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Die Erfindung betrifft einen Ventilantrieb mit einem Gehäuse, in dem ein Ventilaktor mit einem dielektrischen Elastomerwandler angeordnet ist. Der dielektrische Elastomerwandler arbeitet entlang einer Wirkachse. Dabei ist ein erstes Ende des Ventilaktors mit einem Betätigungsteil zur Betätigung eines Ventilelements gekoppelt. Ein zweites Ende des Ventilaktors, das dem ersten Ende entgegengesetzt ist, ist mit einem Halteteil gekoppelt, das im Gehäuse gelagert ist.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Ventil mit einem solchen Ventilantrieb.
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Derartige Ventilantriebe und damit ausgestattete Ventile sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Ein dielektrischer Elastomerwandler umfasst dabei zumindest zwei meist flächige Elektroden, die beidseits einer dielektrischen, also elektrisch nicht leitfähigen, Elastomerfolie angeordnet sind. In Abhängigkeit der zwischen den Elektroden anliegenden Spannung kann die Elastomerfolie definiert komprimiert werden, wodurch sie sich unter Beibehaltung ihres Volumens entsprechend längt und sich die Elektroden aneinander annähern. Der dielektrische Elastomerwandler wandelt also elektrische Energie in mechanische Arbeit. Aufgrund der Verwendung einer Elastomerfolie werden dielektrische Elastomerwandler häufig auch als Folienwandler oder allgemeiner als elektroaktiver Verbundaufbau bezeichnet. Häufig haben dielektrische Elastomerwandler eine streifenförmige Gestalt. Daher können sie auch als Aktorstreifen bezeichnet werden. Elastomerwandler können in diesem Zusammenhang ein- oder mehrlagig aufgebaut sein, d.h. eine oder mehrere Lagen mit jeweils einem Elektrodenpaar und einer zugeordneten Elastomerfolie umfassen. Dabei kann entweder das Annähern der Elektroden oder das Längen der Elastomerfolie als Aktuierungsmechanismus genutzt werden.
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Damit ein Ventil mittels eines Elastomerwandlers präzise betätigt werden kann, muss dieser insbesondere hinsichtlich seiner Abmessungen entlang der Wirkachse genau auf die geometrischen Gegebenheiten innerhalb des Ventilantriebs abgestimmt sein. Das gilt insbesondere für den Abstand zwischen dem Halteteil und dem Betätigungsteil. Eine derartige Abstimmung ist stets mit einem gewissen Aufwand verbunden.
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Die
DE 10 2017 120 131 A1 beschreibt einen Folienwandler für ein Ventil mit einem fest angeordneten Halteteil und einem verstellbaren Kraftübertragungsteil.
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Die
DE 10 2017 130 199 A1 offenbart einen Folienwandler für ein Ventil mit einem fest angeordneten Halteteil und einer Schalteinheit. Der Folienwandler hat mindestens zwei elektroaktive Folienverbundeinheiten, die jeweils dem Halteteil und der Schalteinheit zugeordnet sind.
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Die
DE 197 08 304 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Übertragung einer Bewegung für ein Einspritzventil.
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Die
DE 10 2014 108 678 A1 beschreibt ein Schieberventil mit einer Buchse, in der Fluidöffnungen vorgesehen sind, und mit einem elektroaktiven Polymeraktor, der den Schieber in der Buchse verstellen kann.
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Die US 2017 / 0307094 A1 offenbart, eine Einstellschraube, die dazu dient, eine Vorspannung einer Feder einzustellen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ventilantrieb der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass der Elastomerwandler einfach und präzise auf die geometrischen Gegebenheiten innerhalb des Ventilantriebs abgestimmt werden kann. Damit soll auch eine zuverlässige und präzise Betätigung eines mit dem Ventilantrieb gekoppelten Ventils erreicht werden.
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Die Aufgabe wird durch einen Ventilantrieb der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das Halteteil über eine Justageeinrichtung zur Einstellung einer mechanischen Vorspannung des dielektrischen Elastomerwandlers im Gehäuse gelagert ist. Dabei umfasst die Justageeinrichtung eine einzige Einstellschraube. Das Halteteil ist in einer ersten Richtung, die entlang der Wirkachse des dielektrischen Elastomerwandlers orientiert ist, magnetisch mit der Einstellschraube verbunden.
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Die Justageeinrichtung dient also dazu, den dielektrischen Elastomerwandler im Gehäuse zu lagern. Dabei können insbesondere Fertigungs- und Montagetoleranzen des Ventilantriebs ausgeglichen werden. Durch die definierte Vorspannung des dielektrischen Elastomerwandlers wird ein schnelles und zuverlässiges Ansprechen des Ventilantriebs erreicht. Dadurch kann auch ein mit dem Ventilantrieb gekoppeltes Ventil präzise und schnell betätigt werden. Die Vorspannung wird lediglich über eine einzige Einstellschraube eingestellt. Das ist besonders einfach.
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Indem das Halteteil in der ersten Richtung magnetisch mit der Einstellschraube verbunden ist, ist das Halteteil in der ersten Richtung präzise an der Einstellschraube und damit am Gehäuse gelagert. Dabei bleibt insbesondere eine Relativdrehung zwischen der Einstellschraube und dem Halteteil erhalten.
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Vorzugsweise fällt eine Mittelachse der Einstellschraube im Wesentlichen mit der Wirkachse des dielektrischen Elastomerwandlers zusammen. Es wird also die mechanische Vorspannung durch die Einstellschraube zentral in den dielektrischen Elastomerwandler eingebracht. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Vorspannung. Der Ventilantrieb arbeitet aus diesem Grund zuverlässig und ist langlebig.
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Zudem kann das Halteteil über eine Schiebeführung gegenüber dem Gehäuse verschiebbar gelagert sein. Das Halteteil ist somit zuverlässig am Gehäuse geführt. Insbesondere wird so verhindert, dass sich das Halteteil in unerwünschter Weise verkeilt oder verklemmt. Ebenso arbeitet eine Schiebeführung in der Regel reibungsarm. Der dielektrische Elastomerwandler kann folglich einfach und präzise vorgespannt werden.
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Bevorzugt wirkt die Schiebeführung als Verdrehsicherung für den dielektrischen Elastomerwandler. Es wird somit systematisch ausgeschlossen, dass sich der dielektrische Elastomerwandler in unerwünschter Weise verdreht. Dadurch wird einerseits eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Lebensdauer des Elastomerwandlers erreicht. Andererseits lässt sich so ein dem Ventilantrieb zugeordnetes Ventil äußerst präzise betätigen.
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Gemäß einer Ausführungsform wirkt die Einstellschraube über ein Gewinde mit dem Gehäuse zusammen. Zur Justage wird also die Einstellschraube gedreht. Das kann mittels eines standardmäßigen Werkzeugs erfolgen. Darüber hinaus lässt sich eine solche Drehung mit hoher Präzision ausführen. Über das Gewinde wird zudem die Drehbewegung in eine Translationsbewegung umgesetzt. Je nach Steigung des Gewindes können somit auch vergleichsweise kleine Translationsbewegungen definiert erzeugt werden. Als Folge hiervon kann eine Vorspannung des Elastomerwandlers sehr genau justiert werden.
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Darüber hinaus kann das Halteteil in einer zweiten Richtung, die entlang der Wirkachse des dielektrischen Elastomerwandlers orientiert ist, an der Einstellschraube anliegen. Insbesondere entspricht die zweite Richtung einer Vorspannungsrichtung des dielektrischen Elastomerwandlers. Das Halteteil ist also in der zweiten Richtung präzise an der Einstellschraube und damit am Gehäuse gelagert.
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Insbesondere ist die erste Richtung der zweiten Richtung und der Vorspannungsrichtung des dielektrischen Elastomerwandlers entgegengesetzt.
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Indem das Halteteil also sowohl in Vorspannungsrichtung als auch entgegen der Vorspannungsrichtung präzise gelagert ist, ergibt sich eine genaue und präzise Position desselben innerhalb des Gehäuses. Daraus resultiert auch eine präzise Position des Elastomerwandlers innerhalb des Ventilantriebs.
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Gemäß einer Variante umfasst die Einstellschraube einen magnetisierbaren Abschnitt. Das Halteteil umfasst einen permanentmagnetischen Abschnitt oder es ist ein permanentmagnetisches Verbindungselement am Halteteil befestigt. Dabei ist der permanentmagnetische Abschnitt oder das Verbindungselement magnetisch mit dem magnetisierbaren Abschnitt verbunden. Alternativ umfasst die Einstellschraube einen permanentmagnetischen Abschnitt. Dann umfasst das Halteteil einen magnetisierbaren Abschnitt oder es ist ein magnetisierbares Verbindungselement am Halteteil befestigt, wobei der permanentmagnetische Abschnitt magnetisch mit dem magnetisierbaren Abschnitt oder dem Verbindungselement verbunden ist. In diesem Zusammenhang wird unter einem permanentmagnetischen Abschnitt oder einem permanentmagnetischen Verbindungselement ein Abschnitt bzw. ein Verbindungselement verstanden, von dem ein Magnetfeld ausgeht. Von einem magnetisierbaren Abschnitt oder einem magnetisierbaren Verbindungselement geht hingegen in einem Grundzustand kein Magnetfeld aus. Derartige Abschnitte oder Verbindungselemente haben jedoch die Eigenschaft, dass sie durch ein extern auf sie einwirkendes Magnetfeld, das zum Beispiel von einem permanentmagnetischen Abschnitt oder einem permanentmagnetischen Verbindungselement ausgeht, derart magnetisiert werden können, dass sie an dem permanentmagnetischen Abschnitt oder dem permanentmagnetischen Verbindungselement haften. In beiden Alternativen ist also das Halteteil magnetisch an der Einstellschraube gehalten. Für den Fall, dass ein Verbindungselement verwendet wird, kann dieses am Halteteil angeklebt oder über andere geeignete Befestigungsmittel mit dem Halteteil verbunden sein. Die magnetische Befestigung wirkt entlang der Wirkachse des Elastomerwandlers präzise und zuverlässig. Gleichzeitig ist eine Relativdrehung zwischen der Einstellschraube und dem Halteteil möglich.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem magnetisierbaren Abschnitt oder dem magnetisierbaren Verbindungselement um einen ferromagnetischen Abschnitt bzw. ein ferromagnetisches Verbindungselement.
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Die Einstellschraube kann aus einem magnetischen Material, insbesondere aus einem magnetischen Metall, hergestellt sein. Dabei kann das Metall ferromagnetische Eigenschaften haben. Insbesondere ist die Einstellschraube aus magnetischem Stahl hergestellt.
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Zudem wird die Aufgabe durch ein Ventil der eingangs genannten Art gelöst, das einen erfindungsgemäßen Ventilantrieb umfasst. Aufgrund der bereits hinsichtlich des Ventilantriebs beschriebenen Effekte und Vorteile kann ein solches Ventil mit hoher Präzision und Geschwindigkeit betätigt werden. Dabei wirkt der einfache Aufbau des Ventilantriebs auf das Ventil fort, sodass auch dieses einfach aufgebaut ist.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Es zeigen:
- - 1 ein erfindungsgemäßes Ventil mit einem erfindungsgemäßen Ventilantrieb gemäß einer ersten Ausführungsform,
- - 2 das Ventil aus 1 in einer Schnittdarstellung entlang der Ebene II-II,
- - 3 ein erfindungsgemäßes Ventil mit einem erfindungsgemäßen Ventilantrieb gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
- - 4 das Ventil aus 3 in einer Schnittdarstellung entlang der Ebene IV-IV.
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In den 1 und 2 ist ein Ventil 10 mit einem Ventilantrieb 12 gezeigt.
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Dabei umfasst der Ventilantrieb 12 ein Gehäuse 14, das auch als Aktorgehäuse bezeichnet werden kann.
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Zudem weist das Ventil 10 ein Ventilgehäuse 16 auf, an dem Fluidanschlüsse 16a, 16b vorgesehen sind, die durch eine Betätigung des Ventils 10 wahlweise fluidleitend verbunden oder fluidisch voneinander getrennt werden können.
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Zu diesem Zweck ist innerhalb des Gehäuses 14 ein Ventilaktor 18 vorgesehen, der einen dielektrischen Elastomerwandler (kurz: Elastomerwandler) 20 aufweist.
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Ein erstes Ende 18a des Ventilaktors 18 ist mit einem Betätigungsteil 22 verbunden und ein zweites Ende 18b des Ventilaktors 18 mit einem Halteteil 24.
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Das Betätigungsteil 22 ist dabei entlang einer Wirkachse 20a des Elastomerwandlers 20 beweglich im Gehäuse 14 gelagert und mit einem Ventilelement 26 gekoppelt, das im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Membran ist.
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Das Halteteil 24 ist innerhalb des Gehäuses 14 gelagert. Insbesondere ist das Halteteil 24 im Betrieb des Ventils 10 entlang der Wirkachse 20a unbeweglich.
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In den 1 und 2 ist das Ventil 10 in seinem geschlossenen Zustand dargestellt, wobei der Ventilaktor unbestromt ist.
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Dabei ist der Ventilaktor 18 als so genannter Stapelaktor ausgeführt, der sich entlang seiner Wirkachse 20a verkürzt, wenn er bestromt wird.
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Das Ventil 10 ist damit ein sogenanntes normally closed (NC) Ventil.
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Das Halteteil 24 ist über eine Justageeinrichtung 28 im Gehäuse 14 gelagert.
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Dabei umfasst die Justageeinrichtung 28 eine einzige Einstellschraube 30, deren Mittelachse 30a mit der Wirkachse 20a des Elastomerwandlers 20 zusammenfällt.
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Die Einstellschraube 30 wirkt über ein Gewinde 32 mit dem Gehäuse 14 zusammen. Genauer gesagt handelt es sich beim Gewinde 32 um ein Außengewinde der Einstellschraube 30. Dieses wirkt mit einem Innengewinde 34 zusammen, das am Gehäuse 14 vorgesehen ist.
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In einer ersten Richtung 40 ist das Halteteil 24 magnetisch an der Einstellschraube 30 gehalten.
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Dafür ist in der dargestellten Ausführungsform am Halteteil 24 ein permanentmagnetisches Verbindungselement 42 befestigt, insbesondere verklebt.
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Das Halteteil 24 liegt in einer zweiten Richtung 36, die entlang der Wirkachse 20a des Elastomerwandlers 20 sowie in einer zugeordneten Vorspannungsrichtung orientiert ist, an einer zugeordneten Stirnfläche 38 der Einstellschraube 30 an.
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In der Darstellung gemäß 2 ist das Halteteil 24 also an einer Bewegung nach oben gehindert, da es an der Stirnfläche 38 anliegt.
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Die erste Richtung 40 ist der zweiten Richtung 36 entgegengesetzt und somit entlang der Wirkachse 20a des Elastomerwandlers 20 einer Vorspannungsrichtung des Elastomerwandlers 20 entgegengerichtet.
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Die Einstellschraube 30 ist aus einem magnetisierbaren Material hergestellt, im vorliegenden Fall aus einem ferromagnetischen Stahl.
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Dabei versteht es sich, dass es zum magnetischen Fixieren des Halteteils 24 an der Einstellschraube 30 auch ausreicht, wenn die Einstellschraube 30 einen magnetisierbaren Abschnitt 30b aufweist, der dem Halteteil 24 zugewandt ist, und ansonsten nichtmagnetisierbar ist.
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Die Justageeinrichtung 28 dient dazu, eine mechanische Vorspannung des Elastomerwandlers 20 einzustellen.
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In diesem Zusammenhang bewirkt ein Eindrehen der Einstellschraube 30 in das Gehäuse 14, das mittels eines Pfeils 44 symbolisiert ist, dass das Halteteil 24 aufgrund seiner Anlage an der Stirnfläche 38 der Einstellschraube 30 in Richtung des Betätigungsteils 22, also in der ersten Richtung 40, bewegt wird. Eine Vorspannung des Elastomerwandlers 20 verringert sich auf diese Weise.
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Wird die Einstellschraube 30 in eine entgegengesetzte Richtung gedreht, die durch einen Pfeil 46 symbolisiert ist, bewegt sich die Stirnfläche 38 in der Darstellung gemäß 2 nach oben.
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Nachdem das Halteteil 24 über das Verbindungselement 42 magnetisch an der Einstellschraube 30 haftet, wird dadurch auch das Halteteil 24 vom Betätigungsteil 22 weg bewegt. Somit wird eine Vorspannung des Elastomerwandlers 20 vergrößert.
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Dabei versteht es sich, dass die magnetische Haltekraft stets größer ist als alle übrigen, entlang der Wirkachse 20a auf das Halteteil 24 wirkenden Kräfte, insbesondere als eine aus der Vorspannung des Elastomerwandlers 20 resultierende Kraft. Somit haftet das Halteteil 24 entlang der Wirkachse 20a stets an der Einstellschraube 30.
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Das Halteteil 24 ist zusätzlich über eine Schiebeführung 48 gegenüber dem Gehäuse 14 verschiebbar gelagert.
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Diese Schiebeführung 48 wirkt ferner als Verdrehsicherung 50 für den Elastomerwandler 20. Die Vorspannung des Elastomerwandlers 20 wird also eingestellt, ohne diesen in sich zu verdrehen.
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Ein Ventil 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform ist in den 3 und 4 gezeigt. Dabei wird im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform eingegangen. Gleiche oder einander entsprechende Bauteile tragen dementsprechend dieselben Bezugszeichen.
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Im Vergleich zur ersten Ausführungsform des Ventils 10 ist nun der Ventilaktor 18 anders angebunden.
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In diesem Zusammenhang weist das Halteteil 24 im Wesentlichen eine T-Form auf.
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Dabei ist eine Halteteilbasis 24a über die Schiebeführung 48, die gleichzeitig als Verdrehsicherung 50 wirkt, im Gehäuse 14 verschiebbar gelagert.
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Von dieser Halteteilbasis 24a geht zentral ein stiftförmiger Haltefortsatz 24b aus.
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In der Darstellung gemäß 4 erstreckt er sich nach unten.
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An einem Befestigungsende 24c des Haltefortsatzes 24b, das der Halteteilbasis 24a abgewandt ist, ist das Ende 18a des Ventilaktors 18 befestigt.
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Auch das Betätigungsteil 22 ist nun anders aufgebaut und umfasst einen Betätigungsteilrahmen 22a mit einem ventilelementseitigen Rahmenteil 22b und einem dem Ventilelement 26 abgewandten Rahmenteil 22c.
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Das Rahmenteil 22c ist mit dem Ende 18b des Ventilaktors 18 verbunden.
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Darüber hinaus ist das Betätigungsteil 22 mit einer Feder 52 in Richtung der Justageeinrichtung 28 beaufschlagt, in der Darstellung gemäß 4 also nach oben.
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Der Ventilaktor 18 und damit der Elastomerwandler 20 erstrecken sich also zwischen dem Befestigungsende 24c und dem Rahmenteil 22c.
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Dabei ist in der zweiten Ausführungsform der Elastomerwandler 20 derart gestaltet, dass er sich bei einer Bestromung ausdehnt.
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Folglich ist auch das Ventil gemäß der zweiten Ausführungsform ein sogenanntes normally closed (NC) Ventil. In einem unbestromten Zustand des Ventilaktor 18 ist das Ventil 10 somit geschlossen (siehe Darstellung in 4).
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Erst wenn sich der Ventilaktor 18 aufgrund einer Bestromung längt, kann sich das Betätigungsteil 22 ausgehend von der in der 4 dargestellten Position unter Ausnutzung der Kraft der Feder 52 nach oben bewegen und somit das Ventil 10 öffnen.
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Die Justageeinrichtung 28 und deren Zusammenwirken mit dem Halteteil 24 und dem Verbindungselement 42 entsprechen der ersten Ausführungsform.
