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Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Ventil.
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In einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten werden zur Steuerung von Luftströmen pneumatische Ventile eingesetzt. Dabei ist es bekannt, zur Betätigung solcher Ventile sog. SMA-Elemente 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 ihre ursprüngliche Form gebracht werden.
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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.
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Die Druckschrift
DE 102 57 549 B3 zeigt eine mechanische Reihenschaltung von SMA-Drähten, um den Stellhub eines Ventils zu erhöhen.
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In den Druckschriften
WO 2015/185132 A1 ,
WO 2015/086089 A1 sowie
DE 11 2013 007 678 T5 sind pneumatische SMA-Ventile gezeigt, bei denen der Hub eines SMA-Drahts über Gelenke in die Bewegung eines Ventilelements umgesetzt wird.
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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.
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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.
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Das Dokument
DE 10 2012 212 686 A1 offenbart ein Ventil mit einem einen Druckraum umschließenden, eine erste Medienöffnung aufweisenden Gehäuse und einem im Druckraum angeordneten, in einer ersten Stellung die Medienöffnung verschließenden und in einer zweiten Stellung die Medienöffnung öffnenden Ventilelement, wobei das Ventilelement von wenigstens einem drahtförmigen SMA-Element betätigt ist.
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Das Dokument
US 2007/0277877 A1 offenbart ein Ventilsystem, das mehrere SMA-betätigte Ventile zum Steuern eines Fluidstroms aufweist.
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Das Dokument
WO 2010/142452 A1 offenbart ein Ventil, das einen Körper mit mehreren Anschlüssen und einen Ventil-Aktuator aufweist. Der Ventil-Aktuator umfasst einen Schieber und mehrere Formgedächtnislegierungselemente. Durch Zufuhr von Energie zu einem der Formgedächtnislegierungselemente kann der Schieber zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung bewegt werden.
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Schließlich offenbart das Dokument
DE 11 2013 007 682 T5 ein SMA-Ventil, das zum Steuern einer Luftzufuhr zu einer Luftzelle in einem Fahrzeugsitz verwendet wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein pneumatisches Ventil zu schaffen, in dem auf einfache Weise mehrere Luftanschlüsse mit einem SMA-Element als Aktuator ansteuerbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch das pneumatische Ventil gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Das erfindungsgemäße pneumatische Ventil umfasst ein Ventilgehäuse, in dem eine Luftkammer mit mehreren Luftanschlüssen vorgesehen ist. Die Luftanschlüsse umfassen einen ersten und einen zweiten Luftanschluss. Der erste und zweite Luftanschluss können mittels einer beweglichen Ventilklappe, an der ein erstes und ein zweites Dichtelement angeordnet sind, geöffnet und dichtend geschlossen werden, wobei die Ventilklappe mechanisch an ein SMA-Element (vorzugsweise ein einzelnes SMA-Element) aus einer Formgedächtnislegierung (z.B. einer NiTi-Legierung) gekoppelt ist. In an sich bekannter Weise verformt sich das SMA-Element durch Zufuhr eines elektrischen Heizstroms, wodurch eine vorgegebene Bewegung der Ventilklappe bewirkt wird.
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Der Heizstrom ist in dem erfindungsgemäßen pneumatischen Ventil derart steuerbar, dass das SMA-Element eine erste, eine zweite und eine dritte Schaltstellung einnehmen kann, welche sich in der Position der Ventilklappe unterscheiden, wobei die Verformung des SMA-Elements in der dritten Schaltstellung größer ist als in der zweiten Schaltstellung und in der zweiten Schaltstellung größer ist als in der ersten Schaltstellung, wobei die erste Schaltstellung vorzugsweise ohne Zufuhr von Heizstrom eingenommen wird. Das erfindungsgemäße pneumatische Ventil umfasst somit eine geeignete Steuereinheit, um den Heizstrom wie soeben beschrieben zu steuern
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Darüber hinaus beinhaltet das erfindungsgemäße Ventil ein elastisches Mittel, welches ein Rückstellmoment (d.h. ein rückstellendes Drehmoments) auf die Ventilklappe ausübt. Das Rückstellmoment wirkt dabei der vorgegebenen Bewegung der Ventilklappe, d.h. der Bewegung der Ventilklappe bei Verformung des SMA-Elements durch Zufuhr von Heizstrom, entgegen.
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Die Ventilklappe wechselwirkt derart mit dem SMA-Element sowie dem ersten und zweiten Luftanschluss, dass bei Wechsel zwischen der ersten und zweiten Schaltstellung die Ventilklappe um eine erste (imaginäre) Achse gekippt wird und bei Wechsel zwischen der zweiten und dritten Schaltstellung die Ventilklappe um eine zweite (imaginäre) Achse gekippt wird, welche unterschiedlich zur ersten Achse ist. Dabei ist das Rückstellmoment, welches durch das elastische Mittel ausgeübt wird, bei Verkippung um die erste Achse niedriger als bei Verkippung um die zweite Achse. Vorzugsweise ist das Rückstellmoment bei Verkippung um die zweite Achse zumindest doppelt so groß wie bei Verkippung um die erste Achse. Ferner verlaufen die erste und die zweite Achse vorzugsweise parallel zueinander.
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Das erfindungsgemäße Ventil zeichnet sich dadurch aus, dass das Rückstellmoment ausgehend von der zweiten Schaltposition zum Wechseln in die dritte Schaltposition zunimmt. Aufgrund der Tatsache, dass bei SMA-Elementen die Umwandlungstemperatur, d.h. die Temperatur, bei der eine Verformung des Elements bewirkt wird, mit zunehmender zu überwindender Rückstellkraft ansteigt, kann die zweite Schaltstellung über einen definierten Temperaturbereich beibehalten werden, da der Übergang in die dritte Schaltstellung aufgrund des erhöhten Rückstellmoments erst bei einer höheren Temperatur als der Wechsel in die zweite Schaltstellung erfolgt. Auf diese Weise wird die Ansteuerung des Aktuators mit Heizstrom deutlich vereinfacht und es ist insbesondere nicht erforderlich, im Rahmen der Ansteuerung die zweite Schaltstellung des Ventils zu detektieren.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße pneumatische Ventil derart ausgestaltet, dass in der ersten Schaltstellung das erste Dichtelement den ersten Luftanschluss verschließt und das zweite Dichtelement den zweiten Luftanschluss freigibt, wohingegen in der zweiten Schaltstellung das erste Dichtelement den ersten Luftanschluss und das zweite Dichtelement den zweiten Luftanschluss verschließt und wobei in der dritten Schaltstellung das erste Dichtelement den ersten Luftanschluss freigibt und das zweite Dichtelement den zweiten Luftanschluss verschließt.
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In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die erste Achse dem ersten Luftanschluss gegenüber. Alternativ oder zusätzlich liegt analog die zweite Achse dem zweiten Luftanschluss gegenüber. Auf diese Weise kann ein kompakter Aufbau des Ventils gewährleistet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Ventils erzeugt das elastische Mittel ein Rückstellmoment, welches ein erstes Ende der Ventilklappe verdreht, wobei sich an einem zweiten Ende der Ventilklappe, welches entgegensetzt zu dem ersten Ende ist, die zweite Achse befindet und die erste Achse zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordnet ist. Vorzugsweise wirkt die das Rückstellmoment erzeugende Rückstellkraft auf das erste Ende der Ventilklappe. Mit dieser Ausführungsform wird ein einfacher Aufbau zur Erzeugung von zwei unterschiedlichen Rückstellmomenten erreicht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform greift das SMA-Element über einen ersten Hebel an der Ventilklappe an, wobei die Bewegung des ersten Hebelarms in die Bewegung eines zweiten Hebelarms umgesetzt wird, der sich zwischen der ersten Achse und der zweiten Achse erstreckt. Hierdurch kann ein kompakter Aufbau des erfindungsgemäßen Ventils erreicht werden. Vorzugsweise ist der zweite Hebelarm dabei länger als der erste Hebelarm, wodurch der Hub des SMA-Elements in einen vergrößerten Ventilhub umgesetzt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Variante erstreckt sich der zweite Hebelarm im Wesentlichen in die Richtung der Verformung des SMA-Elements. Alternativ oder zusätzlich ist der erste Hebelarm gegenüber den zweiten Hebelarm um einen Winkel zwischen 70° und 110°, vorzugsweise um 90°, gekippt. Die angegebenen Winkel beziehen sich dabei auf den kleineren Winkel zwischen den Richtungen des zweiten Hebelarms und der Verformung des SMA-Elements. Mit dieser Variante kann ein besonders kompakter Aufbau des erfindungsgemäßen Ventils erreicht werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das SMA-Element ein SMA-Draht, der sich vorzugsweise im Wesentlichen in einer Ebene erstreckt. Dieser Draht wird durch Zufuhr des elektrischen Heizstroms kontrahiert und bewirkt hierdurch die vorgegebene Bewegung der Ventilklappe. Nichtsdestotrotz besteht auch die Möglichkeit, dass das SMA-Element eine andere Form aufweist, z.B. kann es ggf. auch als eine Feder, wie z.B. eine Spiralfeder, ausgestaltet sein. In einer bevorzugten Variante ist der SMA-Draht über ein Umlenkelement, das die Richtung des SMA-Drahts umlenkt, mit der Ventilklappe mechanisch gekoppelt. Die Umlenkung kann dabei unterschiedlich gewählt sein. Vorzugsweise erfolgt die Umlenkung um 180°, wodurch die Abmessungen des Ventils verkleinert werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das obige elastische Mittel, das die Rückstellkraft erzeugt, ein oder mehrere Federelemente, insbesondere eine oder mehrere Spiralfedern und/oder eine oder mehrere Blattfedern. Dabei wird zumindest ein Teil des Rückstellmoments und insbesondere das gesamte Rückstellmoment durch das oder die Federelemente erzeugt.
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In einer weiteren Variante ist die Ventilklappe des erfindungsgemäßen Ventils gegen eine Bewegung in Richtung der Verformung des SMA-Elements und vorzugsweise auch gegen eine Bewegung senkrecht zur Verformung des SMA-Elements abgestützt. In einer bevorzugten Variante wird diese Abstützung mittels einer Blattfeder bewirkt. Das obige elastische Mittel kann dabei die Blattfeder umfassen, wobei zumindest ein Teil des Rückstellmoments durch die Blattfeder erzeugt wird. Gegebenenfalls können auch noch ein oder mehrere weitere Federelemente zur Erzeugung des Rückstellmoments vorgesehen sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils ist das erste und das zweite Dichtelement Bestandteil des gleichen einstückigen Bauteils, welches an der Ventilklappe befestigt ist. Vorzugsweise erfolgt die Befestigung des einstückigen Bauteils nur im Bereich des zweiten Dichtelements. Mit dieser Variante der Erfindung wird die Herstellung des pneumatischen Ventils vereinfacht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das SMA-Element durch eine Abschirmwand geführt, welche einen Teilabschnitt des SMA-Elements von dem ersten und zweiten Luftanschluss abschirmt, wobei die Abschirmwand vorzugsweise an der Ventilklappe oder an dem Ventilgehäuse befestigt ist. In dieser Ausführungsform wird eine Veränderung des Verhaltens des SMA-Elements aufgrund einer Abkühlung durch die Luftströmung an den Luftanschlüssen vermieden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils umfasst das Ventilgehäuse eine Grundplatte aus nicht-leitendem Material, insbesondere aus Kunststoff. Vorzugsweise ist die Grundplatte ein Spritzgussbauteil. Die Grundplatte teilt das Innere des Ventilgehäuses in die Luftkammer und einen von der Luftkammer separierten Bereich, wobei in dem separierten Bereich vorzugsweise eine elektronische Steuereinheit zur Steuerung der Ventilklappe angeordnet ist, wobei die Steuereinheit die erste, zweite und dritte Schaltstellung einstellt und einen Wechsel zwischen diesen Schaltstellungen bewirkt. Mittels dieser Variante der Erfindung können empfindliche Bauteile vor dem Luftstrom in der Luftkammer sowie vor Feuchtigkeit in der Luftkammer geschützt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erste Luftanschluss ein Zuluftanschluss für die Luftkammer und der zweite Luftanschluss ein Abluftanschluss für die Luftkammer oder umgekehrt. Vorzugsweise ist ferner ein nicht-steuerbarer Arbeitsanschluss an der Luftkammer vorgesehen, d.h. ein Luftanschluss ohne Ventilklappe. In einer Variante ist dabei der erste und zweite Luftanschluss an dem Ende des Ventilgehäuses angeordnet, an dem der nicht-steuerbare Luftanschluss liegt. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass der Luftstrom nur zum Teil an dem SMA-Element vorbeigeführt wird und er somit die Eigenschaften des SMA-Elements nicht negativ beeinflusst.
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Das erfindungsgemäße pneumatische Ventil ist vorzugsweise zum Befüllen und/oder Entleeren zumindest einer elastischen Luftblase in einer Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes in einem Verkehrsmittel vorgesehen. Mit anderen Worten umfasst die Erfindung auch eine Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes in einem Verkehrsmittel mit zumindest einer elastischen Luftblase sowie zumindest einem erfindungsgemäßen Ventil zum Befüllen und/oder Entleeren der zumindest einen Luftblase.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 bis 3 Schnittansichten durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils in drei verschiedenen Schaltstellungen;
- 4 eine Draufsicht auf das Ventils aus 1 bis 3;
- 5 eine Draufsicht auf die Blattfeder, welche in dem Ventil der 1 bis 4 verbaut ist; und
- 6 ein Kraft-Weg-Diagramm zur Verdeutlichung einer Betätigungsabfolge des Ventils aus 1 bis 4.
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand eines pneumatischen 3/3-NO-Ventils beschrieben, das zum Befüllen und Entlüften einer elastischen Luftblase (nicht gezeigt) in einer Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Kraftfahrzeugsitzes eingesetzt wird. Nichtsdestotrotz ist das nachfolgend beschriebene pneumatische Ventil auch für beliebige andere Verwendungszwecke einsetzbar.
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1 zeigt eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils. Der Schnitt verläuft entlang der Linie I-I der Draufsicht von 4, wobei jedoch auch außerhalb der Schnittebene liegende Bauteile aus 1 ersichtlich werden.
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Das in 1 bis 3 gezeigte Ventil ist mit Bezugszeichen 1 bezeichnet und umfasst ein Gehäuse 2, in dem mehrere Luftanschlüsse ausgebildet sind. Im Besonderen ist ein nicht-steuerbarer Arbeitsanschluss 4 vorgesehen, über den mittels des Ventils Luft zu einer Luftblase geführt bzw. von dieser abgeleitet wird. Darüber hinaus enthält das Ventil die beiden weiteren Luftanschlüsse 3 und 3'. Der Luftanschluss 3 ist ein Zuluftanschluss, der mit einem Luftkanal 5 verbunden ist, der wiederum an eine Luftdruckzufuhr (nicht gezeigt) angeschlossen ist. Der Luftanschluss 3' ist ein Abluftanschluss, über den Luft aus dem Ventil nach außen geführt wird. Dabei ist benachbart zum Luftanschluss 3' ein Dämpfungselement 6 vorgesehen, mit dem nach außen dringende Geräusche des Ventils 1 vermindert werden. Die Luftanschlüsse 3 und 3' sind mittels einer beweglichen Ventilklappe 8 steuerbar, d.h. über die Ventilklappe 8 werden die Luftanschlüsse geöffnet und dichtend verschlossen, wie weiter unten noch näher erläutert wird.
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Gemäß 1 ist ein SMA-Draht 7 aus einer an sich bekannten Formgedächtnislegierung in horizontaler Richtung gespannt. Der Draht 7 ist am Gehäuse 2 sowie an entsprechenden Kontaktpins 15 durch Crimpen mittels metallischer Crimp-Elemente 20 befestigt. Die genaue Crimp-Verbindung ist dabei für die Erfindung nicht wesentlich und ist somit in 1 bis 4 nicht im Detail wiedergegeben. Über die Kontaktpins 15 wird dem Draht elektrischer Heizstrom zugeführt. Die Kontaktpins 15 sind hierzu mit einer Leiterplatte 17 im unteren Bereich des Gehäuses 2 verbunden, welche die Zufuhr der elektrischen Heizleistung steuert, wobei die Spannung zur Zufuhr der Heizleistung z.B. vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs stammt.
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Aus der Draufsicht der 4 ergibt sich nochmals die Führung des Drahts 7. Wie man erkennt, ist der Draht an seinen rechten Enden über jeweilige Crimp-Elemente 20 am Gehäuse befestigt. Der Draht erstreckt sich in 4 ausgehend von einem oberen Crimp-Element 20 und einem oberen Kontaktpin 15 zunächst als gerader Abschnitt 701 in Richtung hin zu der Ventilklappe 8. Dort wird er als gebogener Abschnitt 703 um einen von der Ventilklappe vorstehenden Zylinder 11 in einer darin vorgesehenen Nut herumgeführt, wobei der Zylinder ein Umlenkelement im Sinne der Ansprüche darstellt. Anschließend mündet der Draht wieder in einen geraden Abschnitt 702, der zu einem unteren Crimp-Element 20 führt, das mittels eines unteren Kontaktpins 15 mit der Leiterplatte 17 verbunden ist.
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Das Gehäuse 2 umfasst einen Deckel 202, eine Bodenabdeckung 203 sowie eine schraffiert wiedergegebene Grundplatte 201, die in 1 im Schnitt dargestellt sind. Die Grundplatte besitzt umlaufende Wände und enthält die Luftanschlüsse 3, 3', 4 sowie den Luftkanal 5. Die Grundplatte teilt das Ventilgehäuse 2 in eine Luftkammer 18, in der sich die Ventilklappe 8 sowie deren mechanischer Betätigungsmechanismus inklusive des SMA-Drahts 7 befindet, sowie in einen von der Luftkammer separierten Bereich 19, in dem sich die Leiterplatte 17 mit deren elektronischen Bauteilen befindet. Die Luftkammer 18 ist gegenüber der Ventilumgebung und gegenüber dem separierten Bereich 19 druckdicht abgeschlossen. Die Leiterplatte ist somit gegenüber dem durch die Luftkammer 18 geführten Luftstrom geschützt.
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Auf der Unterseite des Deckels 202 befindet sich ferner eine Abschirmung 13 mit zwei nach unten offenen Schlitzen, durch welche die beiden geraden Abschnitte 701 und 702 des SMA-Drahts 7 geführt werden. Mittels dieser Abschirmung wird ein Großteil des SMA-Drahts 7 von der Luftströmung im Bereich der Luftanschlüsse isoliert. Hierdurch wird ein gleichbleibendes Verhalten der Formgedächtnislegierung des Drahts sichergestellt, da die Temperatur des Drahts nicht durch vorbeiströmende Luft verändert wird und hierdurch seine Eigenschaften beeinflusst werden. Gegebenenfalls kann die Abschirmung 13 anstatt auf dem Deckel 202 auch auf der Oberseite der Ventilklappe 8 angeformt werden.
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Wie bereits erwähnt, sind an der Leiterplatte 17 die Kontaktpins 15 angeschlossen, die über abgedichtete Durchführungen 16 in der Grundplatte 201 in die Luftkammer 18 geführt werden und dort mit dem SMA-Draht 7 verbunden sind. Die Grundplatte 201 besteht aus formstabilem Kunststoff und wird zusätzlich durch den Deckel 202 sowie die Bodenabdeckung 203 stabilisiert. Der Deckel kann mit der Grundplatte 201 verklebt oder verschweißt sein. Da die elektrischen Bauteile des Ventils auf der separaten Leiterplatte 17 sitzen, benötigt die Grundplatte 201 keine elektrischen Leiterbahnen, so dass sie aus Kunststoff gefertigt werden kann. Insbesondere stellt sie ein Spritzgussbauteil dar, wodurch die integrale Ausbildung der Luftanschlüsse 3, 3' und 4 in der Grundplatte ermöglicht wird. Als Material für die Grundplatte wird vorzugsweise ein verzugsarmer und verwindungssteifer Kunststoff verwendet, ggf. kann im Bereich der Düsen der einzelnen Luftanschlüsse auch ein Einsatz vorgesehen sein oder der Kunststoff an diesen Stellen aus einem anderen Material gebildet sein. Zum Beispiel kann der Bereich der Ventildüsen aus einem Kunststoff ohne Faserverstärkung hergestellt sein, wohingegen der Rest der Grundplatte solche Fasern zur Erhöhung ihrer Stabilität enthält. Durch die Verwendung von nicht verstärktem Kunststoff im Bereich der Düsensitze kann die Abdichtung bei verschlossenen Anschlüssen verbessert werden.
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Wie bereits erwähnt, werden durch die Grundplatte 201 die Kontaktpins 15 über Durchführungen 16 geführt. Die Grundplatte besitzt dabei auch die Aufgabe, die durchgeführten Kontaktpins abzudichten. Dies kann durch Einspritzen der entsprechenden Pins, durch Einpressen (ggf. durch eine elastische Dichtung hindurch) oder durch Verkleben dieser Pins geschehen.
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Die Ventilklappe 8 der 1 weist eine rechteckige Form mit einem linken Ende 801 und einem rechten Ende 802 auf. Diese Form der Ventilklappe wird aus der Draufsicht der 4 ersichtlich. Am linken Ende 801 der Ventilklappe befindet sich ein kreuzförmiger Abschnitt, der sich senkrecht nach oben erstreckt und lediglich aus 4 ersichtlich ist. Um diesen kreuzförmigen Abschnitt ist eine Spiralfeder 12 angeordnet, die auf die Oberseite der Ventilklappe 8 drückt und die Innenseite des Ventildeckels 202 als Widerlager nutzt. Mittels dieser Spiralfeder wird eine Rückstellkraft bzw. ein Rückstellmoment auf die Ventilklappe 8 ausgeübt, wodurch die Ventilklappe 8 im unbestromten Zustand des SMA-Drahts 7 in der in 1 gezeigten Stellung gehalten wird.
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Die Ventilklappe 8 umfasst ferner auf ihrer Unterseite elastische Dichtelemente bzw. Dichtpads 9, 9'. Die Dichtelemente 9 und 9' dienen zur Abdichtung der Luftanschlüsse 3 und 3'. Im dichtenden Zustand liegen die entsprechenden Dichtelemente auf den dargestellten konischen Ventilsitzen der Luftanschlüsse 3 bzw. 3' auf. Die beiden Dichtelemente 9, 9' sind integraler Bestandteil eines Bauteils aus Weichkunststoff, das in 1 bis. 3 gepunktet wiedergegeben ist. Dieses Bauteil umfasst neben den Dichtelementen 9 und 9' einen Steg 901, der die beiden Dichtelemente 9 und 9' verbindet, sowie einen Zapfen 902 mit einem Wulst an seinem oberen Ende. Über den Zapfen wird das einstückige Bauteil an der Ventilklappe gehalten. Hierzu wird der Zapfen durch eine Öffnung am rechten Ende 802 der Ventilklappe hindurch gepresst, so dass sein Wulst aus der Oberseite der Ventilklappe hindurchtritt und dadurch das Bauteil mit seinen Dichtelementen an der Ventilklappe hält.
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Es ist in der Ausführungsform der 1 nicht zwingend erforderlich, das einstückige Bauteil noch an weiteren Stellen an der Ventilklappe zu befestigen. Im Besonderen muss im Bereich des Dichtpads 9 nicht sichergestellt werden, dass das Dichtpad 9 an der Unterseite der Ventilklappe 8 anhaftet. Dies liegt daran, dass in der gezeigten Ausführungsform am Luftanschluss 3 ein Überdruck aufgrund der Verbindung mit dem Luftkanal 5 vorliegt, so dass bei einem Anheben der Ventilklappe zum Öffnen des Luftanschlusses 3 durch den Überdruck sichergestellt ist, dass sich auch das Dichtpad 9 von dem Luftanschluss abhebt.
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Zusätzlich zu der Spiralfeder 12 ist an der Ventilklappe 8 ferner eine metallische Blattfeder 10 vorgesehen, welche zwei quadratische, vertikal nach oben verlaufende Fahnen 10b umfasst, wie insbesondere näher aus 4 und 5 ersichtlich ist. In 1 bis 3 ist dabei nur die hintere Fahne 10b gezeigt, welche der oberen Fahne in 4 und 5 entspricht. Zwischen den Fahnen 10b befindet sich das eigentliche Federblatt, dessen Form aus den Draufsichten der 4 und Fig. 5 näher ersichtlich ist. Das Federblatt umfasst zwei Querstege 10c, wobei sich einer der Querstege zwischen den Fahnen 10b erstreckt. Am rechten Ende des Federblatts befindet sich im entsprechenden Quersteg 10c eine Öffnung, welche mit der oben beschriebenen Öffnung in der Ventilklappe fluchtet, über welche der Zapfen 901 eingeführt wird. Demzufolge befindet sich auf der Unterseite des rechten Stegs 10c das Dichtpad 9', wohingegen die Oberseite des rechten Stegs 10c an der Unterseite der Ventilklappe 8 anliegt.
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Die beiden Querstege 10c der Blattfeder 10 sind über Längsstege 10a miteinander verbunden, wobei die Längsstege nicht vollflächig an der Unterseite der Ventilklappe 8 anliegen, sondern schräg zu dieser Unterseite vom rechten Quersteg hin zu den Fahnen 10b verlaufen, wie aus 1 bis 3 ersichtlich wird. Zwischen den Längsstegen 10a findet sich eine U-förmige Aussparung, wodurch eine Zunge 10d in der Blattfeder gebildet wird. Am linken Ende der Zunge befindet sich auf deren Unterseite das Dichtelement 9. Das Federblatt der Blattfeder wird auf die Unterseite der Ventilklappe 8 formschlüssig gehalten, so dass die Federkräfte der Blattfeder auf die Ventilklappe übertragbar sind.
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Die Blattfeder 10 ist mittels der beiden Fahnen 10b drehfest am Gehäuse fixiert, d.h. es sind entsprechende Mittel vorgesehen, welche die beiden Fahnen 10b an den Wänden des Gehäuses 2 fixieren. Diese Fixierung ist in den Figuren nicht näher angedeutet. Man erkennt jedoch aus 4, dass die beiden Fahnen 10b mit den Seitenwänden des Gehäuses in Kontakt stehen. Über die Fixierung der Blattfeder 10 wird eine horizontale Verschiebung der Ventilklappe 8 bei Bestromung des SMA-Drahts 7 und der damit verbundenen Verkürzung des Drahts vermieden. Die Elastizität der Blattfeder ermöglicht jedoch eine Verdrehung der Ventilklappe 8, wie im Folgenden noch näher erläutert wird.
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Die Blattfeder 10 ist im Ventil 1 in einem vorgespannten Zustand montiert, so dass zusätzlich zur Spiralfeder 12 auch die Blattfeder eine Kraft zur Abdichtung des Luftanschlusses 3 mittels des Dichtelements 9 hin zu dem Düsensitz ausübt. Mit anderen Worten wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Rückstellkraft bzw. ein Rückstellmoment sowohl durch die Spiralfeder 12 als auch durch die Blattfeder 10 generiert. In abgewandelten Ausführungen ist es auch möglich, dass diese Rückstellkraft nur durch die Spiralfeder oder ggf. auch nur durch die Blattfeder erzeugt wird. Im letzteren Fall kann dann die Spiralfeder weggelassen werden.
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Durch die soeben beschriebene Anordnung wird ein Hebelmechanismus nach Art einer Wippe geschaffen, wobei je nach Wechsel der Schaltstellungen eine Verkippung der Ventilklappe 8 um unterschiedliche (imaginäre) Achsen A1 und A2 bewirkt wird. Beide Achsen A1 und A2 verlaufen dabei in 1 bis 3 senkrecht zur Blattebene, wobei sich die Achse A1 oberhalb des Düsensitzes des Luftanschlusses 3 befindet, wohingegen die Achse A2 oberhalb des Düsensitzes des Luftanschlusses 3' angeordnet ist. Mittels dieser beiden unterschiedlichen Achsen kann eine Variation des auf die Ventilklappe wirkenden Rückstellmoments erreicht werden und hierdurch eine zuverlässige Ansteuerung des Ventils mit drei unterschiedlichen Schaltstellungen über den SMA-Draht sichergestellt werden, wie im Folgenden näher beschrieben wird. Darüber hinaus wird eine geometrische Übersetzung des in der Regel sehr kleinen Hubs des SMA-Drahts (z.B. Kontraktion um ca. 0,5% bis 2% der Drahtlänge) in einen größeren Ventilhub erreicht.
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In der Schaltstellung der 1 ist der SMA-Draht 7 unbestromt, was der Ruhelage des SMA-Aktuators entspricht. In dieser Schaltstellung wird die Ventilklappe 8 in einem verkippten Zustand gehalten, in dem das Dichtpad 9 den Luftanschluss 3 abdichtet, wohingegen das Dichtpad 9' vom Luftanschluss 3' abgehoben ist. Die Verkippung der Ventilklappe erfolgt dabei um die Achse A1.
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Um von der ersten Schaltstellung der 1 in die in 2 gezeigte zweite Schaltstellung zu gelangen, wird der SMA-Draht 7 bestromt, was zu einer Erwärmung des Drahts und einer damit verbundenen Kontraktion führt. Der Draht greift dabei über einen kurzen ersten Hebelarm, der durch den Abstand des Drahts zu Achse A1 gegeben ist, an der Ventilklappe 8 an. Die Kraft des Drahts wirkt gegen ein Rückstellmoment, welches durch die Rückstellkraft der Spiralfeder 12 und der Blattfeder 10 sowie dem Abstand zwischen der Achse A1 zur Spiralfeder 12 bzw. zur Fahne 10b gegeben ist. Aufgrund des relativ geringen Abstands der Achse A1 zur Spiralfeder 12 bzw. Fahne 10b wirkt zunächst ein geringes Rückstellmoment. Gegen dieses geringe Rückstellmoment verkippt der SMA-Draht 7 die Ventilklappe 8 um die erste Achse A1, wodurch die Bewegung eines zweiten Hebelarms generiert wird, der durch den Abstand zwischen der Achse A1 und A2 gegeben ist. Die Länge des zweiten Hebelarms ist dabei größer als die Länge des oben beschriebenen ersten Hebelarms, wodurch eine Vergrößerung des Aktuatorhubs erreicht wird. Je nach Abmessungen wird insbesondere eine Vergrößerung des Aktuatorhubs um einen Faktor zwischen 2 und 5 erreicht.
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Die kontinuierliche Zufuhr von Heizleistung und die damit verbundene Kontraktion des SMA-Drahts 7 führt schließlich zu der in 2 gezeigten Schaltstellung, bei der sowohl der Zuluftanschluss 3 als auch der Abluftanschluss 3' durch die entsprechenden Dichtpads 9 bzw. 9' geschlossen ist. In dieser Schaltstellung befindet sich der SMA-Aktuator in einer Mittellage und die Ventilklappe 8 ist in einer horizontalen Stellung angeordnet. Diese Mittellage kann über einen längeren Zeitraum auch bei weiterer Zufuhr von Heizleistung und damit verbundener Erhöhung der Temperatur des SMA-Drahts beibehalten werden. Dies liegt daran, dass die Umwandlungstemperatur von SMA-Elementen mit zunehmender Rückstellkraft bzw. zunehmendem Rückstellmoment größer wird. Die Vergrößerung des Rückstellmoments wird dabei dadurch verursacht, dass ausgehend von der Schaltstellung der 2 die weitere Verkippung der Ventilklappe um die Achse A2 erfolgt, deren Abstand zur Spiralfeder 12 bzw. Fahne 10b doppelt so groß ist wie der Abstand der Achse A1, was zu einer Verdopplung des Rückstellmoments führt. Demzufolge muss die Temperatur des Drahts 7 stärker erhöht werden, um das größere Rückstellmoment um die Achse A2 zu überwinden. Aufgrund der beiden unterschiedlichen Rückstellmomente um die Achsen A1 oder A2 wird eine sehr gute Ansteuerung des Ventils zur Einstellung der Mittellage erreicht.
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Bei weiterer Zufuhr von Heizleistung erreicht der SMA-Draht schließlich die Umwandlungstemperatur, welche zur Überwindung des Rückstellmoments um die Achse A2 ausreicht, so dass die Ventilklappe 3 um die Achse A2 verkippt, was zu dem in 3 dargestellten dritten Schaltzustand führt, welcher der Endlage des SMA-Aktuators entspricht. In diesem Schaltzustand ist das Dichtelement 9 von dem Ventilsitz des Luftanschlusses 3 abgehoben, wohingegen das Ventilelement 9' weiterhin den Ventilsitz des Luftanschlusses 3' verschließt. Um diese Schaltstellung wieder zu verlassen, kann die Bestromung des Aktuators abgeschaltet bzw. reduziert werden, wodurch sich der SMA-Draht 7 wieder ausdehnt und demzufolge wieder die zweite und anschließend die erste Schaltstellung eingenommen werden.
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Im Folgenden wird eine typische Ansteuerung des Ventils der 1 bis 4 anhand des Kraft-Weg-Diagramms der 6 erläutert. In diesem Diagramm ist entlang der Abszisse die Aktuatorkraft F aufgetragen, welche durch den SMA-Draht erzeugt wird. Die Kraft wird dabei durch prozentuale Werte angegeben, wobei 100% dem Kraftwert bei maximaler Temperatur des SMA-Drahts gemäß der Ansteuerung durch Zufuhr von Heizstrom entspricht. Entlang der Ordinate ist demgegenüber der Weg x angedeutet, der die zurückgelegte Bewegung des Dichtelements 9 bzw. 9' repräsentiert.
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Gemäß der Betätigungsabfolge des Kraft-Weg-Diagramms der 6 wird zunächst der durch den Pfeil P1 dargestellte Vorgang durchgeführt, der zu einem Befüllen der an der Arbeitsanschluss 4 angeschlossenen Luftblase führt. Dabei wird ausgehend von der Ruhelage der 1 dem SMA-Draht 7 kontinuierlich Heizstrom zugeführt. Die mit der Zufuhr des Heizstroms verbundene Erwärmung des Drahts führt in dem dargestellten Kraft-Weg-Verlauf bei 10% der maximalen Aktuatorkraft zur Überwindung der Dichtkraft des Dichtelements 9. Als Folge beginnt die Ventilklappe 8 um die erste Kippachse A1 zu kippen, was zur Bewegung des Dichtelements 9' hin zu dem Düsensitz des Luftanschlusses 3' führt. Bei etwa 30% der maximalen Aktuatorkraft steht die Ventilklappe 8 waagrecht, d.h. es wird die Mittellage gemäß 2 eingenommen.
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Ab diesem Zeitpunkt wirkt ein höheres Rückstellmoment, da nunmehr eine Verdrehung der Ventilklappe 8 um die Achse A2 bewirkt wird. Dieses höhere Rückstellmoment wird bei etwa 60% der maximalen Aktuatorkraft überwunden, woraufhin sich die Ventilklappe 8 um die zweite Achse A2 dreht. Bei 100% der Aktuatorkraft ist der Zuluftanschluss 3 ganz geöffnet, was der Endlage des Aktuators entspricht. In diesem Zustand erfolgt für eine vorbestimmte Befüllzeit die Befüllung der am Arbeitsanschluss 4 angeschlossenen Luftblase über den Luftkanal 5.
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Nach Ende der Befüllzeit wird die Heizleistung am SMA-Draht 7 soweit reduziert, dass die SMA-Rückumwandlung des Formgedächtnismaterials und damit entsprechend dem Pfeil P2 der 2 eine Ausdehnung des SMA-Drahts erfolgt, so dass die Mittellage gemäß dem Schaltzustand der 2 erreicht wird. Zu diesem Zeitpunkt nimmt das Rückstellmoment durch das Wechseln der Kippachse von der Achse A2 auf die Achse A1 ab, wodurch die Umwandlungstemperatur des Drahts abnimmt und damit dessen Rückumwandlung bzw. Ausdehnung bei 30% bis 60% der maximalen Aktuatorkraft zum Erliegen kommt. Dieser Zustand ist in 6 mit „Halten“ bezeichnet und entspricht dem zweiten Schaltzustand gemäß 2. Da dieser Zustand einen relativ großen Temperaturbereich von beispielsweise 5 bis 20°C des Drahts abdeckt, kann auf einfache Weise eine Ansteuerung realisiert werden, die den zweiten Schaltzustand hält.
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Soll schließlich die am Arbeitsanschluss angeschlossene Luftblase wieder entlüftet werden, wird der Entlüftungsvorgang gemäß Pfeil P3 der 6 durchgeführt. Hierfür wird die Zufuhr von Heizleistung zum SMA-Draht 7 beendet, woraufhin sich die Rückumwandlung des Drahts und dessen Ausdehnung fortsetzt, so dass wieder die Ruhelage erreicht wird, in der die Luft aus der Luftblase über den Abluftabschluss 3' nach außen abgeführt wird.
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Das dargestellte Kraft-Weg-Diagramm der 6 ist lediglich beispielhaft und die dort angegebenen prozentualen Werte können je nach Ausgestaltung des Ventils unterschiedlich gewählt werden. Im Besonderen kann sich der SMA-Aktuator in der Ruhelage der 1 bereits in einem vorgespannten Zustand befinden, so dass der prozentuale Bereich der Mittellage weiter nach rechts wandern kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Dichtelement 9 auch an einer zylindrischen Ausbuchtung an der Unterseite der Ventilklappe 8 anliegen, wobei sich die Längsachse der zylindrischen Ausbuchtung senkrecht zur Blattebene der 1 bis 3 erstreckt. Auf diese Weise wird bei der Bewegung der Ventilklappe von der Schaltstellung der 1 in die Schaltstellung der 2 eine feste Andrückposition des Dichtpads 9 im Wesentlichen mittig auf den Düsensitz des Luftanschlusses 3 sichergestellt.
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Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann ein einfach aufgebautes 3/3-NO-Ventil unter Verwendung lediglich eines SMA-Drahts realisiert werden. Über zwei unterschiedliche Kippachsen können dabei unterschiedliche Rückstellmomente generiert werden, so dass die Mittellage des Ventils einfach angesteuert werden kann, ohne dass eine Detektion dieser Mittellage erforderlich ist. Darüber hinaus gewährleistet das Ventil eine flache Bauform durch eine optimierte Hebelanordnung mit Hubvergrößerung.
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Durch die Verwendung einer Blattfeder wird sichergestellt, dass die Dichtelemente die entsprechenden Düsensitze immer an derselben Position berühren, wodurch eine bestmögliche Abdichtung erzielt wird. Darüber hinaus unterstützt die Blattfeder eine Schälbewegung der Dichtelemente beim Öffnen des entsprechenden Ventilsitzes und beugt somit einem „Hängen“ des Ventils durch klebende Dichtpads vor.
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Mittels einer Grundplatte kann ferner die Ausbildung eines von der Luftkammer getrennten Bereichs im Ventilgehäuse gewährleistet werden. In diesem Bereich können dann elektronische Bauteile angeordnet werden, welche gegen Luftströmung und Luftfeuchtigkeit in der Luftkammer geschützt sind. Darüber hinaus kann durch die Verwendung einer Abschirmung, durch welche der SMA-Draht geführt wird, das Vorbeiströmen der Luftströmung an diesem Draht reduziert werden, um hierdurch ein gleichmäßiges Verhalten des Drahts zu gewährleisten.
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Ferner wird durch die Anordnung der Ventilsitze in Richtung hin zu dem Deckel des Ventilgehäuses sowie die integrale Ausbildung der Sitze in der Grundplatte eine einfache Fertigung und ein einfacher Zusammenbau des Ventils gewährleistet. Insbesondere ist der Betätigungsmechanismus der Ventilklappe in einem gut zugänglichen Bereich des Gehäuses angeordnet, so dass die Montage und die Qualitätskontrolle der Bauteile erleichtert wird.
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Im Vorangegangenen wurde die Erfindung anhand eines pneumatischen Ventils erläutert. Nichtsdestotrotz kann die Erfindung ggf. auch allgemein als Fluidventil realisiert sein. In diesem Fall stellt die oben beschriebene Luftkammer eine Fluidkammer dar und 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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventil
- 2
- Ventilgehäuse
- 201
- Grundplatte
- 202
- Deckel
- 203
- Bodenabdeckung
- 3, 3', 4
- Luftanschlüsse
- 5
- Luftkanal
- 6
- Dämpfungselement
- 7
- SMA-Draht
- 701, 702
- gerade Abschnitte des Drahts
- 703
- gebogener Abschnitt des Drahts
- 8
- Ventilklappe
- 801
- erstes Ende der Ventilklappe
- 802
- zweites Ende der Ventilklappe
- 9
- erstes Dichtelement
- 9'
- zweites Dichtelement
- 901
- Steg
- 902
- Zapfen
- 10
- Blattfeder
- 10a
- Längsstege
- 10b
- Fahnen
- 10c
- Querstege
- 10d
- Zunge
- 11
- Zylinder
- 12
- Spiralfeder
- 13
- Abschirmung
- 14
- Führung für Spiralfeder
- 15
- Kontaktpin
- 16
- Durchführungen
- 17
- Leiterplatte
- 18
- Luftkammer
- 19
- von der Luftkammer separierter Bereich
- 20
- Crimp-Elemente
- F
- Aktuatorkraft
- x
- Weg
- P1, P2, P3
- Pfeile
