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Die Erfindung betrifft ein Proportionalventil mit einem dielektrischen Elastomerwandler, der als Ventilaktor wirkt.
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Ventile mit einem Ventilaktor, der einen dielektrischen Elastomerwandler aufweist, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Beispiel findet sich in der
DE 10 2016 114 566 A1 . Der hier gezeigte dielektrische Elastomerwandler wird nachfolgend als Stapel-Aktor bezeichnet.
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Ein anderes Beispiel für einen dielektrischen Elastomerwandler findet sich in der
DE 10 2017 120 131 A1 . Dieser Elastomerwandler wird nachfolgend als Planar-Aktor bezeichnet.
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Unabhängig vom konkreten Aufbau haben alle diese dielektrischen Elastomerwandler gemeinsam, dass in ihnen elektrische Energie in mechanische Arbeit umgesetzt wird. Hierfür wird ein elektroaktives Polymermaterial verwendet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ventil zu schaffen, dessen Ventilaktor einfach und betriebssicher eingestellt werden kann und das sich durch ein reproduzierbares Schaltverhalten über lange Betriebsdauern auszeichnet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Proportionalventil mit einer Ventileinheit vorgesehen, die druckausgeglichen ist, einem Ventilaktor, der einen dielektrischen Elastomerwandler aufweist und mit der Ventileinheit zusammenwirkt, um diese zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand zu verstellen, einem Einstellmechanismus, mit dem die Position eines Ausgangselements des Ventilaktors in einem nicht bestromten Zustand eingestellt werden kann, und einer Vorspannfeder, die die Ventileinheit in einen Zustand beaufschlagt. Die druckausgeglichene Ventileinheit ermöglicht es in Verbindung mit dem Einstellmechanismus, den Ventilaktor so zu positionieren, dass sich die Ventileinheit, unter der Wirkung der Vorspannfeder, je nach Ausgestaltung des Ventils in einem gerade geöffneten oder gerade geschlossenen Zustand befindet. Wenn der Elastomerwandler bestromt wird, schaltet dann die Ventileinheit in den anderen Zustand. Da die Ventileinheit druckausgeglichen ist und auch der dielektrische Elastomerwandler proportional arbeitet, ergibt sich insgesamt eine proportionale Kennlinie.
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Als dielektrischer Elastomerwandler kann je nach konstruktiven Gegebenheiten ein Stapel-Aktor verwendet werden, der sich verkürzt, wenn er bestromt wird, oder ein Planar-Aktor, der sich verlängert, wenn er bestromt wird.
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Abhängig von der gewünschten Ausführungsform des Ventils kann die Vorspannfeder die Ventileinheit in den geschlossenen Zustand oder in den offenen Zustand verstellen. Dadurch kann ein normal offenes Ventil oder ein normal geschlossenes Ventil realisiert werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ventileinheit eine Ventilstange aufweist, die sich unter der Wirkung der Vorspannfeder am Ausgangselement des Ventilaktors lose abstützt. Dieser sehr einfache Aufbau ist dann ausreichend, wenn vom Ventilaktor keine Zugkräfte auf die Ventileinheit übertragen werden müssen.
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Falls Zugkräfte übertragen werden müssen, ist eine Ventilstange der Ventileinheit mit dem Ausgangselement des Ventilaktors mechanisch fest derart verbunden, dass sie die von der Vorspannfeder auf sie ausgeübten Kräfte als Zugkräfte auf das Ausgangselement des Ventilaktors überträgt.
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Vorzugsweise ist die Ventileinheit mediengetrennt, was durch die Verwendung von geeigneten Membranen mit geringem Aufwand realisiert werden kann.
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Der Einstellmechanismus kann eine Einstellschraube aufweisen, die als Hohlschraube ausgeführt ist, in der ein Führungsteil aufgenommen ist, welches mit dem Ventilaktor fest verbunden ist. Dieser Einstellmechanismus zeichnet sich durch einen mechanisch einfachen Aufbau aus, wobei der Ventilaktor dennoch sehr präzise eingestellt werden kann.
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Der dielektrische Elastomerwandler ist vorzugsweise mit dem Führungsbauteil fest verbunden, insbesondere formschlüssig verbunden. Bei dieser Gestaltung wird eine Positionsänderung des Führungsteils beim Einstellen unmittelbar auf den dielektrischen Elastomerwandler übertragen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
- - 1 in einem Querschnitt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Proportionalventils;
- - 2 schematisch einen Stapel-Aktor im Ausgangszustand;
- - 3 schematisch den Stapel-Aktor von 2 im bestromten Zustand;
- - 4 schematisch ein NC-Ventil mit Stapel-Aktor im Ausgangszustand;
- - 5 schematisch das Ventil von 4 im bestromten Zustand;
- - 6 schematisch ein NO-Ventil mit Stapel-Aktor im Ausgangszustand;
- - 7 schematisch das Ventil von 6 im bestromten Zustand;
- - 8 schematisch einen Planar-Aktor im Ausgangzustand;
- - 9 den Planar-Aktor von 8 im bestromten Zustand;
- - 10 schematisch ein NC-Ventil mit Planar-Aktor im Ausgangszustand;
- - 11 das Ventil von 10 im bestromten Zustand;
- - 12 ein NO-Ventil mit Planar-Aktor im Ausgangszustand; und
- - 13 das Ventil von 12 im bestromten Zustand.
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In 1 ist ein Proportionalventil gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt. In der Darstellung von 1 befindet sich das Proportionalventil in einem bestromten Zustand.
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Das Ventil weist ein Ventilgehäuse 2 auf, in welchem ein Medieneingang 4 und ein Medienausgang 6 vorgesehen sind. Innerhalb des Ventilgehäuses 2 ist eine Ventileinheit vorgesehen, die dazu dient, den Mediendurchfluss vom Medieneingang 4 zum Medienausgang 6 zu schalten.
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Das Ventil weist weiterhin ein Ventilaktorgehäuse 8 auf, in welchem ein Ventilaktor 30 angeordnet ist. Dieser dient dazu, die Ventileinheit 10 zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand zu schalten.
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Das Ventil weist ferner einen Einstellmechanismus 40 auf, der dazu dient, den Ventilaktor 30 mechanisch so einzustellen, dass dieser die Ventileinheit in der gewünschten Weise zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand verstellt, wenn er bestromt wird.
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Die Ventileinheit 10 weist eine mehrteilige Ventilstange auf, die aus einem Ventilelementteil 12 und zwei Führungsteilen 14 besteht.
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Das Ventilelementteil 12 weist ein Ventilelement 16 auf, das mit einem gehäusefest angeordneten Ventilsitz 18 zusammenwirken kann.
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Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Ventilelement 16 ein Ventilteller.
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In 1 ist die Ventileinheit 10 in einem geöffneten Zustand gezeigt, in welchem ein Mediendurchfluss vom Medieneingang 4 zum Medienausgang 6 möglich ist. Wenn die Ventilstange, bezogen auf 1, nach unten verstellt wird, bis das Ventilelement 16 dicht am Ventilsitz 18 anliegt, befindet sich die Ventileinheit im geschlossenen Zustand, in welchem kein Mediendurchfluss möglich ist.
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Die Ventilstange 12, 14 und damit der Ventilsitz 18 werden von einer Vorspannfeder 20 in den geöffneten Zustand beaufschlagt.
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Die Ventileinheit 10 ist druckausgeglichen und mediengetrennt ausgeführt. Zu diesem Zweck sind hier zwei Membranen 22 vorgesehen, die einerseits an der Ventilstange 12, 14 und andererseits an gehäusefesten Führungsbauteilen 24 festgelegt sind. Wie aus 1 zu ersehen ist, sind die Membrane 22 also medienberührt.
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Der Ventilaktor 30 enthält einen dielektrischen Elastomerwandler 32, der hier als Stapel-Aktor ausgeführt ist. Wenn an den Ventilaktor 30 eine Spannung angelegt wird, verringert sich also der Abstand zwischen einem Ausgangselement 34 des dielektrischen Elastomerwandlers 32 und einem Anbindungsteil 36.
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Die elektrischen Anschlüsse des dielektrischen Elastomerwandlers 32 sind hier der besseren Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
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Am Ausgangselement 34 des Ventilaktors 30 stützt sich die Ventilstange 12, 14 unter der Wirkung der Vorspannfeder 20 ab. In einer Richtung entgegengesetzt zur Wirkungsrichtung der Vorspannfeder 20 kann die Ventilstange 12, 14 vom Ausgangselement 34 abheben.
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Das Anbindungsteil 36 des dielektrischen Elastomerwandlers 32 ist hier mechanisch fest an einem Führungsteil 42 des Einstellmechanismus 40 angebracht. Das Führungsteil 42 weist auf seiner vom dielektrischen Elastomerwandler 32 abgewandten Seite einen Schaft 44 auf, der in einer Innenbohrung einer Einstellschraube 46 aufgenommen ist. In axialer Richtung ist das Führungsteil 42 durch zwei Muttern 48 gesichert, die auf ein Gewinde 50 am Ende des Schafts 44 aufgeschraubt sind.
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Die Einstellschraube 46 weist ein Außengewinde 52 auf, das in ein Innengewinde eines Abschlussdeckels 54 eingeschraubt ist. Mittels der Einstellschraube 46 kann die axiale Position des Führungsteils 42 und damit letztendlich auch des Ausgangselements 34 des Ventilaktors 30 eingestellt werden.
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Nach der Montage des Proportionalventils wird der Ventilaktor 30 (bei unbestromtem Elastomerwandler 32) mittels des Einstellmechanismus 40 so eingestellt, dass das Ventilelement 16 vom Ventilaktor 30 entgegen der Wirkung der Vorspannfeder 20 gerade in einem sicher geschlossenen Zustand gehalten ist. Zu diesem Zweck wird das Führungsteil 42 durch Drehen der Einstellschraube 46 in der Richtung des Pfeils P zum Ventilsitz 18 hin verstellt, also bezogen auf 1 nach unten verschoben, oder gegebenenfalls nach oben.
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Wenn dann im eingestellten Zustand der dielektrische Elastomerwandler 32 bestromt wird, verkürzt er sich. Dies ermöglicht es der Vorspannfeder 20, die Ventilstange 12, 14 nach oben zu verschieben, so dass das Ventilelement 16 vom Ventilsitz 18 abhebt (sieh den in 1 gezeigten Zustand). Das Ventil wird also aus dem geschlossenen Zustand in den geöffneten Zustand überführt.
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Das Ventil hat also bei der gezeigten Ausführungsform ein NC-Verhalten („normally closed“), obwohl die Ventileinheit 10 für sich genommen einen NO-Aufbau („normally open“) hat.
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In den 2 und 3 ist der dielektrische Elastomerwandler 32, wie er beim Ventil von 1 verwendet wird, schematisch gezeigt. Durch Anlegen einer Spannung verkürzt sich der dielektrische Elastomerwandler 32 aus dem in 2 gezeigten Ausgangszustand in den in 3 gezeigten bestromten Zustand.
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In den 4 und 5 ist schematisch das von 1 bekannte Ventil gezeigt.
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Im Ausgangszustand ist der dielektrische Elastomerwandler 32 mittels des Einstellmechanismus so positioniert, dass das Ventilelement 16 am Ventilsitz 18 anliegt und den Durchgang vom Medieneingang 4 zum Medienausgang 6 verschließt. Wenn der dielektrische Elastomerwandler bestromt wird, verkürzt er sich (vgl. 5), so dass die Ventilstange 12, 14 zusammen mit dem Ventilelement 16 von der Vorspannfeder 20 nach oben gedrückt werden kann. Die Ventilstange 12, 14 folgt dabei der Bewegung des Ausgangselements 34, auch wenn sie sich dort nur lose abstützt und abgesehen von der Abstützung nicht direkt mechanisch mit ihm verbunden ist.
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In den 6 und 7 ist ein Ventil mit Stapel-Aktor 30 gezeigt, das anders als bei der Ausführungsform der 4 und 5 ein NO-Verhalten hat. Im Ausgangszustand (siehe 6) mit unbestromtem Ventilaktor 30 befindet sich das Ventilelement 16 im Abstand vom Ventilsitz 18, so dass ein Durchfluss von einem (hier nicht gezeigten) Medieneingang zu einem (hier ebenfalls nicht gezeigten) Medienausgang möglich ist.
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Wenn der Ventilaktor 30 bestromt wird, verkürzt sich der dielektrische Elastomerwandler 32, so dass die Ventilstange 12, 14 zusammen mit dem Ventilelement 16 von der Vorspannfeder 20 so weit verstellt werden kann, dass das Ventilelement 16 am Ventilsitz 18 anliegt und dort den Durchgang verschließt. Dieser Zustand ist in 7 gezeigt.
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In den 8 und 9 ist ein dielektrischer Elastomerwandler 32 gezeigt, der hier als Planar-Aktor ausgeführt ist. Dieser verlängert sich im bestromten Zustand (9) gegenüber dem unbestromten Zustand (8).
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In den 10 und 11 ist schematisch ein Ventil gezeigt, das mit dem Planar-Aktor 30 der 8 und 9 arbeitet. Das Ventil hat hier einen NC-Aufbau, ist also im Normalzustand geschlossen (siehe 10).
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Die Ventilstange 12, 14 ist hier anders als bei den Ausführungsformen der 1 sowie 4 bis 7 mechanisch so am Ventilaktor 30 befestigt, dass Zugkräfte übertragen werden können. Die Vorspannfeder 20 beaufschlagt hier die Ventilstange 12, 14 und damit das Ventilelement 16 weg vom Ventilsitz 18. Mittels des (in 10 nicht gezeigten) Einstellmechanismus ist der Ventilaktor 30 hier so positioniert, dass das Ventilelement 16 im unbestromten Zustand vom Ventilaktor 30 entgegen der Wirkung der Vorspannfeder 20 am Ventilsitz 18 gehalten ist, so dass der Mediendurchfluss nicht möglich ist.
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Wenn der Ventilaktor 30 bestromt wird (siehe 11), verlängert er sich, so dass es der Vorspannfeder 20 gelingt, die Ventilstange 12, 14 zusammen mit dem Ventilelement 16 so zu verstellen, dass das Ventilelement 16 vom Ventilsitz 18 abhebt. Der Mediendurchfluss ist dann möglich.
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In den 12 und 13 ist das Ventil mit einem Planar-Aktor 30 und einem NO-Aufbau gezeigt. Im Normalzustand, also mit unbestromtem Ventilaktor 30, wird die Ventilstange 12, 14 zusammen mit dem Ventilelement 16 entgegen der Wirkung der Vorspannfeder 20 in einem geöffneten Zustand gehalten. Der dielektrische Elastomerwandler 32 bringt hier die entsprechenden Vorspannkräfte auf. Mittels des (in den Figuren nicht gezeigten) Einstellmechanismus ist der Ventilaktor 30 in die entsprechende Position gebracht.
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Wenn der Ventilaktor bestromt wird (siehe 13), verlängert er sich, so dass die Ventilstange 12, 14 zusammen mit dem Ventilelement 16 von der Vorspannfeder 20 so verschoben wird, dass das Ventilelement 16 am Ventilsitz 18 anliegt und den Mediendurchfluss sperrt. Das Ventil befindet sich dann im geschlossenen Zustand.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016114566 A1 [0002]
- DE 102017120131 A1 [0003]
