ventil 10 gemäß der zweiten Ausführungsform handelt es sich um ein normal geschlossenes Ventil („normally-closed“ Ventil: NC-Ventil), bei dem das Ventilelement 20 den Ventilsitz 18 schließt, wenn keine Spannung am Folienwandler 30 anliegt, also im nichtbetätigten Zustand, wie in den 2 und 3 gezeigt.
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Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich ferner dahingehend von der ersten Ausführungsform, dass das fest angeordnete Halteteil 34 an dem zum Ventilelement 20 zugewandten Ende des elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38 angeordnet ist, wohingegen das Kraftübertragungsteil 36 an dem vom Ventilelement 20 abgewandten Ende des elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38 vorgesehen ist.
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Insofern sind das Halteteil 34 und das Kraftübertragungsteil 36 in Bezug auf den elektroaktiven Folienverbundaufbau 38 gegenüber der ersten Ausführungsform vertauscht worden.
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In der ersten Ausführungsform diente das Kraftübertragungsteil 36 als Hubanker des NO-Ventils, wohingegen das Kraftübertragungsteil 36 in der zweiten Ausführungsform als Hubanker des NC-Ventils dient.
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Um die Bewegung des Kraftübertragungsteil 36 auf das Ventilelement 20 zu übertragen, umfasst das Kraftübertragungsteil 36 daher einen Betätigungsabschnitt 61, wie insbesondere aus der 3 hervorgeht.
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Der Betätigungsabschnitt 61 erstreckt sich entlang der Betätigungsrichtung B über zumindest die gesamte Länge des elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38 (in y-Richtung). Zudem weist der Betätigungsabschnitt 61 einen Öffnungsbereich 62 auf, in dem sowohl der elektroaktive Folienverbundaufbau 38 als auch das Halteteil 34 zumindest teilweise angeordnet sind, wie aus den 2 und 3 hervorgeht. Insofern umfasst der Betätigungsabschnitt 61 zwei sich in Betätigungsrichtung B bzw. y-Richtung erstreckende Stege 61a, 61b auf, zwischen denen der Öffnungsbereich 62 vorgesehen ist.
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Das Kraftübertragungsteil 36 ist im Wesentlichen T-förmig ausgebildet, wobei die Einspannstelle 44 des Kraftübertragungsteils 36 am Querbalken des T-förmigen Kraftübertragungsteils 36 angeordnet ist und der Betätigungsabschnitt 60 den zum Querbalken senkrechten Steg ausbildet.
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Wie in der ersten Ausführungsform weist das Kraftübertragungsteil 36 die Angriffsstellen 58 für die Federn 54 auf, wobei sich die Federn 54 ebenfalls an den Lagerabschnitten 56 des Aktorgehäuses 32 abstützen, um den elektroaktiven Folienverbundaufbau 38 mechanisch vorzuspannen, also in der Betätigungsrichtung B zu dehnen.
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Sofern über die elektrischen Kontakte 46, 48, die im Halteteil 34 und im Kraftübertragungsteil 36 angeordnet sind, insbesondere im Bereich der Einspannstellen 42, 44, eine Spannung angelegt wird, verlängert sich der elektroaktive Folienverbundaufbau 38 in die Betätigungsrichtung B, wie das für die erste Ausführungsform bereits beschrieben wurde. Dadurch wird das Kraftübertragungsteil 36 ebenfalls in Betätigungsrichtung B entgegen der Federkraft der Federn 54 axial verstellt, nämlich nach oben in der in den 2 und 3 gezeigten Ausrichtung.
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Hierdurch kann eine Zugkraft über das Kraftübertragungsteil 36, insbesondere den Betätigungsabschnitt 61, ausgeübt werden, wodurch sich der am Ventilelement 20 anliegende Teil des Kraftübertragungsteils 36, also der Betätigungsvorsprung 60, vom Ventilelement 20 wegbewegt, sodass das Ventilelement 20 in die geöffnete Stellung aktiv überführt wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Ventilelement 20 mit dem Betätigungsvorsprung 60 gekoppelt ist.
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Alternativ kann der Betätigungsvorsprung 60 lediglich außer Kontakt mit dem Ventilelement 20 gebracht werden, sodass sich dieses aufgrund seiner Vorspannung und/oder dem anliegenden Fluiddruck selbsttätig in die Offenstellung begibt.
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Sofern die Spannung am Folienwandler 30 abgebaut wird, geht der elektroaktive Folienverbundaufbau 38 in seine ursprüngliche Länge (in y-Richtung bzw. der Betätigungsrichtung B gesehen) zurück, die in 2 gezeigt ist. Dadurch drückt der Betätigungsvorsprung 60 des Kraftübertragungsteils 36 das Ventilelement 20 wieder auf den Ventilsitz 18, um das Ventil 10 in seine ursprüngliche (nichtbetätigte) Schließstellung zu überführen.
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In 4 ist eine dritte Ausführungsform des Ventils 10 gezeigt, die sich von der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform dahingehend unterscheidet, dass das Kraftübertragungsteil 36 einer Wippe 64 zugeordnet ist, insbesondere einem Ende 66 der Wippe 64, welche mit dem Ventilelement 20 zusammenwirkt. Demnach wirkt das Kraftübertragungsteil 36 nicht direkt über seinen Betätigungsvorsprung 60 mit dem Ventilelement 20 zusammen, sondern indirekt über die Wippe 64.
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Das andere Ende 68 der Wippe 64 ist über eine Druckfeder 70 vorgespannt, sodass das Ventil 10 eine definierte Stellung im unbetätigten Zustand des Streifenaktors 28 bzw. des Folienwandlers 30 einnimmt. Diese Ausgangsstellung ist in 4 gezeigt.
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In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Fluidgehäuse 12 drei Fluidanschlüsse, von denen zwei erste Fluidanschlüsse 14 sind, die einen entsprechenden Ventilsitz 18 haben, denen die Wippe 64 zugeordnet ist, insbesondere die Enden 66, 68 der Wippe 64. Allgemein kann das Fluidgehäuse 12 jedoch in analoger Weise zu den Ausführungsformen gemäß der 1 bis 3 auch nur einen ersten Fluidanschluss 14 und einen zweiten Fluidanschluss 16 umfassen.
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Die Betätigung des Folienwandlers 30 erfolgt im Wesentlichen in analoger Weise zu der in 1 beschriebenen Ausführungsform, wobei eine Betätigung des Folienwandlers 30 eine Veränderung der Wippenlage der Wippe 64 aus der in 4 gezeigten Ausgangsstellung zur Folge hat.
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Der Betätigungsvorsprung 60 des Kraftübertragungsteils 36 drückt bei angelegter Spannung aufgrund der „in-plane“-Betätigung in y-Richtung entlang der Betätigungsrichtung B auf das zugeordnete Ende 66 der Wippe 64, sodass die Wippe 64 entsprechend verschwenkt wird. Das Ende 66 der Wippe 64 drückt dann auf das Ventilelement 20, sodass das Ventilelement 20 den zugeordneten Ventilsitz 18 abdichtet. Gleichzeitig wird aufgrund der Schwenkbewegung der Wippe 64 der andere Ventilsitz 18 freigegeben, der dem anderen Ende 68 der Wippe 64 zugeordnet ist.
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Insofern kann über den Folienwandler 30 eingestellt werden, welcher der einen Ventilsitz 18 aufweisenden ersten Fluidanschlüsse 14 freigegeben werden, um mit dem zweiten Fluidanschluss 16 in Strömungsverbindung zu gelangen.
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Optional kann bei sämtlichen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass der elektroaktive Folienverbundaufbau 38 einen flexiblen Rahmen 72 umfasst, der das elektroaktive Polymermaterial umschließt, sodass dieses entsprechend geschützt ist.
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Sämtliche Ausführungsformen zeichnen sich dadurch aus, dass sich der Streifenaktor 28 bzw. Folienwandler 30 in Betätigungsrichtung B ausdehnt, sofern eine elektrische Spannung an den elektroaktiven Folienverbundaufbau 38 angelegt wird. Dies bedeutet, dass sich der elektroaktive Folienverbundaufbau 38 in die Richtung ausdehnt, in die auch das Kraftübertragungsteil 36 verstellt wird. Da die Betätigungsrichtung B in der Ebene liegt, die vom elektroaktiven Folienverbundaufbau 38 aufgespannt wird, ist es möglich, dass ein schmales Ventil 10 geschaffen werden kann, da sich die für die Verstellbewegung des Ventils 10 benötigten, sich bewegenden Teile in einer Richtung bewegen, nämlich der Betätigungsrichtung B.
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Zudem geht aus allen Ausführungsformen hervor, dass die Fluidanschlüsse 14, 16 jeweils an einer Seite des Fluidgehäuses 12 angeordnet werden können, wodurch sich ein schmales Ventil 10 ergibt, das auch unter schwierigen Einbaubedingungen eingesetzt werden kann.
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Generell können die elektrischen Kontakte 46, 48 beide im Halteteil 34 oder beide im Kraftübertragungsteil 36 angeordnet sein. Insbesondere vereinfacht die Anordnung der beiden elektrischen Kontakte 46, 48 im feststehenden Halteteil 34 den Aufbau des Streifenaktors 28 bzw. des Folienwandlers 30 und somit des Ventils 10.
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Der Aufbau des Streifenaktors 28 bzw. des Folienwandlers 30, also die „in-plane“-Betätigungsrichtung B, ermöglicht es, dass das Aktorgehäuse 32 ein Tiefen-Breitenverhältnis (Ausdehnung in z-Richtung zur Ausdehnung in x-Richtung) zwischen 1:15 und 1:2 hat, insbesondere zwischen 1:7 und 1:3.
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Das Ventil 10 weist demnach im Wesentlichen das gleiche Tiefen-Breitenverhältnis wie das Aktorgehäuse 32 auf.
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Generell kann der elektroaktive Folienverbundaufbau 38 auch durch einen mehrlagigen Folienverbundaufbau ausgebildet sein, der entsprechend mehrere Folien aus einem elektroaktiven Polymermaterial umfasst. Die einzelnen Folien sind dabei durch Elektroden 50, 52 voneinander getrennt, deren Polarität sich jeweils abwechselt, sodass jede Folie des Stapels von zwei unterschiedlichen Elektroden 50, 52 begrenzt ist, insbesondere vollflächig.
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Die jeweiligen Elektroden 50, 52 liegen demnach an entgegengesetzten Seiten einer jeder Folie an, wie dies bei dem elektroaktiven Folienverbundaufbau 38 mit nur einer Folie gemäß der gezeigten Ausführungsformen ebenfalls der Fall ist.
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Die mehreren Folien des als Stapel ausgebildeten elektroaktiven Folienverbundaufbaus 38 können an einer entsprechenden Stirnseite des Folienverbundaufbaus 38 jeweils durchkontaktiert sein, sodass alle Elektroden 50, 52 mit derselben Polarität durch nur einen zugeordneten Kontakt 46, 48 kontaktiert sind, der die entsprechende Polarität aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014114212 A1 [0003]
- DE 102016114531 A1 [0004]
