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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 die Ablassöffnung durchragenden Stößel, an dessen in die Luftkammer ragendem Ende eine Platte ausgebildet ist, an der ein erstes Dichtelement zum Verschließen der Ablassöffnung angeordnet ist, und mit einem dieses im aktivierten Zustand des pneumatischen Ventils gegen die Ablassöffnung drückenden elastischen Element gebildet ist, wobei der Aktor ferner aufweist: 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, in einem unbestromten Zustand das Betätigungselement in einen ersten Zustand zu bringen, in dem es den Stößel gegen die Zufuhröffnung drückt, und in einem bestromten Zustand das Betätigungselement in einen zweiten Zustand zu bringen, in dem der Betätigungsabschnitt keine Kraft auf den Stößel ausübt, so dass aufgrund der Wirkung des elastischen Elements die Ablassöffnung durch das erste Dichtelement verschlossen wird.
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Ein solches pneumatisches Ventil ist aus der
DE 10 2018 216 874 A1 und auch aus der
DE 10 2019 208 051 A1 bekannt. Bei diesen Ventilen entleeren sich allerdings an die Verbindungsöffnung angeschlossene Fluidblasen oder Luftkissen im aktivierten Zustand der Ventile, wenn es einen Druckabfall an der Zufuhröffnung gibt, beispielsweise, wenn der Kompressor abgeschaltet wird, da eine offene Verbindung zwischen der Verbindungsöffnung und der Zufuhröffnung besteht.
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In Verkehrsmitteln werden befüllbare, elastische Kissen zur Formung von Sitzkonturen eingesetzt. Die elastischen Kissen werden dafür in der Regel mit Luft gefüllt. Zur Steuerung der Luft werden elektrisch betätigte Ventile verwendet. Die Kissen lassen sich durch periodische Befüllung und Entleerung auch für eine Massagefunktion einsetzen. Für die Funktion der Massage werden zwei oder mehr Luftkissen angesteuert, die sich voneinander unabhängig verstellen lassen oder auch in einem gefüllten Zustand verbleiben können, während andere Kissen befüllt oder entlüftet werden. Aufgrund der verglichen mit einer Konturenverstellung kurzen Haltedauer der Luft in einem Kissen bei einer Massageverwendung (wenige Sekunden bis ca. 10 min), werden dafür meist NO-Ventile („normally open“) eingesetzt, die sich in unbetätigtem Zustand in Entlüftungsstellung befinden.
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Zunehmend werden auch Fahrzeuge der mittleren und unteren Klasse mit derartigen Systemen ausgestattet. Daher wird eine möglichst kostengünstige Ausführung benötigt. Gleichzeitig werden Fahrzeuge gewichtssparend konstruiert, um Umwelt- und Verbrauchsvorgaben zu erfüllen. Dies führt u.a. zu einer kompakteren Bauweise von Sitzen. Damit müssen auch die darin verbauten Komponenten verkleinert werden.
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In vielen Ausführungen wie z.B. für pneumatische Lordosenstützen werden für jedes in einem Fahrzeugsitz verbaute Kissen unabhängige 2/2-Ventile für Befüllen und Entlüften verwendet; folglich benötigt jedes Kissen zwei Ventil-Aktoren. Alternativ können dafür statt zwei 2/2-Ventilen auch eine Kombination wie z.B. 3/3- oder 3/4-Ventile eingesetzt werden (mit ebenfalls zwei Aktoren). Als Aktoren für pneumatische Ventile werden zunehmend Formgedächtniselemente (shape memory alloy - SMA) eingesetzt, die eine besonders hohe Leistungsdichte aufweisen.
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Die
DE 10 2013 220 563 A1 beschreibt eine Lösung, bei der die Kissen in mehrere Gruppen aufgeteilt werden, welche jeweils ein 2/2- oder 3/2-Vorsteuerventil benutzen, hierdurch ergibt sich eine - allerdings eingeschränkte - Unabhängigkeit. Dann genügt für jedes Kissen ein weiteres 2/2-Ventil. So können Kissen aus voneinander verschiedenen Gruppen unabhängig verstellt werden.
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In der
EP 2 361 800 B1 ist eine pneumatische Verschaltung offenbart, welche 3/2-Schaltventile mit vorgelagerten Rückschlagventilen verwendet. Dadurch lässt sich die Anzahl der benötigten Ventil-Aktoren halbieren. Die Rückschlagventile und die Schaltventile sind hierbei eigenständige Komponenten, die durch zusätzliche Verbindungs-Bauteile miteinander verbunden werden. Die Anordnung ist in einem Kompressorgehäuse integriert.
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Die
DE 10 2017 213 736 B3 zeigt eine Weiterentwicklung davon, bei der das Rückschlagventil als Teil des elektromagnetischen Schaltventils ausgeführt ist und bei Betätigung fest schließt.
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Die
DE 10 2011 102 701 B4 beschreibt einen Ventilblock mit Überdruckventil, welches separat aber mit gleichartigen Bauteilen wie die Schaltventile aufgebaut ist.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein pneumatisches NO-Ventil mit einem im Umgebungsdruck liegenden SMA-Aktor und integriertem Rückschlagventil zur weitgehend unabhängigen Ansteuerung mehrerer Massage-Luftkissen anzugeben, das möglichst einfach, raumsparend und kostengünstig ist.
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Die Aufgabe wird durch ein pneumatisches Ventil nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Demnach ist bei einem gattungsgemäßen pneumatischen Ventil in der Luftkammer ein zweites Dichtelement angeordnet, das im unbestromten Zustand des Aktorelements die Zufuhröffnung verschließt und im bestromten Zustand des Aktorelements, im Falle einer positiven Druckdifferenz zwischen dem Druck an der Zufuhröffnung und dem Druck an der Verbindungsöffnung die Zufuhröffnung freigibt und im Falle einer negativen Druckdifferenz zwischen dem Druck an der Zufuhröffnung und dem Druck an der Verbindungsöffnung die Zufuhröffnung verschließt. Durch das zweite Dichtelement in der Luftkammer wird also auf einfache Weise ein integriertes Rückschlagventil realisiert.
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Bei betätigtem Ventil verhindert oder zumindest minimiert das Rückschlagventil eine entgegen der Luftkissenbefüllrichtung gerichtete Strömung. Das Rückschlagventil ist so angeordnet, dass es bei betätigtem Ventil durch entgegengesetzte Strömung an den Dichtsitz der Zufuhröffnung gezogen wird. Diese Bewegung kann auch durch eine innere Rückstellkraft, wie z.B. eine Materialspannung eines Elastomers, aus dem das zweite Dichtelement bestehen kann, leicht gegen den Dichtsitz der Zufuhröffnung gedrückt wird. Alternativ oder zusätzlich kann dies auch durch eine äußere Rückstellkraft, beispielsweise durch eine Spiralfeder, erfolgen, wodurch das zweite Dichtelement leicht gegen den Dichtsitz der Zufuhröffnung gedrückt wird.
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Wenn das pneumatische Ventil nicht betätigt ist, wird das Rückschlagventil bzw. das zweite Dichtelement durch einen Stößel zusätzlich auf den Dichtsitz der Zufuhröffnung gedrückt und dichtet dieses ab. Das zweite Dichtelement kann aus einem dünnen und starren oder elastischen Material sein, das eine Gegenkontur zum Dichtsitz aufweist oder beim Anliegen an den Dichtsitz in diese Form gebracht werden kann.
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Es wird also ein 3/2-Ventil in Topfform beschrieben, welches mittels eines Stößels durch die Abluftöffnung hindurch von einem SMA-Aktor betätigt wird. Am in die Luftkammer ragenden Ende des Stößels weist dieser ein Dichtelement auf. Im aktivierten Zustand gibt der Aktor den Stößel frei, wodurch dieser dann durch die (geringe) Kraft einer Rückstellfeder von der Zufuhr- zur Ablassöffnung geschoben wird. Damit dichtet das erste Dichtelement den Dichtsitz der Ablassöffnung ab.
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In einer ersten Ausführung des pneumatischen Ventils ist das zweite Dichtelement als Blättchen ausgebildet und mit einem Ende in der Wand der Luftkammer verankert. Dabei kann das elastische Element - beispielsweise eine Spiralfeder - zwischen einer am aus der Luftkammer ragenden Ende des Stößels ausgebildeten Platte und einer Außenwand der Luftkammer oder zwischen der am in die Luftkammer ragenden Ende des Stößels ausgebildeten Platte und dem zweiten Dichtelement angeordnet sein.
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In einer zweiten Ausführung des pneumatischen Ventils ist das zweite Dichtelement als Blättchen ausgebildet und lose zwischen der Zufuhröffnung und der am in die Luftkammer ragenden Ende des Stößels ausgebildeten Platte angeordnet.
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Das elastische Element kann zwischen dieser Platte und dem zweiten Dichtelement angeordnet sein.
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Im nicht aktivierten Zustand des Ventils drückt der Aktuator den Stößel in die untere Position. Damit übt der Stößel eine Kraft nach unten auf das Rückschlagventil aus und dichtet dieses somit ab. Damit kann auch bei hohem Druck im Zuluftkanal keine Luft in das Kissen strömen (siehe 1 und 4). Gleichzeitig öffnet sich das Entlüftventil.
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Im aktivierten Zustand bewegt sich der Stößel in die obere Position und gibt damit das Rückschlagventil frei. Wenn nun der Druck im Zuluftkanal größer als der Druck in der Ventilkammer ist, hebt das Rückschlagventil zumindest teilweise vom Düsensitz ab, und Luft kann durch das Befüllventil strömen (siehe 2 und 5).
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Wird nun im aktivierten Zustand der Druck im Zuluftkanal rasch unter den Druck des zuvor befüllten Kissens verringert (durch Abschalten des Kompressors oder durch Öffnen eines anderen Ventils), ergibt sich eine Rückströmung von der Ventilkammer in den Zuluftkanal. Diese Strömung erzeugt einen Sog, wodurch sich das Rückschlagventil an den Düsensitz wieder anlegt. Damit verhindert es eine Rückströmung und die Luft in der Ventilkammer bzw. im Kissen wird gehalten, solange das Ventil im aktivierten Zustand bleibt (siehe 3 und 6).
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Alternativ wird das Rückschlagventil durch eine interne oder externe Federkraft - und damit unabhängig von einer Rückströmung - leicht auf den Düsensitz gedrückt und verhindert dadurch ebenfalls eine Rückströmung. Die Dichtkraft des Rückschlagventils wird dabei im Wesentlichen nur von der Druckdifferenz aufgebracht und nimmt mit letzterer zu. Folglich besteht bei hoher Druckdifferenz auch eine höhere Dichtigkeit als bei niedriger Druckdifferenz. Aufgrund der kurzen Haltezeiten bei Massageventilen im Bereich weniger Sekunden bis einiger Minuten kann eine dadurch evtl. auftretende Leckage bei niedriger Druckdifferenz toleriert werden.
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Ein eventueller Druckverlust infolge von Leckage kann unter folgender Bedingung weitgehend ausgeglichen werden: Werden weitere Kissen befüllt, während das leckagebehaftete gehalten wird, strömt die Zuluft nicht nur in die neu zu befüllenden Kissen, sondern auch in das gehaltene Kissen, sobald der Druck im Zuluftkanal größer als der im gehaltenen Kissen wird.
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Um einen raschen Druckabfall der Zuluft zu erreichen, kann auch beim Abschalten des Kompressors das Ventil eines in diesem Augenblick ungenutzten leeren Kissens kurz geöffnet werden. Dadurch entweicht der Restdruck im Zuluftkanal schnell, wodurch sich der zum Anlegen des Rückschlagventils benötigte Sog ergibt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
- 1 eine erste Ausbildungsvariante eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils in unbetätigtem Zustand,
- 2 die erste Ausbildungsvariante des Ventils in betätigtem Zustand während eines Befüllvorgangs,
- 3 die erste Ausbildungsvariante des Ventils in betätigtem Zustand nach einem Befüllvorgang mit aktivem Rückstellventil,
- 4 eine zweite Ausbildungsvariante eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils in unbetätigtem Zustand,
- 5 die zweite Ausbildungsvariante des Ventils in betätigtem Zustand während eines Befüllvorgangs, und
- 6 die zweite Ausbildungsvariante des Ventils in betätigtem Zustand nach einem Befüllvorgang mit aktivem Rückstellventil.
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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 als Bodenplatte ausgebildet ist. Das Gehäuse 1 weist außerdem ein zweites Gehäuseteil 18 auf, das als Deckel ausgebildet ist und schließlich ein drittes becherförmiges 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, in die ein Abschlussteil 2a als Deckel der Luftkammer 2 eingesteckt ist. 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 2a ausgebildet. Es kann also Druckluft über den Zufuhranschluss 27 beispielsweise von einem Kompressor in das Gehäuse 1 geführt werden, wobei 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. Andererseits kann Druckluft aus dem Luftkissen 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 Öffnung 29 zur Umgebung besteht.
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In der Luftkammer 2 ist ein Schließelement 7 mit einem Stößel 11 und mit einem ersten Dichtelement 8 ausgebildet, wobei das erste Dichtelemente 8 an einer Platte 11a befestigt oder an diese angeformt ist, die mit dem in die Luftkammer 2 ragenden Ende des Stößels 11 verbunden oder an dieses angeformt ist.
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Am aus der Luftkammer 2 ragenden Ende des Stößels 11 ist eine weitere Platte 11b befestigt oder angeformt, an der sich ein elastisches Element 10, beispielsweise in Form einer Spiralfeder, abstützt. Das elastische Element 10 stützt sich mit seinem anderen Ende an dem Abschlussteil 2a ab. Das elastische Element 10 drückt bei aktiviertem Ventil das Schließelement 7 und damit das erste Dichtelement 8 gegen die Ablassöffnung 5. Somit kann im aktivierten Zustand keine Luft aus einem an den Verbindungsanschluss 28 angeschlossenen Luftkissen über die Luftkammer 2 entweichen.
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In der Luftkammer 2 ist ein zweites Dichtelement 30 zwischen der am Stößel 11 angebrachten Platte 11 a und der Zufuhröffnung 3 angeordnet und im Ausführungsbeispiel der 1 zwischen dem dritten Gehäuseteil 19 und dem Abschlussteil 2a eingeklemmt. Das zweite Dichtelement 30 kann als starres oder auch elastisches Blättchen ausgeführt sein und wirkt als Blattfeder, die die Zufuhröffnung 3 bei einer gewissen Kraft auf diese abdichten kann. In dem in der 1 gezeigten inaktivierten Zustand des Ventils drückt das Schließelement 7 auf das zweite Dichtelement 30 und damit dieses gegen die Zufuhröffnung 3. Damit kann Luft in einem an den Verbindungsanschluss 28 angeschlossenen Luftkissen über das nicht verschlossene Ablassöffnung 5 durch die Öffnung 29 im zweiten Gehäuseteil 18 entweichen, wodurch sich ein NO-Ventil ergibt.
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In dem Gehäuse 1 ist außerdem ein Aktor 6 angeordnet. Der Aktor 6 ist mit einer Leiterplatte 12 gebildet, die an entsprechenden Streben des dritten Gehäuseteils 19 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.
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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. In nicht aktivierten Zustand ist das Betätigungselement 13 so vorgespannt, dass das Betätigungselement 13 mit seinem Betätigungsabschnitt 14 gegen den Stößel 11 drückt und damit das zweite Dichtelement 30 gegen die Kraft des elastischen Elements 10 an die Zufuhröffnung 3 drückt, wodurch die Ablassöffnung 5 geöffnet ist.
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Das Aktorelement 16 ist dabei - beispielsweise mittels 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 der Leiterplatte 12 und das Betätigungselement 13 unterhalb einer Unterseite 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 das Ventil der 1 in einem zweiten, aktivierten Zustand gezeigt, also in einem Zustand, in dem die Zufuhröffnung 3 geöffnet ist und Luft von dem Zufuhranschluss 27 über den Verbindungsanschluss 28 durch die Luftkammer 2 in ein angeschlossenes Luftkissen strömt.
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In der 2 sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen nur die wesentlichen Bezugszeichen gezeigt sind.
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Durch Aktivierung des Aktors 6 wird das Betätigungselement 13 angehoben und somit das Schließelement 7 durch die Federkraft des elastischen Elements 10 ebenfalls nach oben gedrückt und folglich durch das erste Dichtelement 8 die Ablassöffnung 5 verschlossen. Das Schließelement 7 drückt nicht mehr auf das zweite Dichtelement 30, so dass dieses durch den Luftdruck angehoben wird und die Zufuhröffnung 3 freigibt.
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Die 3 zeigt schließlich einen dritten Zustand des Ventils, bei dem das zweite Dichtelement 30 bei aktiviertem Aktor 6 und damit die Ablassöffnung 5 verschließendem Schließteil 7 als Rückschlagventil fungierend die Zufuhröffnung 3 verschließt, da der Luftdruck an der Verbindungsöffnung 4 bzw. der Luftkammer 2 höher ist als an der Zufuhröffnung 3 bzw. dem Zufuhranschluss 27.
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In den 4 bis 6 ist eine zweite Ausführungsform eines pneumatischen Ventils dargestellt. Auch hier sind gleiche Teile wie in den 1 bis 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der zweiten Ausführungsform ist das zweite Dichtelement 31 als loses Blättchen ausgebildet und liegt zwischen dem Schließelement 7 und der Zufuhröffnung zumindest zwischen diesen Teilen weitgehend frei beweglich.
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Außerdem ist das elastische Element 10a nun zwischen der am in die Luftkammer 2 ragenden Ende des Stößels 11 angebrachten Platte 11a und dem zweiten Dichtelement 31 angeordnet und drückt, wie in den 4 und 6 dargestellt, dieses gegen die Zufuhröffnung 3 oder wird von dem zweiten Dichtelement 31 aufgrund eines hohen Drucks aufgrund zuströmender Luft an der Zufuhröffnung 3 gestaucht.
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In den 4 bis 6 sind die gleichen drei Zustände dargestellt wie in den 1 bis 3, der Unterschied besteht nur in der Ausführung des zweiten Dichtelements 31, das nun nicht mehr als Blattfeder fungiert und dem elastischen Element 10a, das nun nicht nur das erste Dichtelement 8 des Schließelements 7 gegen die Ablassöffnung 5 drückt, wenn das Ventil aktiviert ist, sondern auch das zweite Dichtelement 31 gegen die Zufuhröffnung 3, wenn der Druck an der Zufuhröffnung 3 geringer wird, beispielsweise, weil ein druckerzeugender Kompressor abschaltet.
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Die Vorteile der genannten Ausführungen ergeben sich durch eine halbierte Anzahl an Aktoren gegenüber einer Anordnung mit 3/3-NO Schaltventilen bei vergleichbarer Funktion für Massage-Applikationen, durch eine kostengünstige, platzsparende und gewichtsreduzierte Darstellung einer Massage mit Haltefunktion und durch einen teilweisen Ausgleich eines Druckverlusts, falls während einer längeren Haltezeit des Ventils eine Leckage am Rückschlagventil auftritt, während welcher weitere Kissen befüllt werden sollen.
