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Die vorliegende Erfindung betrifft ein pneumatisches Ventil, insbesondere für eine Fluidblase einer pneumatischen Verstellvorrichtung eines Fahrzeugsitzes. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Ventilbaugruppe mit einem derartigen Ventil sowie eine Verstellvorrichtung mit einem derartigen Ventil.
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In einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten werden zur Steuerung von Fluidströmen pneumatische Ventile eingesetzt. Derartige pneumatische Ventile befinden sich beispielsweise in einer pneumatischen Verstellvorrichtung zum Verstellen einer Sitzfläche bzw. Sitzlehne (zusammen als Sitzanlagefläche bezeichnet) eines Fahrzeugsitzes. Die Verstellvorrichtung weist üblicherweise in einem Bereich der Sitzanlagefläche ein oder mehrere Fluidkammern bzw. Fluidblasen auf, die mit einem Fluid, insbesondere mit einer Druckluft, befüllt werden können. Durch das Befüllen einer jeweiligen Fluidblase mit Fluid wird deren Volumen vergrößert, wodurch die Eigenschaften der Sitzanlagefläche verändert und damit eine Kontur der Sitzanlagefläche angepasst werden kann. Zur Befüllung der Fluidblasen mit Fluid wird das Fluid zunächst von einer Fluidquelle wie einem Fluidkompressor erzeugt und anschließend über ein oder mehrere pneumatische Ventile zu einer jeweiligen Fluidblase geführt.
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Dabei ist es bekannt, zur Betätigung solcher Ventile sogenannte Ventilaktuatoren zu verwenden. Diese Ventilaktuatoren sind dazu ausgebildet, ein Membranelement des Ventils zu betätigen, sodass ein Fluidanschluss des Ventils geöffnet und/oder geschlossen werden kann.
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Bei einer ersten Gruppe von bekannten pneumatischen Ventilen sind derartige Ventilaktuatoren im Ventil derart angeordnet, dass eine völlige fluidmäßige Trennung zwischen dem Fluid und dem Ventilaktuator besteht. Diese vollständige Trennung kann beispielsweise durch eine fluiddichte Trennschicht zwischen dem Membranelement und dem Ventilaktuator erreicht werden. Nachteilig dabei ist allerdings die zusätzlich benötigte Stellkraft des Ventilaktuators, da nicht nur das Membranelement sondern auch die fluiddichte Trennschicht bewegt werden muss.
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Bei einer zweiten Gruppe von bekannten pneumatischen Ventilen ist der Ventilaktuator innerhalb des mit Fluid durchströmten Ventilraums, insbesondere des mit der Fluidquelle verbundenen Ventilraums, angeordnet. Zwar wird bei dieser Gruppe von pneumatischen Ventilen keine zusätzliche Stellkraft des Ventilaktuators benötigt. Nachteilig ist allerdings, dass die Ventilaktuatoren gegenüber der Umgebung fluidmäßig abgedichtet werden müssen. Dies führt zu zusätzlichen Kosten und einem erhöhten Konstruktionsaufwand für das Ventil.
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Aus dem Dokument
DE 10 2015 219 182 A1 ist ein pneumatisches Magnetventil mit einer Luftkammer bekannt, in der mehrere elektromagnetische Aktoren angeordnet sind und an der mehrere Luftanschlüsse vorgesehen sind, welche über mehrere Schaltstellungen des Magnetventils unter Zwischenschaltung der Luftkammer verschaltbar sind. Die Luftanschlüsse an der Luftkammer sind derart positioniert, dass in jeder offenen Schaltstellung des Magnetventils, in der ein Luftstrom durch die Luftkammer fließt, der Luftstrom an zumindest einem elektromagnetischen Aktor vorbeigeführt wird.
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Aus dem Dokument
DE 10 2017 204 662 B3 ist ein pneumatisches Ventil bekannt, das ein Ventilgehäuse, in dem eine Luftkammer mit mehreren Luftanschlüssen vorgesehen ist, aufweist. Ein erster Luftanschluss und ein zweiter Luftanschluss können dabei mittels einer beweglichen Ventilklappe geöffnet und dichtend geschlossen werden.
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Aus dem Dokument
DE 10 2013 220 557 A1 ist eine elektromagnetische Ventilanordnung für eine Vorrichtung zum pneumatischen Befüllen und Entleeren von Blasen in einem Sitz eines Verkehrsmittels bekannt. Die Ventilanordnung umfasst zumindest ein elektromagnetisches Stellelement mit jeweils einem Anker), einem Joch und einer Spule sowie zumindest ein Ventil mit jeweils einer Düsenöffnung, einem Dichtelement, das mit dem Anker gekoppelt ist, und einem Dichtsitz. Das jeweilige Ventil ist in einer ersten Schaltstellung geöffnet und verbindet einen Kanal mit einer Ventilkammer und trennt in einer zweiten Schaltstellung den Kanal von der Ventilkammer.
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Aus dem Dokument
DE 10 2015 219 195 A1 ein pneumatisches Magnetventil bekannt, das einen elektromagnetischen Aktor und eine Luftkammer aufweist, an der mehrere Luftanschlüsse vorgesehen sind, welche über mehrere Schaltstellungen des elektromagnetischen Aktors unter Zwischenschaltung der Luftkammer verschaltbar sind. Der elektromagnetische Aktor kann drei unterschiedliche Schaltstellungen einnehmen. In einer ersten Schaltstellung verschließt ein erstes Dichtelement einen ersten Luftanschluss und ein zweites Dichtelement gibt einen zweiten Luftanschluss frei. In einer zweiten Schaltstellung verschließt das erste Dichtelement den ersten Luftanschluss und das zweite Dichtelement den zweiten Luftanschluss. In einer dritten Schaltstellung gibt das erste Dichtelement den ersten Luftanschluss frei und das zweite Dichtelement verschließt den zweiten Luftanschluss.
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Aus dem Dokument
DE 10 2016 219 342 A1 ist ein pneumatisches Ventil, umfassend ein Ventilgehäuse, in dem eine Luftkammer mit einem oder mehreren Luftanschlüssen vorgesehen ist, bekannt, wobei ein jeweiliger Luftanschluss zumindest eines Teils der Luftanschlüsse mittels einer beweglichen Ventilklappe geöffnet und dichtend geschlossen werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein kostengünstiges pneumatisches Ventil bereitzustellen, bei dem der Ventilaktuator vergleichsweise geringe Stellkräfte bewältigen muss und gleichzeitig auf zusätzliche Dichtelemente im Bereich des Ventilaktuators verzichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein pneumatisches Ventil für eine Fluidblase einer pneumatischen Verstellvorrichtung eines Fahrzeugsitzes bereitgestellt. Das pneumatische Ventil umfasst eine erste Ventilkammer, die mit einer Fluidquelle verbindbar ist, eine von der ersten Ventilkammer separate zweite Ventilkammer, die mit der Fluidblase verbindbar ist, und eine von der ersten Ventilkammer und der zweiten Ventilkammer separate dritte Ventilkammer, die mit einer Umgebung des pneumatischen Ventils verbindbar ist bzw. verbunden ist. Der Begriff „Umgebung“ bezeichnet dabei den Bereich des pneumatischen Ventils, der außerhalb des Ventils angeordnet ist und Umgebungsdruck aufweist. Mit anderen Worten ist die Umgebung des Ventils die das Ventil umgebende Atmosphäre und insbesondere nicht die Fluidblase oder die Fluidquelle. Neben der ersten, zweiten und dritten Ventilkammer weist das erfindungsgemäße pneumatische Ventil ferner eine von der ersten Ventilkammer, der zweiten Ventilkammer und der dritten Ventilkammer separate vierte Ventilkammer auf. Die vierte Ventilkammer ist dabei nur über einen ersten Fluiddurchgang mit der ersten Ventilkammer, nur über einen zweiten Fluiddurchgang mit der zweiten Ventilkammer und nur über einen dritten Fluiddurchgang mit der dritten Ventilkammer fluidmäßig verbunden.
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Das erfindungsgemäße pneumatische Ventil umfasst ferner eine Aktuatoreinheit, die ein in der vierten Ventilkammer angeordnetes Membranelement und ein in der dritten Ventilkammer angeordnetes Aktuatorelement aufweist, das mit dem Membranelement gekoppelt und dazu ausgebildet ist, dass Membranelement zwischen einer ersten Stellung, in der der erste Fluiddurchgang geöffnet und der dritte Fluiddurchgang geschlossen ist, und einer zweiten Stellung, in der der erste Fluiddurchgang geschlossen und der dritte Fluiddurchgang geöffnet ist, zu bewegen. Mit anderen Worten ist sowohl in der ersten Stellung als auch in der zweiten Stellung des Membranelements der zweite Fluiddurchgang stets geöffnet.
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Dadurch kann in der ersten Stellung des Membranelements Fluid ausschließlich von der ersten Ventilkammer (über die vierte Ventilkammer) in die zweite Ventilkammer strömen, während der dritte Fluiddurchgang durch das Membranelement geschlossen ist, sodass keine Fluidverbindung zwischen der ersten Ventilkammer und der dritten Ventilkammer besteht. Durch diese Anordnung wird verhindert, dass in der ersten Stellung des Membranelements Fluid von der Fluidquelle zur dritten Ventilkammer strömen kann. Da das Aktuatorelement aber in der dritten Ventilkammer angeordnet ist, ist es nicht notwendig, das Aktuatorelement fluiddicht in der dritten Ventilkammer anzuordnen. Dadurch können Bauteile, die für eine Abdichtung des Aktuatorelements dienen, eingespart werden, wodurch der konstruktive Aufwand für das Ventil verringert und die Herstellungskosten reduziert werden können.
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Gleichzeitig ist in der zweiten Stellung des Membranelements der erste Fluiddurchgang geschlossen und ist der dritte Fluiddurchgang geöffnet. In der zweiten Stellung des Membranelements kann daher Fluid ausschließlich von der zweiten Fluidkammer in die dritte Fluidkammer strömen, während eine Fluidverbindung zwischen der zweiten Ventilkammer und der ersten Ventilkammer blockiert ist. Da in der zweiten Stellung des Membranelements die Fluidblase entlüftet bzw. entleert wird, das heißt das Fluid ohnehin der Umgebung zugeführt werden soll, ist es wiederum nicht notwendig, das Aktuatorelement in der dritten Ventilkammer fluiddicht anzuordnen.
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Da ferner das Aktuatorelement in der dritten Ventilkammer und das Membranelement in der vierten Ventilkammer angeordnet ist und das Membranelement sowohl in der ersten Stellung als auch in der zweiten Stellung eine Fluidverbindung zwischen der ersten Ventilkammer und der dritten Ventilkammer verhindert, ist es nicht nötig, eine fluiddichte Trennschicht oder dergleichen zwischen dem Aktuatorelement und dem Membranelement vorzusehen. Dadurch wird eine unnötige Erhöhung der Stellkräfte des Aktuatorelements verhindert. Hinzukommt, dass das Membranelement, das vorzugsweise als dünne Folie ausgebildet ist, mit einer vergleichsweise geringen Stellkraft durch das Aktuatorelement bewegt werden kann. Dadurch wird ein konstruktiv einfaches und kostengünstiges pneumatisches Ventil bereitgestellt, bei dem weder die Stellkraft des Aktuatorelements unnötig erhöht wird, noch aufwändige Dichtelemente im Bereich des Aktuatorelements notwendig sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung des pneumatischen Ventils ist das Aktuatorelement ein Formgedächtnislegierungselement (shape memory alloy element = SMA-Element), das beispielsweise aus einer binären oder ternären NiTi-Basis-Legierung besteht und dazu ausgebildet ist, bei Beaufschlagung mit elektrischer Energie das Membranelement zu betätigen. In dieser Ausgestaltung ist das Aktuatorelement als Formgedächtnislegierungselement ausgebildet, das durch Beaufschlagung mit elektrischer Energie, insbesondere elektrischem Strom, und dem damit verbundenen Energieeintrag erwärmt wird, wodurch sich das Formgedächtnislegierungselement verformt, insbesondere seine Länge ändert, und nach einer anschließenden Abkühlung wieder seine ursprüngliche Form erreicht. Durch diese Ausgestaltung kann das pneumatische Ventil weiter vereinfacht werden, da das Formgedächtnislegierungselement im Gegensatz zu anderen Aktuatorelement, wie beispielsweise einem piezoelektrischen oder magnetischen Aktuatorelement deutlich einfacher aufgebaut ist. Beispielsweise ist das Formgedächtnislegierungselement elektrisch mit einer Leiterplatte verbunden, die zum Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements mit elektrischer Energie ausgebildet ist. Dadurch dass das Formgedächtnislegierungselement jedoch in der dritten Ventilkammer angeordnet ist und keine besonderen Vorkehrungen bezüglich der Fluiddichtigkeit notwendig sind, kann die Leiterplatte problemlos beispielsweise in eine Öffnung der dritten Ventilkammer eingesetzt sein, wobei selbst bei eingesetzter Leiterplatte eine fluidmäßige Verbindung zwischen der dritten Ventilkammer und der Umgebung des Ventils bestehen bleiben kann. In dieser Ausgestaltung müssen also keine zusätzlichen Anforderungen an die fluiddichte Befestigung der Leiterplatte gestellt werden, wodurch auch Kosten für die Kontaktierung der Leiterplatte eingespart werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des pneumatischen Ventils, weist das Membranelement einen ersten Dichtabschnitt zum fluidmäßigen Dichten des ersten Fluiddurchgangs und einen zweiten Dichtabschnitt zum fluidmäßigen Dichten des dritten Fluiddurchgangs auf und weist das Membranelement im Bereich des ersten Dichtabschnitts und/oder im Bereich des zweiten Dichtabschnitts einen mechanischen Verstärkungsabschnitt zur mechanischen Verstärkung des Membranelements auf. Der mechanische Verstärkungsabschnitt erhöht die Stabilität des Membranelements im Bereich des ersten bzw. zweiten Dichtabschnitts, wodurch die Nutzungsdauer des pneumatischen Ventils erhöht werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Membranelement eine Durchgangsöffnung auf, die dazu ausgebildet ist, in der zweiten Stellung des Membranelements den dritten Fluiddurchgang mit dem zweiten Fluiddurchgang fluidmäßig zu verbinden. Die Durchgangsöffnung stellt somit eine fluidmäßige Verbindung zwischen dem zweiten Fluidgang, der beispielweise fluidmäßig mit der Fluidblase verbunden ist, und dem dritten Fluidgang, der beispielsweise fluidmäßig mit der Umgebung des Ventils verbunden ist, dar. Dadurch kann die Fluidblase über die Durchgangsöffnung in die Umgebung entleert werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Fluiddurchtrittsfläche der Durchgangsöffnung mindestens so groß wie eine Fluiddurchtrittsfläche des dritten Fluiddurchgangs. Dadurch wird erreicht, dass an dem Membranelement ein möglichst geringer Differenzdruck zwischen der Unter- und der Oberseite des Membranelements anliegt. Ein möglichst geringer Differenzdruck ist vorteilhaft, da dadurch eine auf das Membranelement einwirkende (Differenzdruck-) Kraft minimiert werden kann. Dies hat zur Folge, dass auch die vom Membranelement auf das Aktuatorelement einwirkende Kraft minimiert wird, sodass die vom Aktuatorelement bereitzustellende Stellkraft nicht unnötig erhöht wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass das Membranelement mehrere Durchgangsöffnungen aufweist. In diesem Fall sind die Durchgangsöffnungen so gewählt, dass eine insgesamte Fluiddurchtrittsfläche durch die mehreren Durchgangsöffnungen mindestens so groß ist wie die Fluiddurchtrittsfläche des dritten Fluiddurchgangs.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des pneumatischen Ventils weist die Aktuatoreinheit ein Koppelelement auf, das das Membranelement mit dem Aktuatorelement koppelt. Diese Ausgestaltung ist konstruktiv besonders einfach und daher kostengünstig. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Koppelelement beispielsweise beweglich gelagert ist und nur durch eine Druckbetätigung durch das Aktuatorelement oder durch eine Druckbetätigung durch das Membranelement bewegt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich das Koppelelement durch den dritten Fluiddurchgang. Dadurch wird die Kopplung zwischen dem Aktuatorelement und dem Membranelement noch einfacher.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Koppelelement ein an dem Membranelement angeformter Stößel, der sich von dem Membranelement in Richtung zu dem Aktuatorelement erstreckt. In dieser Ausgestaltung ist der Stößel integral mit dem Membranelement ausgebildet und kann beispielsweise über Extrusion zusammen mit dem Membranelement als einteiliges Element hergestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Membranelement derart geformt, dass das Membranelement in die erste Stellung oder in die zweite Stellung vorgespannt ist. Dadurch kann ein Rückstellelement zum Vorspannen des Membranelements entfallen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird die vierte Ventilkammer durch ein topfförmiges Bodenelement und ein das Bodenelement abdeckendes Abdeckelement gebildet und weist das Membranelement einen Einspannabschnitt auf, der dazu ausgebildet ist, das Membranelement zwischen dem Bodenelement und dem Abdeckelement einzuspannen. Ferner kann der Einspannabschnitt den Spalt zwischen dem Bodenelement und dem Abdeckelement luftdicht abdichten. In dieser Ausgestaltung kann das Membranelement auf konstruktiv einfache Weise in die vierte Ventilkammer integriert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Einspannabschnitt eine Materialverdickung auf, die zur mechanischen Verstärkung des Membranelements und/oder als Toleranzausgleich zwischen dem Bodenelement und dem Abdeckelement ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Aktuatoreinheit ferner ein in der dritten Ventilkammer angeordnetes Hebelelement, das über einen Anbindungsbereich mit einem Gehäuse des pneumatischen Ventils und/oder einer Wandung der dritten Ventilkammer verbunden ist. Ein erster Befestigungsabschnitt des Hebelelements ist dabei mit dem Aktuatorelement verbunden und ein zweiter Befestigungsabschnitt des Hebelelements ist mit dem Koppelelement verbunden, sodass bei Betätigung des Aktuatorelements eine Bewegung des Hebelelements in eine Bewegung des Koppelelements gewandelt wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Anbindungsbereich seitlich zwischen dem Hebelelement und dem Gehäuse bzw. der Wandung angeordnet ist. Dadurch können Aktuatorkräfte des Aktuatorelements, die im Fall eines Formgedächtnislegierungselements Zugkräfte sind, besser aufgenommen werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Aktuatorelement an dem ersten Befestigungsabschnitt derart befestigt, dass zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt und dem Anbindungsbereich ein erster Hebelarm gebildet wird, und ist das Koppelelement an dem zweiten Befestigungsabschnitt derart befestigt, dass zwischen dem zweiten Befestigungsabschnitt und dem Anbindungsbereich ein zweiter Hebelarm gebildet wird, der größer als der erste Hebelarm ist. Indem der zweite Hebelarm größer als der erste Hebelarm ist, kann ein Hub des Aktuatorelements bzw. eine Längenänderung des Formgedächtnislegierungselements in einen größeren Hub des Kopplungselements und damit in einen größeren Hub des Membranelements gewandelt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Aktuatoreinheit ferner ein Rückstellelement, das mit dem Gehäuse und dem Hebelarm verbunden und dazu ausgebildet ist, ohne Betätigung des Aktuatorelements das Membranelement in die erste Stellung oder in die zweite Stellung vorzuspannen. Dadurch kann auf einfache Art und Weise ein NO-Ventil (normally open) oder ein NC-Ventil (normally closed) geschaffen werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Ventilbaugruppe für zwei separate Fluidblasen (das heißt für eine erste und eine zweite Fluidblase) einer Verstellvorrichtung eines Fahrzeugsitzes geschaffen. Die Ventilbaugruppe umfasst ein erstes pneumatisches Ventil gemäß dem ersten Aspekt bzw. Ausgestaltungen davon, wobei das erste pneumatische Ventil zum Befüllen und/oder Entleeren der ersten Fluidblase ausgebildet ist. Die Ventilbaugruppe umfasst ferner ein zweites pneumatisches Ventil gemäß dem ersten Aspekt bzw. Ausgestaltungen davon, wobei das zweite pneumatische Ventil zum Befüllen und/oder Entleeren der zweiten Fluidblase ausgebildet ist. Ferner ist die erste Ventilkammer des ersten pneumatischen Ventils mit der ersten Ventilkammer des zweiten pneumatischen Ventils fluidmäßig verbunden, sind die erste Ventilkammer des ersten pneumatischen Ventils und/oder die erste Ventilkammer des zweiten pneumatischen Ventils gemeinsam oder jeweils mit der Fluidquelle fluidmäßig verbindbar, ist die zweite Ventilkammer des ersten pneumatischen Ventils mit der ersten Fluidblase verbindbar, ist die zweite Ventilkammer des zweiten pneumatischen Ventils mit der zweiten Fluidblase verbindbar und sind die dritte Ventilkammer des ersten pneumatischen Ventils und die dritte Ventilkammer des zweiten pneumatischen Ventils gemeinsam oder jeweils mit der Umgebung verbindbar bzw. verbunden. Die erfindungsgemäße Ventilbaugruppe ermöglicht, zwei separate Fluidblasen getrennt voneinander zu befüllen und/oder zu entleeren.
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Selbstverständlich kann in anderen Ausführungsformen je nach Anwendungsfall die erste Ventilkammer mit der Fluidblase anstelle der Fluidquelle verbunden werden, bzw. kann die zweite Ventilkammer mit der Fluidquelle anstelle der Fluidblase verbunden werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Ventilbaugruppe für eine (einzige) Fluidblase einer Verstellvorrichtung eines Fahrzeugsitzes geschaffen, das ein erstes pneumatisches Ventil gemäß dem ersten Aspekt bzw. Ausgestaltungen davon sowie ein zweites pneumatisches Ventil gemäß dem ersten Aspekt bzw. Ausgestaltungen davon aufweist. Jedoch ist hier die zweite Ventilkammer des ersten pneumatischen Ventils mit der zweiten Ventilkammer des zweiten pneumatischen Ventils fluidmäßig verbunden. Ferner ist die erste Ventilkammer des ersten pneumatischen Ventils mit der Fluidquelle verbindbar und ist die erste Ventilkammer des zweiten pneumatischen Ventils mit der Fluidblase verbindbar. Darüber hinaus sind die dritte Ventilkammer des ersten pneumatischen Ventils und die dritte Ventilkammer des zweiten pneumatischen Ventils gemeinsam oder jeweils mit der Umgebung verbindbar bzw. verbunden. In dieser Ventilbaugruppe ist somit die erste Ventilkammer des zweiten pneumatischen Ventils nicht mit der Fluidquelle sondern mit der Fluidblase verbindbar. Durch diese Verschaltung kann auf einfache Art und Weise eine Ventilbaugruppe geschaffen werden, mit der eine Fluidblase nicht nur befüllt und/oder entleert werden kann, sondern auch der Druck im Inneren der Fluidblase gehalten werden kann. Dies ist besonders für eine statische Konturverstellung einer Sitzanlagefläche des Fahrzeugsitzes vorteilhaft.
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Selbstverständlich können je nach Anwendungsfall beliebige andere Ventilbaugruppen durch eine entsprechende andere Verschaltung von zwei oder mehreren erfindungsgemäßen pneumatischen Ventilen geschaffen werden.
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Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird schließlich eine Verstellvorrichtung zum Verstellen einer Kontur einer Sitzanlagefläche eines Fahrzeugsitzes geschaffen. Die Verstellvorrichtung umfasst eine Fluidblase zum Verstellen der Kontur der Sitzanlagefläche und ein pneumatisches Ventil gemäß dem ersten Aspekt bzw. Ausgestaltungen davon, wobei die zweite Ventilkammer des pneumatischen Ventils mit der Fluidblase fluidmäßig verbunden ist.
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Im Folgenden sollen nun exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils, das exemplarisch in einer Verstellvorrichtung zum Verstellen einer Kontur einer Sitzanlagefläche eines Fahrzeugsitzes verwendet wird, wobei 1 ein Membranelement des pneumatischen Ventils in einer ersten Stellung zeigt;
- 2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils, wobei 2 das Membranelement in einer zweiten Stellung zeigt;
- 3 eine schematische Detailansicht eines Ausschnitts einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils, wobei ein Membranelement des pneumatischen Ventils in einer ersten Stellung gezeigt ist;
- 4 eine schematische Detailansicht der Ausführungsform von 3 mit dem Membranelement in der zweiten Stellung;
- 5 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe,;
- 6 eine schematische Schnittansicht der Ventilbaugruppe entlang der Linie I-I von 5;
- 7 eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe, wobei 7 die Ventilbaugruppe in einer ersten Schaltstellung zeigt;
- 8 eine schematische Ansicht der Ventilbaugruppe von 7, wobei 8 die Ventilbaugruppe in einer zweiten Schaltstellung zeigt; und
- 9 eine schematische Ansicht der Ventilbaugruppe von 7, wobei 9 die Ventilbaugruppe in einer dritten Schaltstellung zeigt.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand eines pneumatischen Ventils beschrieben, das zum Befüllen und/oder Entleeren einer Fluidblase einer pneumatischen Verstellvorrichtung eines Fahrzeugsitzes verwendet wird. Selbstverständlich kann das pneumatische Ventil je nach Anwendungsfall in verschiedenen Ventilbaugruppen eingesetzt werden und auch für andere Zwecke genutzt werden.
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Es sei zunächst auf 1 verwiesen, die eine schematische Ansicht eines pneumatischen Ventils PV zeigt. Das pneumatische Ventil PV ist in 1 als Teil einer Verstellvorrichtung VV zum Verstellen einer Kontur K einer Sitzanlagefläche SAF eines Fahrzeugsitzes FZS gezeigt. Die Verstellvorrichtung VV weist eine Fluidblase FB, insbesondere eine elastische Fluidblase FB, auf, die mit einem mit Druck beaufschlagten Fluid, das durch eine Fluidquelle FQ bereitgestellt wird, befüllt werden kann. Durch das Befüllen der Fluidblase FB vergrößert sich deren Volumen, wodurch die Kontur K der Sitzanlagefläche SAF verändert werden kann. Durch das Entleeren der Fluidblase FB verkleinert sich deren Volumen, sodass die Fluidblase FB wieder ihre ursprüngliche Form einnimmt.
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Das pneumatische Ventil PV weist eine erste Ventilkammer K1 auf, die mit der Fluidquelle FQ verbunden ist. Das pneumatische Ventil PV weist eine von der ersten Ventilkammer K1 separate zweite Ventilkammer K2 auf, die mit der Fluidblase FB verbunden ist. Die erste Ventilkammer K1 und die zweite Ventilkammer K2 werden im konkreten Beispiel von 1 durch ein Basiselement BE und ein mit dem Basiselement BE verbundenes Bodenelement ZE gebildet. Wie in 1 gut zu erkennen ist, bilden das Basiselement BE und das Bodenelement ZE zwei fluidmäßig voneinander getrennte Ventilkammern, von denen eine die erste Ventilkammer K1 darstellt und die andere die zweite Ventilkammer K2 darstellt. Dabei weist die erste Ventilkammer K1 einen ersten Fluidanschluss FA1 auf, der zur fluidmäßigen Verbindung mit der Fluidquelle FQ dient. Die zweite Ventilkammer K2 weist einen zweiten Fluidanschluss FA2 auf, der zur fluidmäßigen Verbindung mit der Fluidblase FB dient. Natürlich können an die Fluidanschlüsse FA1, FA2 auch andere Komponenten angeschlossen werden.
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Das pneumatische Ventil PV weist ferner eine von der ersten Ventilkammer K1 und der zweiten Ventilkammer K2 separate dritte Ventilkammer K3 auf. Die dritte Ventilkammer K3 wird im konkreten Beispiel von 1 durch das Bodenelement ZE und ein mit dem Bodenelement ZE verbundenes Deckelelement DE gebildet. Die dritte Ventilkammer K3 ist mit der Umgebung des pneumatischen Ventils PV verbunden, sodass im Inneren der dritten Ventilkammer K3 im Wesentlichen der Umgebungsdruck herrscht.
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Das pneumatische Ventil PV weist ferner eine von der ersten Ventilkammer K1, der zweiten Ventilkammer K2 und der dritten Ventilkammer K3 separate vierte Ventilkammer K4 auf. Die vierte Ventilkammer K4 besteht im Wesentlichen aus zwei Bauteilen.
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Das erste Bauteil stellt das Bodenelement ZE dar, das im Bereich der vierten Ventilkammer K4 eine topfförmige Gestalt mit zwei sich nach oben erstreckenden Stegen S aufweist. Diese Stege S umschließen einen Bereich B, der nach oben hin offen ist. Das zweite Bauteil der vierten Ventilkammer K4 stellt ein Abdeckelement AE dar, das von oben auf die Stege S aufgesetzt ist und den Bereich B von oben her begrenzt. Mit anderen Worten wird die vierte Ventilkammer K4 durch ein zweiteiliges Gehäuse gebildet, dessen erstes Bauteil im konkreten Beispiel von 1 das Bodenelement ZE ist und dessen zweites Bauteil das Abdeckelement AE ist.
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Wie ferner in 1 zu erkennen ist, ist die vierte Ventilkammer K4 mit der ersten Ventilkammer K1 über einen ersten Fluiddurchgang FD1 fluidmäßig verbunden und ist die vierte Ventilkammer K4 mit der zweiten Ventilkammer K2 über einen zweiten Fluiddurchgang FD2 fluidmäßig verbunden. Im konkreten Beispiel von 1 sind der erste Fluiddurchgang FD1 und der zweite Fluiddurchgang FD2 als Öffnungen in dem Bodenelement ZE ausgebildet, wobei der zweite Fluiddurchgang FD2 einen vorbestimmten Abstand zu dem ersten Fluiddurchgang FD1 aufweist.
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Wie ferner in 1 zu erkennen ist, ist die vierte Ventilkammer K4 mit der dritten Ventilkammer K3 über einen dritten Fluiddurchgang FD3 fluidmäßig verbunden. Im konkreten Beispiel von 1 ist der dritte Fluiddurchgang FD 3 als Öffnung in dem Abdeckelement AE ausgebildet. Mit anderen Worten sind der erste Fluiddurchgang FD1 und der zweite Fluiddurchgang FD2 auf einer ersten Seite der vierten Ventilkammer K4, nämlich auf der Seite des Bodenelements ZE, ausgebildet, und ist der dritte Fluiddurchgang FD3 auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der vierten Ventilkammer K4, nämlich auf der Seite des Abdeckelements AE, ausgebildet.
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Wie ferner in 1 zu erkennen ist, erstreckt sich der erste Fluiddurchgang FD1 entlang einer ersten Achse AX1 und erstreckt sich der dritte Fluiddurchgang FD3 entlang einer zweiten Achse AX2, wobei die zweite Achse AX2 und die erste Achse AX1 koaxial zueinander sind bzw. eine gemeinsame Achse bilden.
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Das pneumatische Ventil PV umfasst ferner eine Aktuatoreinheit A. Die Aktuatoreinheit A umfasst ein in der dritten Ventilkammer K3 angeordnetes Aktuatorelement E und ein in der vierten Ventilkammer K4 angeordnetes Membranelement ME, das mit dem Aktuatorelement E mechanisch gekoppelt ist und bei Beaufschlagung mit elektrischer Energie das Membranelement ME betätigen kann, sodass das Membranelement ME im Wesentlichen zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung bewegt werden kann, wie später näher in Zusammenhang mit 1 und 2 beschrieben werden wird. Das Aktuatorelement E kann dabei jedes beliebiges Aktuatorelement E sein, beispielsweise ein piezoelektrisches oder magnetisches Aktuatorelement.
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Im konkreten Beispiel von 1 ist das Aktuatorelement E ein Formgedächtnislegierungselement SMA, beispielsweise in Form eines Drahtes. Formgedächtnislegierungselemente erfahren durch Beaufschlagung mit elektrischer Energie eine Formveränderung, die dazu genutzt werden kann, das Membranelement ME zu betätigen. Das Formgedächtnislegierungselement SMA ist hierfür elektrisch mit einer Leiterplatte LP verbunden, die ebenfalls in der dritten Ventilkammer K3 angeordnet ist.
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Die Aktuatoreinheit A umfasst neben dem Aktuatorelement E und dem Membranelement ME ein Koppelelement KE. Das Koppelelement KE erstreckt sich durch den dritten Fluiddurchgang FD3 und koppelt das Aktuatorelement E mit dem Membranelement ME, sodass durch die Beaufschlagung des Aktuatorelements E mit elektrischer Energie das Aktuatorelement E das Membranelement ME betätigen und zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung bewegen kann. Im konkreten Beispiel von 1 ist das Koppelelement KE als ein separates Element ausgeführt. Dieses Koppelelement KE ist zudem seitlich geführt und entlang der zweiten Achse AX2 bewegbar.
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Die Aktuatoreinheit A umfasst ferner ein Hebelelement H, das mit dem Aktuatorelement E verbunden ist und mit dem Koppelelement KE verbindbar ist. Das Hebelelement H ist an einem Anbindungsbereich AB mit dem Deckelelement DE verbunden und kann sich um den Anbindungsbereich AB drehen. Wie in 1 zu erkennen ist, ist der Anbindungsbereich AB seitlich also zwischen dem Deckelelement DE (das einen Teil eines Gehäuses des pneumatischen Ventils PV darstellt) und dem Hebelelement H. Dies hat den Vorteil, dass die Zugkräfte des Formgedächtnislegierungselements SMA, die seitlich wirken, besser aufgenommen werden können.
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Das Aktuatorelement E ist an einem ersten Befestigungsabschnitt BA1 des Hebelelements H mit dem Hebelelement H verbunden und das Koppelelement KE ist an einem zweiten Befestigungsabschnitt BA2 des Hebelelements H mit dem Hebelelement H verbindbar. Der erste Befestigungsabschnitt BA1 ist in Bezug auf den Anbindungsbereich AB so gewählt, dass ein erster Hebelarm HA1 zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt BA1 und dem Anbindungsbereich AB gebildet wird. Der zweite Befestigungsabschnitt BA2 ist in Bezug auf den Anbindungsbereich AB so gewählt, dass ein zweiter Hebelarm HA2 zwischen dem zweiten Befestigungsabschnitt BA2 und dem Anbindungsbereich AB gebildet wird, der größer als der erste Hebelarm HA1 ist. Durch diese Ausgestaltung kann ein Hub des Aktuatorelements E in einen vergrößerten Hub des Koppelelements KE und damit in einen vergrößerten Hub des Membranelements ME gewandelt werden.
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Im Folgenden soll nun näher auf die erwähnten zwei Stellungen des Membranelements ME eingegangen werden.
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Es sei zunächst auf 1 verwiesen, die das Membranelement ME in der ersten Stellung zeigt.
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Wie bereits erwähnt wurde, ist im konkreten Beispiel von 1 das Aktuatorelement E als Formgedächtnislegierungselement SMA ausgebildet. Dabei ist ein erstes Ende E1 des Formgedächtnislegierungselements SMA elektrisch mit der Leiterplatte LP verbunden. Ein dem ersten Ende E1 gegenüberliegendes zweites Ende E2 des Formgedächtnislegierungselements SMA ist am ersten Befestigungsabschnitt BA1 mit dem Hebelelement H verbunden.
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Der Anbindungsbereich AB ist dabei so ausgestaltet, dass dieser sowohl mechanisch mit einer Wandung der dritten Ventilkammer K3 bzw. einem Gehäuse des pneumatischen Ventils PV (hier dem Deckelelement DE) verbunden ist, als auch elektrisch mit der Leiterplatte LP verbunden ist.
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Wird nun das Formgedächtnislegierungselement SMA mit elektrischer Energie beaufschlagt, erwärmt sich das Formgedächtnislegierungselement SMA. Dadurch kommt es zu einer Verkürzung des Formgedächtnislegierungselements SMA, sodass sich das Hebelelement H um den Anbindungsbereich AB dreht. Durch das Drehen des Hebelelements H wird sowohl der erste als auch der zweite Befestigungsabschnitt BA1, BA2 um den Anbindungsbereich AB gedreht. Da der zweite Hebelarm HA2 größer als der erste Hebelarm HA1 ist, wird der zweite Befestigungsabschnitt BA2 um ein größeres Maß gedreht als der erste Befestigungsabschnitt BA1.
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In einer Ausführungsform kann das Koppelelement KE mit dem Hebelelement H und dem Membranelement ME verbunden sein, sodass sich das Koppelement KE bei Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements SMA mit elektrischer Energie in Richtung hin zum Abdeckelement AE, also nach oben, bewegt. Dadurch wird das Membranelement ME sozusagen auf Zug nach oben bewegt bis das Membranelement ME schließlich das Abdeckelement AE berührt und den dritten Fluiddurchgang FD3 schließt.
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Im konkreten Beispiel von 1 ist das Koppelelement KE hingegen nicht fest mit dem Hebelelement H oder dem Membranelement ME verbunden, sondern lediglich seitlich geführt. Das Membranelement ME ist ferner derart geformt, dass das Membranelement ME eine Vorspannung in die erste Stellung aufweist und dadurch den Fluiddurchgang FD3 selbststätig schließt bzw. dichtet. In diesem Fall übt das Membranelement ME daher eine Druckkraft auf das Koppelelement KE auf, die das Koppelelement KE nach oben drückt. Da das Formgedächtnislegierungselement SMA in diesem Fall sowieso mit elektrischer Energie beaufschlagt ist und sich das Hebelelement H folglich um den Anbindungsbereich AB nach oben dreht, kann das Koppelelement KE ohne Probleme durch die Druckkraft des Membranelement ME nach oben bewegt werden. Dadurch ist in jedem Fall sichergestellt, dass das Membranelement ME in der ersten Stellung den dritten Fluiddurchgang FD3 fluidmäßig schließen kann.
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Wie ferner in 1 zu erkennen ist, sind der erste Fluiddurchgang FD1 bzw. deren erste Achse AX1, der dritte Fluiddurchgang FD3 bzw. dessen zweite Achse AX2, das Abdeckelement AE und das Bodenelement ZE derart ausgebildet, dass das Membranelement ME in der ersten Stellung nicht nur den dritten Fluiddurchgang FD3 schließt sondern auch den ersten Fluiddurchgang FD1 freigibt. Gleichzeigt ist der zweite Fluiddurchgang FD2 geöffnet. In der ersten Stellung des Membranelements ME wird also eine Fluidverbindung hergestellt zwischen der ersten Ventilkammer K1 und der vierten Ventilkammer K4 (über den ersten Fluiddurchgang FD1) und zwischen der vierten Ventilkammer K4 und der zweiten Ventilkammer K2 (über den zweiten Fluiddurchgang FD2), ohne dass eine Fluidverbindung zwischen der ersten Ventilkammer K1 und der dritten Ventilkammer K3 besteht. Das unter Druck stehende Fluid kann daher nur von der Fluidquelle FQ in die erste Ventilkammer K1 und von dort über die zweite Ventilkammer K2 in die Fluidblase FB strömen.
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Da jedoch in der ersten Stellung des Membranelements ME der dritte Fluiddurchgang FD3 geschlossen ist, kann das unter Druck stehende Fluid nicht in die dritte Ventilkammer K3 einströmen. Da das Aktuatorelement E bzw. das Formgedächtnislegierungselement SMA sowie dessen Leiterplatte LP aber in der dritten Ventilkammer K3 angeordnet sind, ist es nicht notwendig, das Aktuatorelement E bzw. dessen Leiterplatte LP fluiddicht in der dritten Ventilkammer K 3 anzuordnen. Das verringert den konstruktiven Aufwand für das pneumatische Ventil PV und spart Kosten bei der elektrischen Anbindung des Formgedächtnislegierungselements SMA.
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Es sei nun auf 2 verwiesen, die das Membranelement ME in der zweiten Stellung zeigt. Zur besseren Übersicht sind in 2 der Fahrzeugsitz FZS, die Fluidblase FB und die Fluidquelle FQ nicht gezeigt.
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Wie bereits erwähnt wurde, umfasst die Aktuatoreinheit A ein Aktuatorelement E, das im konkreten Fall als Formgedächtnislegierungselement SMA ausgebildet ist, sowie ein Membranelement ME, ein Koppelelement KE und ein Hebelelement H.
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Um nun das Membranelement ME ausgehend von dessen vorgespannter Stellung bzw. der ersten Stellung in die zweite Stellung bewegen zu können, umfasst die Aktuatoreinheit A ferner ein Rückstellelement RS, das mit dem Gehäuse des pneumatischen Ventils PV und dem Hebelelement H bzw. dessen zweiten Befestigungsabschnitt BA2 verbunden ist. Das Rückstellelement RS übt eine Rückstellkraft auf das Hebelelement H auf, sodass das Hebelelement H in Richtung hin zum Bodenelement ZE vorgespannt ist.
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Wird nun die Beaufschlagung des Aktuatorelements E bzw. des Formgedächtnislegierungselements SMA mit Energie beendet, nimmt das Formgedächtnislegierungselement SMA seine ursprüngliche Form bzw. Länge wieder ein. Das Rückstellelement RS bewegt nun das Hebelelement H in Richtung hin zum Bodenelement ZE. Dadurch übt nun seinerseits das Hebelelement H eine Druckkraft auf das Koppelelement KE aus. Das Rückstellelement RS ist ferner derart ausgebildet, dass die von dem Hebelelement H auf das Koppelelement KE ausgeübte Druckkraft größer ist als die von dem Membranelement ME auf das Koppelelement KE ausgeübte Druckkraft. Folglich kann das Hebelelement H das Koppelelement KE in Richtung hin zum Bodenelement ZE drücken, bis das Membranelement ME das Bodenelement ZE berührt.
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In dieser zweiten Stellung gibt das Membranelement ME nunmehr den dritten Fluiddurchgang FD3 frei und verschließt gleichzeitig den ersten Fluiddurchgang FD1.
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Wie ferner in 2 gut zu erkennen ist, weist das Membranelement mehrere Durchgangsöffnungen DO1, DO2 auf. Von diesen mehreren Durchgangsöffnungen DO1, DO2 ist zumindest die Durchgangsöffnung DO1 derart angeordnet, dass in der zweiten Stellung des Membranelements ME eine fluidmäßige Verbindung zwischen dem zweiten Fluiddurchgang FD2 und dem dritten Fluiddurchgang FD3 hergestellt ist. In der zweiten Stellung des Membranelements ME wird also eine Fluidverbindung hergestellt zwischen der zweiten Ventilkammer K2 und der vierten Ventilkammer K4 (über den zweiten Fluiddurchgang FD2) und zwischen der vierten Ventilkammer K4 und der dritten Ventilkammer K3 (über den dritten Fluiddurchgang FD3), ohne dass eine Fluidverbindung zwischen der ersten Ventilkammer K1 und der dritten Ventilkammer K3 besteht. Das unter Druck stehende Fluid kann daher von der Fluidquelle FQ nicht in die dritte Ventilkammer K3 einströmen. Gleichwohl kann das in der Fluidblase FB befindliche Fluid über den zweiten Fluiddurchgang FD2 und die Durchgangsöffnung DO1 in die vierte Ventilkammer K4 und von dort über den dritten Fluiddurchgang FD3 in die dritte Ventilkammer K3 strömen. Da die dritte Ventilkammer K3 zudem mit der Umgebung verbunden ist, kann das Fluid von der dritten Ventilkammer K3 in die Umgebung strömen, sodass die Fluidblase FB schließlich entleert werden kann.
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Da in der zweiten Stellung des Membranelements ME der dritte Fluiddurchgang FD3 geöffnet ist und gleichzeitig der erste Fluiddurchgang FD1 geschlossen ist, kann nur das in der Fluidblase FB vorhandene Fluid in die dritte Ventilkammer K3 strömen. Da das Fluid der Fluidblase FB ohnehin der Umgebung zugeführt werden soll, ist es wiederum nicht notwendig, das Aktuatorelement E bzw. das Formgedächtnislegierungselement SMA und dessen Leiterplatte LP fluiddicht in der dritten Ventilkammer K3 anzuordnen. Dadurch wird ein konstruktiv einfaches und kostengünstiges pneumatisches Ventil PV geschaffen, bei dem auf aufwändige Dichtungen im Bereich des Aktuatorelements E verzichtet werden kann.
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Da zudem die erste Achse AX1 des ersten Fluiddurchgangs FD1 und die zweite Achse AX2 des dritten Fluiddurchgangs FD3 koaxial zueinander angeordnet sind, können die erste und zweite Stellung des Membranelements ME durch eine einfache, lineare Auf- und Abbewegung des Membranelements ME realisiert werden. Zudem ist das Koppelelement KE koaxial zu der ersten und der zweiten Achse AX1, AX2 angeordnet, bzw. erstreckt sich das Koppelelement KE in Längserstreckungsrichtung entlang einer Achse, die koaxial zu der ersten und zweiten Achse AX1, AX2 angeordnet ist, sodass eine Kraft des Koppelelements KE mittig auf das Membranelement ME einwirkt. Dies führt zu einer besonders gleichmäßigen Abdichtung entlang eines Umfangs des ersten Fluiddurchgangs FD1.
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Da beim Schalten des Membranelements ME zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung Schalt- und/oder Strömungsgeräusche entstehen können, die unter Umständen als störend empfunden werden können, kann das pneumatische Ventil PV zusätzlich ein auf dem Abdeckelement AE angeordnetes Schallabsorptionselement aufweisen (nicht gezeigt). Das Schallabsorptionselement kann aus einem schallabsorbierenden Material wie einem Schaum oder einem Filz bestehen und kann einerseits weich und andererseits fluiddurchlässig sein, sodass eine Schallentwicklung beim Schalten des Membranelements ME im Wesentlichen gedämpft werden kann. Das Schallabsorptionselement kann ferner einen zentralen Durchgang aufweisen, durch den sich das Koppelelement KE erstreckt. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Schalldämpfung.
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Es sei nun auf 3 verwiesen, in der eine schematische Detailansicht eines Ausschnitts einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils PV gezeigt ist. 3 zeigt das Membranelement ME wiederum in der ersten Stellung.
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Das Membranelement ME weist einen ersten Dichtabschnitt DA1 zum fluidmäßigen Dichten des ersten Fluiddurchgangs FD1 und einen zweiten Dichtabschnitt DA2 zum fluidmäßigen Dichten des dritten Fluiddurchgangs FD3 auf. Der erste Dichtabschnitt DA1 weist zudem einen ersten mechanischen Verstärkungsabschnitt V1 auf und der zweite Dichtabschnitt DA2 weist zudem einen zweiten mechanischen Verstärkungsabschnitt V2 auf. Die mechanischen Verstärkungsabschnitte V1, V2 dienen der mechanischen Verstärkung des Membranelements ME im Bereich des ersten und zweiten Dichtabschnitts DA1, DA2. Dadurch ist das Membranelement ME im Bereich des ersten und zweiten Dichtabschnitts DA1, DA2 mechanisch stabiler und dadurch kann das Membranelement ME den ersten und dritten Fluiddurchgang FD1, FD3 besser und zuverlässiger abdichten, was die Langlebigkeit des Membranelements ME erhöht. Selbstverständlich ist es in anderen Ausführungsformen auch möglich, dass nur der erste oder nur der zweite Dichtabschnitt DA1, DA2 einen derartigen mechanischen Verstärkungsabschnitt aufweisen. Die mechanischen Verstärkungsabschnitte V1, V2 können beispielsweise als Materialverdickungen ausgebildet sein (angedeutet durch die gestrichelten Linien) und können bei der Herstellung des Membranelements ME zusammen bzw. integral mit dem Membranelement ME ausgebildet werden. Beispielsweise kann dies durch Extrusion oder Spritzgießen erfolgen.
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Wie ferner in 3 zu erkennen ist, weist das Membranelement ME randseitig einen Einspannabschnitt ESPA auf, mit dem das Membranelement ME zwischen dem Abdeckelement AE und dem Bodenelement ZE eingespannt ist. Der Einspannabschnitt ESPA weist ferner eine Materialverdickung V3, V4 auf. Die Materialverdickung V3, V4 kann ebenso wie die Verstärkungsabschnitte V1, V2 bei der Herstellung des Membranelements ME zusammen bzw. integral mit dem Membranelement ME ausgebildet sein. Beispielsweise kann dies durch Extrusion oder Spritzgießen erfolgen.
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Die Materialverdickung V3, V4 dient dazu, dass das Membranelement ME im Einspannabschnitt ESPA verstärkt und dadurch mechanisch stabiler ist. Zudem dient die Materialverdickung V3, V4 dazu, fertigungstechnische Maßtoleranzen bei der Herstellung des Abdeckelements AE und des Bodenelements ZE auszugleichen. Dadurch können eventuell entstehende Hohlräume im Bereich zwischen dem Abdeckelement AE und dem Bodenelement ZE vermieden werden.
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Wie ferner in 3 zu erkennen ist, ist im konkreten Beispiel von 3 das Koppelelement KE nicht als separates Element ausgebildet, sondern als ein an dem Membranelement ME angeformter Stößel ST ausgebildet. Der Stößel ST erstreckt sich von dem Membranelement ME in Richtung zum Abdeckelement AE also in Richtung zum Hebelelement H bzw. Aktuatorelement E und erstreckt sich durch den dritten Fluiddurchgang FD3. Der Stößel ST kann wiederum bei der Herstellung des Membranelements ME zusammen bzw. integral mit dem Membranelement ME ausgebildet sein. Beispielsweise kann dies durch Extrusion oder Spritzgießen erfolgen.
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Indem das Koppelelement KE als Stößel ST auf dem Membranelement ME ausgebildet ist, ist es besonders einfach, eine Kopplung zwischen dem Aktuatorelement E und dem Membranelement ME herzustellen. Da der Stößel ST zudem direkt an dem Membranelement ME angeformt ist, kann eine effektive Kraftübertragung von dem Hebelelement H auf das Membranelement ME erfolgen. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Stößel ST und die mechanischen Verstärkungsabschnitte V1, V2 zusammen ausgebildet sind, da dann der Stößel ST eine massive Basis in Form von beispielsweise des zweiten mechanischen Verstärkungsabschnitts V2 aufweist. Dadurch ist eine besonders gute Kraftübertragung bei gleichzeitig geringer Deformation des Membranelements ME möglich.
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Es sei nun auf 4 verwiesen, die eine schematische Detailansicht der Ausführungsform von 3 zeigt, wobei das Membranelement ME in 4 in der zweiten Stellung gezeigt ist.
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Wie bereits in Zusammenhang mit 2 erwähnt wurde, weist das Membranelement ME mehrere Durchgangsöffnungen DO1, DO2 auf. Diese Durchgangsöffnungen DO1, DO2 dienen als Druckausgleich zwischen der Ober- und Unterseite des Membranelements ME. Zudem ist die Durchgangsöffnung DO1 derart angeordnet, dass in der zweiten Stellung des Membranelements ME eine fluidmäßige Verbindung zwischen dem zweiten Fluiddurchgang FD2 und dem dritten Fluiddurchgang FD3 besteht, wodurch Fluid aus der Fluidblase FB über die zweite Ventilkammer K2, die vierte Ventilkammer K4 und die dritte Ventilkammer K3 in die Umgebung strömen kann. Dies ist schematisch durch einen Pfeil in 4 dargestellt.
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Eine Fluiddurchtrittsfläche FDF1 der Durchgangsöffnung DO1 ist dabei derart ausgewählt, dass diese mindestens so groß ist wie eine Fluiddurchtrittsfläche FDF2 des dritten Fluiddurchgangs FD3. Die Fluiddurchtrittsfläche beschreibt dabei die freie Fläche, durch die das Fluid durch die Durchgangsöffnung DO1 oder den dritten Fluiddurchgang FD3 hindurchtreten bzw. hindurchströmen kann. Im Fall des dritten Fluiddurchgangs FD3 ist die Fluiddurchtrittsfläche FDF2 beispielsweise die Ringfläche zwischen einer Außenwandung des Stößels ST und der Wandung des Fluiddurchgangs FD3.
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Indem die Fluiddurchtrittsfläche FDF1 mindestens so groß ist wie die Fluiddurchtrittsfläche FDF2 wird sichergestellt, dass an dem Membranelement ME ein möglichst geringer Differenzdruck zwischen der Unterseite (der dem zweiten Fluiddurchgang FD2 zugewandten Seite) und der Oberseite (der dem dritten Fluiddurchgang FD3 zugewandten Seite) des Membranelements ME anliegt. Ein möglichst geringer Differenzdruck ist deshalb wichtig, da dadurch eine auf das Membranelement ME einwirkende (Differenzdruck-)Kraft minimiert werden kann. Dies hat zur Folge, dass auch die vom Membranelement ME über das Hebelelement H auf das Aktuatorelement E einwirkende Kraft minimiert wird. Dadurch wird die vom Aktuatorelement E bereitzustellende Stellkraft nicht unnötig erhöht.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, dass das Membranelement ME mehrere Durchgangsöffnungen DO1 aufweist, die eine fluidmäßige Verbindung zwischen der zweiten Ventilkammer K2 und der dritten Ventilkammer K3 herstellen. In diesem Fall sind die Durchgangsöffnungen so gewählt, dass eine insgesamte Fluiddurchtrittsfläche durch diese mehreren Durchgangsöffnungen mindestens so groß ist wie die Fluiddurchtrittsfläche FDF2 des dritten Fluiddurchgangs FD3.
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Es sei nun auf 5 verwiesen, die eine schematische Ansicht einer ersten Ventilbaugruppe VBG1 zeigt. Die erste Ventilbaugruppe VBG1 ist aus einem ersten pneumatischen Ventil PV1 und einem zweiten pneumatischen Ventil PV2 aufgebaut. Das erste pneumatische Ventil PV1 und das zweite pneumatische Ventil PV2 sind dabei prinzipiell gleich aufgebaut wie das bereits in Zusammenhang mit 1 bis 4 beschriebene pneumatische Ventil PV.
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Das erste pneumatische Ventil PV1 umfasst eine erste Aktuatoreinheit A1, die ein erstes Membranelement ME1, ein erstes Koppelelement KE1, ein erstes Hebelelement H1, ein erstes Aktuatorelement und ein erstes Rückstellelement RS1 aufweist. Das zweite pneumatische Ventil PV2 umfasst eine zweite Aktuatoreinheit A2, die ein zweites Membranelement ME2, ein zweites Koppelelement KE2, ein zweites Hebelelement H2, ein zweites Aktuatorelement und ein zweites Rückstellelement RS2 aufweist.
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Im konkreten Beispiel von 5 sind das erste Aktuatorelement und das zweite Aktuatorelement wiederum als Formgedächtnislegierungselemente SMA1, SMA2 ausgebildet. Selbstverständlich können die ersten und zweiten Aktuatorelemente aber auch andere Aktuatorelemente sein wie piezoelektrische oder magnetische Aktuatorelemente.
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Die erste Ventilbaugruppe VBG1 ist zum Befüllen und/oder Entleeren zweier getrennter bzw. separater Fluidblasen FB1, FB2 ausgebildet. Hierfür ist die erste Ventilkammer K11 des ersten pneumatischen Ventils PV1 mit der ersten Ventilkammer K12 des zweiten pneumatischen Ventils PV2 fluidmäßig verbunden. Die erste Ventilkammer K11 des ersten pneumatischen Ventils PV1 und die erste Ventilkammer K12 des zweiten pneumatischen Ventils PV2 sind jeweils mit der Fluidquelle FQ verbunden. Im konkreten Beispiel von 5, sind die ersten Ventilkammern K11, K12 als eine gemeinsame Ventilkammer, die gebildet wird durch das Basiselement BE und das Bodenelement ZE, ausgebildet. Ferner ist die zweite Ventilkammer K21 des ersten pneumatischen Ventils PV1 über einen ersten Fluidanschluss FA11 mit der ersten Fluidblase FB1 fluidmäßig verbunden und ist die zweite Ventilkammer K22 des zweiten pneumatischen Ventils PV2 über einen zweiten Fluidanschluss FA12 mit der zweiten Fluidblase FB2 fluidmäßig verbunden. Die dritte Ventilkammer K31 des ersten pneumatischen Ventils PV1 und die dritte Ventilkammer K32 des zweiten pneumatischen Ventils PV2 sind jeweils mit der Umgebung verbunden. Im konkreten Beispiel von 5 sind die dritten Ventilkammern K31, K32 durch eine gemeinsame Ventilkammer, die gebildet wird durch das Bodenelement ZE und das Deckelelement DE, ausgebildet.
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In der ersten Ventilbaugruppe VBG1 ist das erste Membranelement ME1 zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung bewegbar, sodass entweder die erste Ventilkammer K11 mit der zweiten Ventilkammer K21 fluidmäßig verbunden werden kann oder die zweite Ventilkammer K21 mit der dritten Ventilkammer K31 fluidmäßig verbunden werden kann. Ebenso ist in der ersten Ventilbaugruppe VBG1 das zweite Membranelement ME2 zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung bewegbar, sodass entweder die erste Ventilkammer K12 mit der zweiten Ventilkammer K22 fluidmäßig verbunden werden kann oder die zweite Ventilkammer K22 mit der dritten Ventilkammer K32 fluidmäßig verbunden werden kann.
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Zur besseren Übersicht sind in 5 das erste Membranelement ME1 und das zweite Membranelement ME2 jeweils in der zweiten Stellung gezeigt. Selbstverständlich können das erste Membranelement ME1 und das zweite Membranelement ME2 jeweils unabhängig voneinander entweder die erste Stellung oder die zweite Stellung einnehmen. So kann beispielsweise, wenn sich das zweite Membranelement ME2 in der wie in 5 gezeigten zweiten Stellung befindet und das erste Membranelement ME1 in der ersten Stellung befindet, die erste Fluidblase FB1 mit einem von der Fluidquelle FQ bereitgestellten Fluid versorgt werden während die zweite Fluidblase FB2 entlüftet wird.
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Mit der ersten Ventilbaugruppe VBG1 ist es je nach Stellung des ersten Membranelements ME1 bzw. des zweiten Membranelements ME2 möglich, die erste und zweite Fluidblase FB1, FB2 getrennt voneinander zu befüllen und/oder zu entleeren. Mit dieser Ausgestaltung wird somit auf einfache Weise ein 3/2-Ventil geschaffen, mit dem zwei Fluidblasen getrennt voneinander befüllt und/oder entleert werden können.
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Selbstverständlich ist es möglich, mehr als zwei Fluidblasen getrennt voneinander zu befüllen und oder zu entleeren. Hierzu müssen lediglich weitere pneumatische Ventile mit dem ersten pneumatischen Ventil PV1 und dem zweiten pneumatischen Ventil PV2 entsprechend verschaltet werden.
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Es sei nun auf 6 verwiesen die eine schematische Schnittansicht der ersten Ventilbaugruppe VBG 1 entlang der Linie I-I von 5 zeigt.
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Wie in 6 zu erkennen ist, sind die Ventilanschlüsse FA11, FA12 und die Aktuatoreinheiten A1, A2 versetzt zueinander angeordnet, sodass die erste Ventilbaugruppe VBG1 möglichst platzsparend ausgebildet ist.
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Es sei nun auf 7 verwiesen, die eine schematische Ansicht einer zweiten Ventilbaugruppe VBG2 zeigt. Die zweite Ventilbaugruppe VBG2 ist aus einem ersten pneumatischen Ventil PV3 und einem zweiten pneumatischen Ventil PV4 aufgebaut. Das erste pneumatische Ventil PV3 und das zweite pneumatische Ventil PV4 sind dabei prinzipiell gleich aufgebaut wie das bereits in Zusammenhang mit 1 bis 4 beschriebene pneumatische Ventil PV, jedoch wird hier die erste Ventilkammer des zweiten pneumatischen Ventils PV4 etwas anders verschaltet, wie später näher erklärt werden wird.
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Das erste pneumatische Ventil PV3 umfasst wiederum eine erste Aktuatoreinheit A3, die ein erstes Membranelement ME3, ein erstes Koppelelement KE3, ein erstes Hebelelement H3, ein erstes Aktuatorelement und ein erstes Rückstellelement RS3 aufweist. Das zweite pneumatische Ventil PV4 umfasst eine zweite Aktuatoreinheit A4, die ein zweites Membranelement ME4, ein zweites Koppelelement KE4, ein zweites Hebelelement H4, ein zweites Aktuatorelement und ein zweites Rückstellelement RS4 aufweist. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung in 5, wird in 7 eine gemeinsame Blattfeder als gemeinsames Rückstellelement für das erste und zweite Rückstellelement RS3, RS4 verwendet.
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Im konkreten Beispiel von 7 sind das erste Aktuatorelement und das zweite Aktuatorelement wiederum als Formgedächtnislegierungselemente SMA3, SMA4 ausgebildet. Selbstverständlich können die ersten und zweiten Aktuatorelemente aber auch andere Aktuatorelemente sein wie piezoelektrische oder magnetische Aktuatorelemente.
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Die zweite Ventilbaugruppe VBG2 ist als 3/3-Ventil zum Befüllen Druckhalten und/oder Entleeren einer einzigen Fluidblase FB3 ausgebildet. Die zweite Ventilbaugruppe VBG 2 weist hierfür drei Schaltstellungen auf, die in den 7 bis 9 gezeigt sind. In 7 ist die erste Schaltstellung gezeigt, durch die die Fluidblase FB3 befüllt werden kann. In 8 ist die zweite Schaltstellung gezeigt, durch die der Druck in der Fluidblase FB3 gehalten werden kann. In 9 ist die dritte Schaltstellung gezeigt, durch die die Fluidblase FB3 entleert werden kann.
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Wie in 7 zu erkennen ist, ist in der zweiten Ventilbaugruppe VBG2 die zweite Ventilkammer K23 des ersten pneumatischen Ventils PV3 mit der zweiten Ventilkammer K24 des zweiten pneumatischen Ventils PV4 fluidmäßig verbunden. Dabei sind die zweiten Ventilkammer K23, K24 als eine gemeinsame Ventilkammer ausgebildet, die wiederum durch das Basiselement BE und das Bodenelement ZE gebildet wird. Ferner ist die erste Ventilkammer K13 des ersten pneumatischen Ventils PV3 über einen ersten Fluidanschluss FA13 mit der Fluidquelle FQ fluidmäßig verbunden und ist die erste Ventilkammer K14 des zweiten pneumatischen Ventils PV4 über einen zweiten Fluidanschluss FA14 mit der Fluidblase FB3 fluidmäßig verbunden. Beim zweiten pneumatischen Ventil PV4 ist somit die erste Ventilkammer K14 nicht mit einer Fluidquelle (wie im Fall der ersten Ventilbaugruppe VBG1, siehe 5) sondern mit der Fluidblase FB3 verbunden. Die dritte Ventilkammer K33 des ersten pneumatischen Ventils PV3 und die dritte Ventilkammer K34 des zweiten pneumatischen Ventils PV4 sind wiederum jeweils mit der Umgebung verbunden. Im konkreten Beispiel von 7 sind die dritten Ventilkammern K33, K34 wiederum als eine gemeinsame Ventilkammer ausgebildet, die gebildet wird durch das Bodenelement ZE und das Deckelelement DE.
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Wie in der ersten Ventilbaugruppe VBG1 ist auch in der zweiten Ventilbaugruppe VBG2 das erste Membranelement ME3 zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung bewegbar, sodass entweder die erste Ventilkammer K13 mit der zweiten Ventilkammer K23 fluidmäßig verbunden werden kann oder die zweite Ventilkammer K23 mit der dritten Ventilkammer K33 fluidmäßig verbunden werden kann. Ebenso ist in der zweiten Ventilbaugruppe VBG2 das zweite Membranelement ME4 zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung bewegbar, sodass entweder die erste Ventilkammer K14 mit der zweiten Ventilkammer K24 fluidmäßig verbunden werden kann oder die zweite Ventilkammer K24 mit der dritten Ventilkammer K34 fluidmäßig verbunden werden kann.
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Soll nun die Fluidblase FB3 befüllt werden, werden das erste Formgedächtnislegierungselement SMA3 und das zweite Formgedächtnislegierungselement SMA4 jeweils mit elektrischer Energie beaufschlagt, sodass sich sowohl das erste Membranelement ME3 als auch das zweite Membranelement ME4 in die zweite Stellung bewegen. Dadurch wird eine Fluidverbindung hergestellt zwischen der Fluidquelle FQ, der ersten Ventilkammer K13, den beiden zweiten Ventilkammern K23, K24 und der ersten Ventilkammer K14. Dadurch kann Fluid aus der Fluidquelle FQ in die Fluidblase FB3 strömen und die Fluidblase FB3 befüllt werden.
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Soll nun der Druck in der Fluidblase FB3 gehalten werden (siehe 8), so wird eine Energiebeaufschlagung des ersten und des zweiten Formgedächtnislegierungselements SMA3, SMA4 beendet. Aufgrund der Rückstellkraft der Blattfeder (das erste und zweite Rückstellelement RS3, RS4) bewegen sich die ersten und zweiten Membranelement ME3, ME4 in die zweite Stellung. Dadurch wird eine Fluidverbindung zwischen der Fluidquelle FQ und der zweiten Ventilkammer K23 des ersten pneumatischen Ventils PV3 unterbrochen. Ebenso wird eine Fluidverbindung zwischen der Fluidblase FB3 und der zweiten Ventilkammer K24 des zweiten pneumatischen Ventils PV4 unterbrochen. Damit kann weder Fluid aus der Fluidquelle FQ in die Fluidblase FB3 strömen, noch kann Fluid aus der Fluidblase FB3 in die Umgebung strömen. Der Druck in der Fluidblase FB3 wird somit gehalten. Zudem kann auch bei vorhandener Leckage der hier abgedichteten Fluiddurchgänge FD13 und/oder FD14 kein Fluid von der Fluidquelle FQ zur Fluidblase FB3 strömen, da das Fluid über die mit der Umgebung verbundenen vierten Ventilkammern K43 bzw. K44 abgeleitet würde. Somit wird im Druckhaltezustand ohne einer Energiebeaufschlagung des ersten und des zweiten Formgedächtnislegierungselements SMA3, SMA4 ein ungewolltes Befüllen der Fluidblase FB3 sicher vermieden.
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Soll nun die Fluidblase FB3 entleert bzw. entlüftet werden (siehe 9) wird lediglich das zweite Formgedächtnislegierungselement SMA4 mit elektrischer Energie beaufschlagt. Das zweite Membranelement ME4 bewegt sich nunmehr wieder in die erste Stellung, sodass eine Fluidverbindung zwischen der Fluidblase FB3, der ersten Ventilkammer K14 und den zweiten Ventilkammern K23, K24 vorhanden ist. Da sich ferner das erste Membranelement ME3 in der zweiten Stellung befindet, besteht eine Fluidverbindung zwischen den zweiten Ventilkammern K23, K24 und der dritten Ventilkammer K33 (bzw. auch K34). Dadurch besteht wiederum eine Fluidverbindung zwischen der Fluidblase FB3 und der Umgebung, sodass das in der Fluidblase FB3 vorhandene Fluid aus der Fluidblase FB3 in die Umgebung strömen kann und die Fluidblase FB3 entlüftet oder entleert werden kann.
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Selbstverständlich können die Aktuatoreinheiten A3, A4 ähnlich wie im Fall der ersten Ventilbaugruppe VBG1 (siehe 6), versetzt zueinander angeordnet sein, um Bauraum zu sparen.
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Die zweite Ventilbaugruppe VBG2 stellt ein 3/3-NC-Ventil zum Befüllen, Druckhalten und/oder Entleeren einer Fluidblase FB3 dar, bei dem es nicht notwendig ist, die Aktuatorelemente im Ventil fluiddicht anzuordnen. Die zweite Ventilbaugruppe VBG2 ermöglicht insbesondere die Darstellung einer Massagefunktion ohne der Gefahr ungewollter Befüllung der Fluidblase FB3.
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Obwohl in Zusammenhang mit 1 und 9 die Betätigung des Membranelements derart beschrieben wurde, dass sich das Membranelement bei einer Beendigung der Beaufschlagung mit elektrischer Energie in der zweiten Stellung befindet, ist es selbstverständlich auch möglich, die Wirkungsweise der Aktuatoreinheit zu ändern, sodass sich bei der Beendigung der Beaufschlagung mit elektrischer Energie das Membranelement in der ersten Stellung befindet. Dadurch kann je nach Anwendungsfall ein NC- oder NO-Ventil geschaffen werden.
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Obwohl in Zusammenhang mit 1 bis 9 das Membranelement derart beschrieben wurde, dass es in die erste Stellung vorgespannt ist, ist es selbstverständlich auch möglich, dass das Membranelement derart geformt ist, dass es in die zweite Stellung vorgespannt ist. In diesem Fall müssen lediglich die Wirkungsweise der Aktuatoreinheit und ggf. die Wirkungsweise des Rückstellelements sowie Koppelelements entsprechend geändert werden.
