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Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Ventil, mit einem Gehäuse, in dem eine Luftkammer mit einer Zufuhröffnung zur Zufuhr von Druckluft in die Luftkammer, einer Verbindungsöffnung zur Verbindung der Luftkammer mit einem Luftkissen und einer Ablassöffnung zum Ablassen von Druckluft aus der Luftkammer ausgebildet ist, wobei in dem Gehäuse ein Aktor mit einem beweglichen Schließelement angeordnet ist, wobei das Schließelement mit einem ersten Dichtelement zum Verschließen der Zufuhröffnung, mit einem zweiten Dichtelement zum Verschließen der Ablassöffnung und mit einem zwischen dem ersten und dem zweiten Dichtelement angeordneten und diese im deaktivierten Zustand gegen die Zufuhröffnung bzw. die Ablassöffnung drückenden elastischen Element gebildet ist.
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Ein solches pneumatisches Ventil ist aus der
DE 10 2017 213 736 DE bekannt. Dort ist der Aktor als Magnetaktor ausgebildet und weist eine Spule auf, deren durch Bestromen der Spule generiertes magnetisches Feld das zweite Dichtelement von der Ablassöffnung weg gegen das elastische Element drückt, wodurch ein unter Druck stehendes Gas in einem mit der Verbindungsöffnung verbundenen Luftkissen durch die Ablassöffnung entweichen kann. Zum Befüllen des Luftkissens mit Druckluft wird diese durch die Zufuhröffnung in die Luftkammer durch Aufdrücken des ersten Dichtelements gegen das elastische Element zugeführt. Das erste Dichtelement wirkt dabei zusammen mit dem elastischen Element als Rückschlagventil, das heißt, wenn der Druck der zugeführten Druckluft geringer wird als der Druck des Gases im Luftkissen, verschließt das erste Dichtelement die Zufuhröffnung und umgekehrt.
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Die
DE 10 2019 208 051 A1 offenbart ebenfalls ein pneumatisches Ventil, bei dem jedoch nur ein elastisch gelagertes Dichtelement in der Luftkammer entweder die Zufuhr- oder die Ablassöffnung abhängig von der Betätigung durch einen Aktor verschließt. Dabei ist bei unbetätigtem Aktor die Zufuhröffnung und bei betätigtem Aktor die Ablassöffnung verschlossen. Der Aktor ist mit einem SMA (shape memory alloy) -Element oder auch Formgedächtnislegierungselement gebildet, das sich bei einer Bestromung verkürzt und dabei ein Betätigungselement gegen eine Federkraft bewegt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil mit integriertem Rückschlagventil anzugeben, dass im unbetätigten Zustand verschlossen ist und bei dem ein SMA-Aktor zusammen mit einer Ansteuerelektronik im drucklosen Bereich (Umgebungsdruck) liegt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein pneumatisches Ventil, mit einem Gehäuse, in dem eine Luftkammer mit einer Zufuhröffnung zur Zufuhr von Druckluft in die Luftkammer, einer Verbindungsöffnung zur Verbindung der Luftkammer mit einem Luftkissen und einer Ablassöffnung zum Ablassen von Druckluft aus der Luftkammer ausgebildet ist, wobei in dem Gehäuse ein Aktor mit einem beweglichen Schließelement angeordnet ist, wobei das Schließelement mit einem ersten Dichtelement zum Verschließen der Zufuhröffnung, mit einem zweiten Dichtelement zum Verschließen der Ablassöffnung und mit einem zwischen dem ersten und dem zweiten Dichtelement angeordneten und diese im deaktivierten Zustand gegen die Zufuhröffnung bzw. die Ablassöffnung drückenden elastischen Element gebildet ist, wobei an dem zweiten Dichtelement ein die Ablassöffnung durchragender Stößel angeordnet ist, und wobei der Aktor ferner eine Leiterplatte, ein Betätigungselement, das einen Betätigungsabschnitt zum Einwirken auf den Stößel und einen mit dem Betätigungsabschnitt und der Leiterplatte verbundenen Biegeabschnitt aufweist, und ein Aktorelement, das ein erstes Ende, das mechanisch mit dem Betätigungsabschnitt verbunden ist, und ein zweites Ende, das mechanisch und elektrisch mit der Leiterplatte verbunden ist, aufweist, wobei das Aktorelement dazu ausgebildet ist, bei Bestromung desselben den Biegeabschnitt derart zu biegen, dass der Betätigungsabschnitt durch Einwirkung auf den Stößel die Ablassöffnung durch Drücken des zweiten Dichtelements gegen das elastische Element öffnet, aufweist.
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Es wird also ein 3/2-Schaltventil in Topf-Bauform derart modifiziert, dass der zuluftseitige Dichtsitz durch ein gesteuertes Rückschlagventil ersetzt wird. Alternativ kann diese Anordnung auch mit einem 2/2-Schaltventil mit synchron gesteuertem Rückschlagventil realisiert werden.
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Ein elastisches Element, das durch eine Feder, insbesondere eine Spiralfeder realisiert sein kann, drückt sowohl das erste Dichtelement eines Rückschlagventils an der Zufuhröffnung als auch das zweite Dichtelement an der Ablassöffnung an die beiden koaxial gegenüberliegenden Dichtsitze. Die Federkraft stellt im nicht betätigten Zustand des Aktors des Ventils zumindest die Liniendichtkraft für beide Dichtsitze bereit (d.h. zum Abdichten ohne Gegendruck). Im nicht angesteuerten Zustand des Schaltventils ermöglicht somit das Rückschlagventil bei Anliegen eines Versorgungsdrucks durch beispielsweise eine Druckluftzufuhr mittels eines Kompressors einen Durchfluss in Richtung der Zuluftströmung. Gleichzeitig verhindert das Dichtelement an der Ablassöffnung ein Entweichen der Luft zur Umgebung, da hier der Druck in der Ventilkammer zu einer zusätzlichen Schließkraft führt. Im betätigten Zustand des Ventils ist die Ablassöffnung geöffnet. Gleichzeitig erhöht sich die Federkraft auf das erste Dichtelement des Rückschlagventils deutlich, ohne dass jedoch der Stößel am zweiten Dichtelement das erste Dichtelement des Rückschlagventils berührt oder dass die Feder vollständig komprimiert wird.
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Dadurch erhöht sich der Öffnungsdruck bzw. der Druckabfall des Rückschlagventils in Durchflussrichtung entsprechend mindestens um den max. Fülldruck der Luftkissen. Dadurch ist es weiterhin möglich, ein erstes Luftkissen zu befüllen und gleichzeitig ein zweites zu entlüften. Wenn der Druck der Zuluft höchstens dem max. Luftkissendruck (zzgl. des Druckabfalls im Rückschlagventil) entspricht, kann die Luft durch das erste Rückschlagventil in das erste Luftkissen strömen; das zweite Rückschlagventil hingegen verhindert durch den erhöhten Öffnungsdruck ein Entweichen der Zuluft durch das zweite Schaltventil (welches sich dann in der Entlüftstellung befindet).
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Die Betätigung des Topfventils erfolgt mittels eines Stößels durch die Ablassöffnung hindurch. So kann der gesamte SMA-Ak tor und die zugehörige Leiterplatte mit Ansteuerelektronik im Entlüftbereich (und damit im Umgebungsdruck) angeordnet werden. Möglicherweise bei erhöhtem Druck ausfallendes Kondensat feuchter Betriebsluft wird damit vermieden und einer Beschädigung der elektronischen Bauteile (Lötverbindungen etc.) vorgebeugt.
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In einer vorteilhaften Ausbildung des pneumatisches Ventil ist das Gehäuse mit einem ersten Gehäuseteil, einem zweiten Gehäuseteil und mit einem dritten Gehäuseteil gebildet ist, wobei die Luftkammer in dem dritten Gehäuseteil ausgebildet ist.
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Hierdurch ist ein besonders einfacher Zusammenbau möglich.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist das elastische Element durch eine Feder, insbesondere eine Spiralfeder, gebildet.
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In einer platzsparenden Ausbildung des pneumatischen Ventils weist die Leiterplatte eine Oberseite und eine Unterseite auf, wobei das Aktorelement mit der Oberseite und der Biegeabschnitt mit der Unterseite der Leiterplatte oder umgekehrt verbunden ist.
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In einer weiteren alternativen Ausbildung des pneumatisches Ventils ist in dem Gehäuse ein Umlenkhebel ausgebildet, der mit einem ersten Endabschnitt mit dem Stößel und mit einem zweiten Endabschnitt mit dem Betätigungsabschnitt des Betätigungselements in Wirkverbindung ist und mit einem mittleren Abschnitt am Gehäuse befestigt ist.
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Bei dieser Ausbildung des Ventils kann der Aktor auch auf dem anderen Gehäuseteil oder einer Wandseite montiert und der Stößel mittels des Umlenkhebels vom Aktor betätigt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des pneumatisches Ventils ist an dem Betätigungselement ein Endlagenerkennungselement angeordnet, das durch einen Kontakt mit der Leiterplatte bei Erreichen einer Endlage durch das Betätigungselement eine Schaltung auf der Leiterplatte zur Unterbrechung einer weiteren Bestromung des Aktorelements aktiviert.
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Hierdurch schließt in der maximal betätigten Position das Endlagenerkennungselement einen elektrischen Endlagenkontakt zwischen dem Betätigungselement und der Leiterplatte, um die Heizleistung des SMA-Drahts des Aktorelements in der Haltephase zu reduzieren.
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Um also eine Überlastung des SMA-Drahts zu verhindern, schließt das Endlagenerkennungselement bei Erreichen der Endlage den Endlagenkontakt, um z.B. mittels Widerstandsmessung den maximalen Betätigungsweg des SMA-Drahts zu begrenzen, bevor es in der Luftkammer zu einem mechanischen Anschlag, z.B. durch einen Kontakt der beiden Dichtelemente oder einer vollständigen Komprimierung des elastischen Elements z.B. einer Feder kommt. Damit kann die Endlage immer sicher erkannt und der Draht entlastet werden.
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Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes, umfassend zumindest ein erstes und ein zweites Luftkissen, durch deren Befüllen und Entleeren die Verstellung des Sitzes bewirkt wird, gelöst, wobei jedem Luftkissen ein getrennt schaltbares oben beschriebenes Ventil zugeordnet ist, wobei alle Ventile über ihren jeweiligen Zufuhranschluss an eine gemeinsame Druckluftzufuhr, beispielsweise einen Kompressor, angeschlossen sind und jedes Luftkissen mit einem Verbindungsanschluss des ihr zugeordneten Ventils verbunden ist.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist zu jedem Zeitpunkt wenigstens eines der Luftkissen leer oder wird entlüftet (wie z.B. bei einer Lordosenstütze). Dabei erfolgt die Auslegung derart, dass sich im aktivierten Zustand des pneumatischen Ventils der Öffnungsdruck des Rückschlagventils möglichst genau um den maximalen Luftdruck in den Luftkissen erhöht.
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Wird nun beim Befüllen eines oder mehrerer Luftkissen das Ventil eines weiteren Luftkissens auf Entlüften geschaltet, wirkt das Rückschlagventil dieses weiteren Luftkissens nun als Überdruckventil bzw. Druckbegrenzungsventil. Dies begrenzt den Druck der Zuluft auf den maximalen Luftkissendruck (zzgl. des Öffnungsdrucks bei nicht betätigtem Ventil) und verhindert so ein Bersten der Luftblasen durch Überdruck.
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Mehrere Ventile der genannten Art können zusammen mit einem Kompressor in einem Gehäuse montiert werden, wodurch sich eine noch kompaktere Bauweise ergibt.
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Durch das erfindungsgemäße Ventil oder die erfindungsgemäße Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes ergibt sich eine kostengünstige Darstellung eines Schaltventils mit einem SMA-Aktuator und integriertem Rückschlagventil zum Ersatz eines 3/3-Schaltventils. Außerdem ergibt sich eine platzsparende Anordnung der Ansteuerelektronik direkt am SMA-Draht auch bei feuchter Betriebsluft. Insgesamt ergibt sich eine vereinfachte pneumatische Schaltungsanordnung.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbespielen mit Hilfe von Figuren näher beschrieben werden. Dabei zeigt
- 1 eine erste Ausbildungsvariante eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils,
- 2 eine zweite Ausbildungsvariante eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils,
- 3 die erste Ausbildungsvariante in einer ersten Betriebsstellung,
- 4 die erste Ausbildungsvariante in einer zweiten Betriebsstellung,
- 5 die zweite Ausbildungsvariante in einer ersten Betriebsstellung,
- 6 die zweite Ausbildungsvariante in einer zweiten Betriebsstellung,
- 7 ein erstes pneumatisches Schaltbild einer Realisierung eines erfindungsgemäßen Ventils als 3/2-Wegeventil und
- 8 ein zweites pneumatisches Schaltbild einer Realisierung eines erfindungsgemäßen Ventils als 2/2-Wegeventil.
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1 zeigt ein pneumatisches Ventil in einer Querschnittsdarstellung, das mit einem Gehäuse 1 gebildet ist, welches ein erstes Gehäuseteil 17 aufweist, das im dargestellten Ausführungsbeispiel becherförmig ausgebildet ist. Das Gehäuse 1 weist außerdem ein zweites Gehäuseteil 18 auf, das als Deckel ausgebildet ist und schließlich ein drittes Gehäuseteil 19, das als Einlegeteil zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil 17, 18 ausgebildet ist und an das ein Zufuhranschluss 27 und ein Verbindungsanschluss 28 angeformt sind.
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Am dritten Gehäuseteil 19 ist eine Luftkammer 2 ausgebildet, indem dieses eine topfförmige Anformung hat, die mit Rastnasen versehen ist, hinter die ein Abschlussteil geklemmt werden kann. Die Luftkammer 2 weist eine Zufuhröffnung 3, eine Verbindungsöffnung 4 und eine Ablassöffnung 5 auf. Dabei sind im dargestellten Ausführungsbeispiel die Zufuhröffnung 3 und die Verbindungsöffnung 4 im dritten Gehäuseteil 19 und die Ablassöffnung 5, in dem die Luftkammer 2 abschließenden Abschlussteil ausgebildet. Es kann also Druckluft über den Zufuhranschluss 27 beispielsweise von einer Druckluftzufuhr 31 (7, 8) in das Gehäuse 1 geführt werden, wobei die die Druckluft über die Zufuhröffnung 3 in die Luftkammer 2 gelangen kann und von dort über die Verbindungsöffnung 4 und den Verbindungsanschluss 28 in ein damit verbindbares Luftkissen 29, 30 ( 7, 8). Andererseits kann Druckluft aus den Luftkissen 29, 30 über den Verbindungsanschluss 28 und die Verbindungsöffnung 4 in die Luftkammer 2 gelangen und von dort über die Ablassöffnung 5 in den Innenraum des Gehäuses 1, wobei dort eine (nicht dargestellte) Öffnung zur Umgebung besteht.
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In der Luftkammer 2 ist ein Schließelement 7 mit einem ersten Dichtelement 8 und einem zweiten Dichtelement 9 ausgebildet, wobei die beiden Dichtelemente 8, 9 über ein elastisches Element 10, beispielsweise in Form einer Spiralfeder, miteinander verbunden sind. Das elastische Element 10 drückt dabei das erste Dichtelement 8 gegen die Zufuhröffnung 3 und das zweite Dichtelement 9 gegen die Ablassöffnung 5. Somit kann im neutralen Zustand keine Luft aus einem an den Verbindungsanschluss 28 angeschlossenen Luftkissen über die Luftkammer 2 entweichen. An das zweite Dichtelement 9 ist ein Stößel 11 angebracht, beispielsweise angeformt, der in Wirkverbindung mit einem Aktor 6 steht.
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Der Aktor 6 ist mit einer Leiterplatte 12 gebildet, die an entsprechenden Streben des ersten Gehäuseteils 17 gelagert und mechanisch verbunden ist. Mit der Leiterplatte 12 verbunden ist ein Betätigungselement 13, das einen Betätigungsabschnitt 14 aufweist, der mit dem Stößel 11 in direktem Kontakt steht und einen Biegeabschnitt 15 aufweist, der mit der Leiterplatte 12 verbunden ist. Der Aktor 6 weist ferner ein Aktorelement 16 auf, das in bevorzugter Weise mit einem Draht aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist, der sich bei der Beaufschlagung mit Strom, der durch eine (nicht dargestellte) Schaltung auf der Leiterplatte 12 geliefert wird, verkürzt und das Betätigungselement 13 mit seinem Betätigungsabschnitt 14 gegen den Stößel 11 drückt und damit das zweite Dichtelement 9 gegen das elastische Element 11 drückt, wodurch die Ablassöffnung 5 geöffnet wird.
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Das Aktorelement 16 ist dabei - beispielsweise mittel Crimpverbindungen - sowohl mit dem Betätigungselement 13 als auch mit der Leiterplatte 12 verbunden.
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In vorteilhafter Weise ist das Aktorelement 16 oberhalb einer Oberseite 20 der Leiterplatte 12 und das Betätigungselement 13 unterhalb einer Unterseite 21 der Leiterplatte 12 ausgebildet, so dass sich eine sehr kompakte Bauform ergibt. Prinzipiell kann der Aufbau auch spiegelverkehrt sein, so dass das Aktorelement 16 unterhalb der Leiterplatte 12 zu liegen kommt und das Betätigungselement 13 oberhalb der Leiterplatte 12.
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In vorteilhafter Weise ist am Betätigungselement 13 ein Endlagenerkennungselement 26 ausgebildet, das bei einer Betätigung des Aktors 6 in Kontakt mit der Leiterplatte 12 kommt und einen Stromfluss ermöglicht, wodurch erkannt wird, dass die Endlage erreicht ist, so dass der Strom durch das Aktorelement 16 abgeschaltet oder zumindest verringert werden kann, um es nicht zu überlasten.
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In der 2 ist eine alternative Ausführung eines pneumatischen Ventils dargestellt, bei dem der Aktor 6 nicht an dem ersten Gehäuseteil 17, sondern am dritten Gehäuseteil 19 befestigt ist, wobei dieses dritte Gehäuseteil 19 in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel becherförmig ausgebildet ist. Das erste und zweite Gehäuseteil 17, 18 sind lediglich als Boden- und Deckelplatte ausgebildet. Im in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Zufuhröffnung 3 und die Ablassöffnung 5 im Verhältnis zum Aktor 6 in entgegengesetzte Richtung ausgerichtet, so dass eine Betätigung des Stößels 11 über einen Umlenkhebel 22 erfolgt, der mit seinem ersten Endabschnitt 23 mit dem Betätigungsabschnitt 14 des Betätigungselements 13 in Wirkverbindung ist und mit seinem zweiten Endabschnitt 24 mit dem Stößel 11.
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Die Funktion des pneumatischen Ventils gemäß dessen Ausführungsform nach 1 soll nun mit Hilfe der 3 und 4 erläutert werden. In der 3 sei angenommen, dass über den Zufuhranschluss 27 Druckluft in das Gehäuse 1 gelangt. Diese Druckluft drückt gegen das erste Dichtelement 7 und drückt es auf, sofern in der Luftkammer 2, die mit einem an den Verbindungsanschluss 28 angeschlossenen Luftkissen verbunden ist, kein höherer Druck herrscht. Dieser Zustand ist in der 3 dargestellt. Die Druckluft vom Zufuhranschluss 27 kann also über den Verbindungsanschluss 28 in das Luftkissen gelangen. Wenn der Druck am Zufuhranschluss 27 nachlässt oder gleich oder kleiner dem Druck in der Luftkammer 2 oder dem Luftkissen wird, schließt das erste Dichtelement 7 aufgrund der Federkraft des elastischen Elements 10 wieder, so dass die Luftkammer 2 wieder verschlossen ist.
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Soll nun Luft aus einem an den Verbindungsanschluss 28 angeschlossenen Luftkissen entlassen werden, wird der Aktor 6 betätigt, indem das Aktorelement 16 über die Leiterplatte 12 bestromt wird, wobei dann der Betätigungsabschnitt 14 des Betätigungselementes 13 gegen den Stößel 11 drückt und das zweite Dichtelement 9 gegen das elastische Verbindungsteil 10 drückt, wodurch die Ablassöffnung 5 freigegeben wird, so dass Druckluft aus dem Luftkissen in das Gehäuse 1 und von dort in die Umgebung entweichen kann. Dieser Zustand ist in der 4 dargestellt, wobei auch zu erkennen ist, dass das Endlagenerkennungselement 26 mit der Leiterplatte 12 in Kontakt ist.
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In den 5 und 6 sind die gleichen Vorgänge dargestellt, wobei insbesondere aus der 6 zu erkennen ist, dass durch das Betätigungselement 13 der Umlenkhebel 22 bewegt wird und aufgrund seiner Verbindung mit seinem mittleren Abschnitt 25 mit dem zweiten Gehäuseteil 18 gegen den Stößel 11 drückt und damit die Ablassöffnung 5 freigibt.
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Die 7 zeigt ein pneumatisches Schaltbild für zwei pneumatische Ventile, wie sie beispielsweise in den 1 bis 6 dargestellt sind, die in dieser Ausführung als 3/2-Wegeventile ausgebildet sind, wobei an einer beispielsweise als Verdichter oder Kompressor ausgebildeten gemeinsamen Druckluftzufuhr 31 zwei pneumatische Ventile angeschlossen sind, über die ein erstes Luftkissen 29 und ein zweites Luftkissen 30 getrennt befüllt oder geleert werden können. Es ist selbstverständlich möglich, weitere pneumatische Ventile und Luftkissen an die gemeinsame Luftdruckzufuhr 31 anzuschließen und getrennt voneinander zu befüllen oder zu entleeren.
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In der 8 ist schließlich eine weitere mögliche pneumatische Schaltung dargestellt, in der das die Zufuhröffnung 4 verschließende Rückventil parallel zu dem die Zufuhröffnung 3 und die Ablassöffnung 5 verschließenden und freigebenden 3/2-Wegeventil geschaltet ist. An die Ablassöffnungen 5 sind in den dargestellten Ausführungsbeispielen Dämpfer 32 angeschlossen, die verhindern, dass die Luft aus der Luftkammer 2 schlagartig entweichen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017213736 [0002]
- DE 102019208051 A1 [0003]
