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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum pneumatischen Befüllen und Entleeren von Luftkissen in einem Sitz eines Verkehrsmittels, die eine Ventilanordnung aufweist, über welche Druckluft von einer Druckluftzufuhr zum Befüllen den Luftkissen zugeführt werden kann und Druckluft zum Entleeren von den Luftkissen abgelassen werden kann, wobei die Ventilanordnung zumindest eine Ventilgruppe mit mehreren Ventilen aufweist, wobei der zumindest einen Ventilgruppe mehrere Luftkissen zugeordnet sind, welche über die Ventilgruppe befüllt und entleert werden können, wobei die zumindest eine Ventilgruppe gebildet ist mit zumindest einem ersten Ventilbauteil, das in einer ersten Schaltstellung die Zufuhr von Druckluft aus der Druckluftzufuhr zu einem Druckluftkanal ermöglicht, in einer zweiten Schaltstellung das Ablassen von Druckluft aus dem Druckluftkanal sperrt und in einer dritten Schaltstellung das Ablassen von Druckluft aus dem Druckluftkanal ermöglicht, einer Mehrzahl von zweiten Ventilen, die an den Druckluftkanal gekoppelt sind, wobei jedes der Luftkissen, die der Ventilgruppe zugeordnet sind, mit einem unterschiedlichen zweiten Ventil der Ventilgruppe verbunden ist und wobei ein jeweiliges zweites Ventil in einer offenen Schaltstellung einen Durchfluss von Druckluft von dem Druckluftkanal und der mit dem jeweiligen zweiten Ventil verbundenen Luftkissen ermöglicht und in einer gesperrten Schaltstellung den Durchfluss sperrt.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
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Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren zum pneumatischen Befüllen und Entleeren von Luftkissen sind aus der
DE 10 2013 220 563 A1 bekannt. Dort wird erwähnt, dass die Ventile und Ventilbauteile zur Befüllung von Luftkissen als elektromechanische Stellelemente, wie z.B. elektromagnetische oder piezokeramische Stellelemente, realisiert sein können.
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Als Aktoren für derartige Ventile kommen jedoch zunehmend auch Formgedächtnisdrähte (SMA = shape memory alloy) zum Einsatz, welche sich bei Stromfluss und der daraus resultierenden Erwärmung in der Länge verkürzen und bei Abkühlung wieder strecken, so dass hierdurch eine Ventilklappe betätigt werden kann. Sie besitzen gegenüber elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigten Ventilen den Vorteil eines geringen Gewichts und Bauraums sowie eines geräuscharmen Schaltens.
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Ventile mit SMA-Aktor besitzen jedoch gegenüber elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigten Ventilen eine trägere Reaktionszeit im Bereich 0.1 s bis 0.5 s, insbesondere beim Abschalten. Daher lassen sich hochdynamische Funktionen - wie z.B. kurvenabhängige Befüllung von Seitenhaltkissen oder schnelle Massage - nur sehr eingeschränkt damit realisieren. Dies betrifft sowohl die Reaktionszeit als auch die dadurch mögliche Anfahrgenauigkeit eines Zieldrucks. Dies ist insbesondere bei Systemen mit zentraler Druckversorgung relevant, bei denen i.d.R. ein hoher Vordruck dauerhaft am Ventil anliegt.
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Gemäß der
EP 2 361 800 B1 wird für Systeme mit lokaler Druckerzeugung die Fördermenge entsprechend dem gewünschten Druckanstieg gesteuert - z.B. verlangsamt - und ggf. gestoppt, sobald der Zieldruck erreicht wird. Ein zusätzliches Rückschlagventil im Druckerzeuger oder im Schaltventil verhindert dabei ein Entweichen der Luft. So ist auch bei langsam schaltenden Ventilen eine hohe Druckgenauigkeit erzielbar.
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Die
DE 10 2005 045 403 A1 offenbart ein System mit zentraler Druckversorgung, bei dem elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigte Ventile mit kurzer Reaktionszeit eingesetzt werden. Diese sind jedoch kostenintensiv und benötigen einen größeren Bauraum als SMA-Ventile.
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Die
DE 10 2013 22 0551 B4 beschreibt ein vorausschauendes System, um die zur Befüllung verfügbare Zeitdauer zu verlängern. Damit kann die Befüllung langsamer erfolgen, und eine längere Schaltzeit beeinflusst den Zieldruck weniger stark.
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Generell ist eine Ventilschaltung mit Vorsteuerventil aus der
DE 10 2013 220 563 A1 bekannt. Ein Vorsteuerventil kann dabei z.B. zur Drosselung des Volumenstroms oder zur Reduzierung von Leckage dienen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die bzw. das SMA-Ventile zur Betätigung hochdynamischer Funktionen ggf. in Verbindung mit dauerhaft anliegender Druckversorgung nutzen kann. Dabei soll die überwiegende Anzahl der Ventile mittels SMA-Aktoren betätigt werden können.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung zum pneumatischen Befüllen und Entleeren von Luftkissen in einem Sitz eines Verkehrsmittels, die eine Ventilanordnung aufweist, über welche Druckluft von einer Druckluftzufuhr zum Befüllen den Luftkissen zugeführt werden kann und Druckluft zum Entleeren von den Luftkissen abgelassen werden kann, wobei die Ventilanordnung zumindest eine Ventilgruppe mit mehreren Ventilen aufweist, wobei der zumindest einen Ventilgruppe mehrere Luftkissen zugeordnet sind, welche über die Ventilgruppe befüllt und entleert werden können, wobei die zumindest eine Ventilgruppe gebildet ist mit zumindest einem ersten Ventilbauteil, das in einer ersten Schaltstellung die Zufuhr von Druckluft aus der Druckluftzufuhr zu einem Druckluftkanal ermöglicht, in einer zweiten Schaltstellung das Ablassen von Druckluft aus dem Druckluftkanal sperrt und in einer dritten Schaltstellung das Ablassen von Druckluft aus dem Druckluftkanal ermöglicht, einer Mehrzahl von zweiten Ventilen, die an den Druckluftkanal gekoppelt sind, wobei jedes der Luftkissen, die der Ventilgruppe zugeordnet sind, mit einem unterschiedlichen zweiten Ventil der Ventilgruppe verbunden ist und wobei ein jeweiliges zweites Ventil in einer offenen Schaltstellung einen Durchfluss von Druckluft von dem Druckluftkanal und der mit dem jeweiligen zweiten Ventil verbundenen Luftkissen ermöglicht und in einer gesperrten Schaltstellung den Durchfluss sperrt. In erfindungsgemäßer Weise sind das erste Ventilbauteil mit einem oder mehreren schnell schaltenden Ventilen und die zweiten Ventile mit hierzu im Verhältnis langsamer schaltenden Ventilen gebildet.
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Es wird also ein schnellschaltendes Ventil zwischen der Druckluftversorgung und einer Verteilerleitung angeordnet. Mehrere SMA-Ventile werden genutzt, um Luftverbraucher mit der gemeinsamen Verteilerleitung zu verbinden.
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Es ist damit gemäß einem die Aufgabe ebenfalls lösenden, erfindungsgemäßen Verfahren möglich, zum Befüllen und zum Entleeren eines Luftkissens jeweils zunächst das zugeordnete zweite, also langsamer schaltende Ventil und anschließend das erste, also schneller schaltende Ventilbauteil zu betätigen und hierdurch ein insgesamt schnelles Schaltverhalten zu ermöglichen. Dies ist möglich, da die langsamer schaltenden zweiten Ventile bei Bedarf schon vor dem eigentlichen Befüll- oder Entleerzeitpunkt angesteuert werden können, ohne dass ein Befüllen oder Entleeren erfolgt, solange das erste Ventilbauteil nicht angesteuert wird. Mittels dieses ersten Ventilbauteils kann dann schnell eine Befüll- oder Entleeraktion gesteuert werden.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der Vorrichtung ist das erste Ventilbauteil mit einem ersten 2/2-Ventil zum Zuführen von Druckluft zum Druckluftkanal und einem zweiten 2/2-Ventil zum Ablassen von Druckluft aus dem Druckluftkanal gebildet.
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Diese Ventile sind dabei vorzugsweise als NC-Ventile (NC: normally closed) ausgebildet.
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In einer alternativen Ausbildung kann das erste Ventilbauteil mit einem 3/3-Ventil zum Zuführen von Druckluft zum Druckluftkanal in einer ersten Schaltstellung, zum Ablassen von Druckluft aus dem Druckluftkanal in einer zweiten Schaltstellung und zum Sperren des Ventilbauteils in einer dritten Schaltstellung gebildet ist.
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Das Ventil ist dann zwar komplexer aufgebaut, nimmt aber ggf. weniger Bauraum ein.
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In einer weiteren Ausbildung der Vorrichtung kann das erste Ventilbauteil mit zumindest einem Ventil mit einem Magnetaktor, mit einem Piezoaktor oder mit einem elektroaktiven Polymeraktor gebildet sein.
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Diese Technologien ermöglichen schnelle Schaltzeiten, so dass ein gewünschter Zieldruck schnell und präzise eingestellt werden kann.
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In einer weiteren Ausbildung können die zweiten Ventile mit einem Aktor mit einem Formgedächtnislegierungsdraht gebildet sein, wodurch eine leichte Bauweise mit geringen Schaltgeräuschen realisierbar ist.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer oben beschriebenen Vorrichtung wird zum Befüllen und zum Entleeren eines Luftkissens jeweils zunächst das zugeordnete zweite Ventil und anschließend das erste Ventilbauteil betätigt.
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Es wird also jeweils in einer Situation, in der sich der Druck in einem Luftkissen oder der Druckleitung noch nicht wesentlich ändern kann, bereits ein zweites Ventil betätigt, so dass eine druckmäßige Verbindung zwischen der Druckleitung und einem Luftkissen hergestellt ist. Danach kann über das erste Ventilbauteil der gewünschte Druck in der Druckleitung bzw. einem Luftkissen relativ schnell und genau eingestellt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Befüllen und Entleeren von Luftkissen und
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Befüllen und Entleeren von Luftkissen
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Nachfolgend wird die Erfindung am Beispiel eines aufblasbaren Kraftfahrzeugsitzes erläutert, der in der Sitzrückenlehne eine Lordosenstütze aus drei in vertikaler Richtung übereinander angeordneten Luftkissen umfasst, wobei die Luftkissen auch für eine Massagefunktion verwendet werden können. Diese Luftkissen sind in 1 und 2 mit LK1, LK2 und LK3 bezeichnet, wobei das Luftkissen LK1 ein oberes Luftkissen, das Luftkissen LK2 ein mittleres Luftkissen und das Luftkissen LK3 ein unteres Luftkissen der Lordosenstütze ist. Es sind nur drei Luftkissen dargestellt, der Kraftfahrzeugsitz kann jedoch weitere Luftkissen aufweisen, die ebenfalls von der gezeigten und beschriebenen Vorrichtung angesteuert werden können. Hierbei können die Luftkissen auch in mehreren Gruppen organisiert sein.
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Gemäß der Ausführungsform der 1 erfolgt die pneumatische Befüllung bzw. das Entleeren der Luftkissen über eine Ventilanordnung 1, die zum einen mit den Luftkissen LK1, LK2, LK3 und zum anderen mit einer Druckluftzufuhr K in der Form einer Pneumatikpumpe verbunden ist. Anstatt einer Pumpe kann ggf. auch eine zentrale Druckluftversorgung mit permanent anstehendem Vordruck verwendet werden. Die Druckluftversorgung weist außerdem einen Druckspeicher DS auf.
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Die Ventilanordnung 1 der 1 umfasst eine Vielzahl von Ventilen, die auf einem gemeinsamen Trägermodul angeordnet sein können und auf diesem Trägermodul fluidtechnisch verschaltet sind. Das Trägermodul dient gleichzeitig als Ventilsitz, Druckverteiler und Gehäuse der Ventilbaugruppe. Es ist jedoch ebenfalls möglich, mehrere Gehäuse für insbesondere unterschiedliche Ventiltypen vorzusehen, um diese z.B. aufgrund ihrer unterschiedlichen Geräuschentwicklung an entsprechend geeigneten Stellen in einem Fahrzeug oder Fahrzeugsitz zu verbauen.
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Die dargestellte Ventilanordnung weist eine Ventilgruppe auf, wobei die Ventilgruppe ein erstes Ventilbauteil EM und zweite Ventile SMA1, SMA2 und SMA3 aufweist. Es können auch weitere Ventilgruppen vorgesehen sein, die ebenfalls mit einem ersten Ventilbauteil und einer Anzahl von zweiten Ventilen gebildet sein können, um damit weitere Luftkissen zu befüllen und zu entleeren. Die weiteren Ventilgruppen können ebenfalls an die Druckluftzufuhr K angeschlossen sein.
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In der Ausführungsform der 1 sind alle Ventile sog. 2/2-Ventile mit zwei Anschlüssen und zwei Schaltstellungen. Die einzelnen Ventile sind elektromechanische Stellelemente bzw. Aktoren, welche durch Bestromung ihre Schaltstellung verändern. In 1 und auch in der weiter unten beschriebenen 2 sind die Ventile in ihrem unbestromten Zustand gezeigt, in dem die Ventile gesperrt sind. Alle zweiten Ventile SMA1, SMA2, SMA3 ermöglichen in der offenen Schaltstellung einen Durchfluss von Druckluft in zwei Richtungen, wie durch entsprechende Doppelpfeile angedeutet ist. In der gesperrten Schaltstellung wird dieser Durchfluss blockiert.
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Das erste Ventilbauteil EM1, EM2 ist im Ausführungsbeispiel der 1 mit zwei 2/2-Ventilen gebildet, von denen das erste Ventil EM1 einen Durchfluss von der Druckluftzufuhr K zu einem Druckluftkanal VL und das zweite Ventil EM2 einen Durchfluss vom Druckluftkanal VL zur Umgebung ermöglicht.
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Auch die zweiten Ventile SMA1, SMA2, SMA3 sind an den Druckluftkanal VL angeschlossen und ermöglichen die Zufuhr von Druckluft zu einer an ein jeweiliges zweites Ventil SMA1, SMA2, SMA3 angeschlossenes Luftkissen LK1, LK2, LK3 oder zu deren Entleerung über den Druckluftkanal VL und das zweite Ventil EM2 des ersten Ventilbauteils.
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Die Ventile EM1, EM2 des ersten Ventilbauteils sind mit schnell schaltenden Ventilen wie beispielsweise elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigbaren Ventilen oder Ventilen mit einem elektroaktiven Polymeraktor gebildet. Die zweiten Ventile SMA1, SMA2, SMA3 sind mit langsamer schaltenden Ventilen gebildet, wie beispielsweise und vorzugsweise Ventilen mit einem Aktor, der mit einem Formgedächtnislegierungsdraht gebildet ist.
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Hierdurch ist es möglich, eine leichte und leise schaltende Vorrichtung zu realisieren, die trotzdem eine schnelle und präzise Zieldruckerzeugung ermöglicht. Da die Ventile EM1, EM2 des ersten Ventilbauteils jeweils in Serie zu jedem der zweiten Ventile SM1, SMA2, SMA3 geschaltet ist, kann bei noch gesperrtem ersten Ventilbauteil eines oder mehrere zweite Ventile SM1, SMA2, SMA3 bereits betätigt werden, wenn noch keine Druckveränderung gewünscht ist und anschließend über die Ventile EM1, EM2 des ersten Ventilbauteils die Druckveränderung schnell erfolgen.
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Alle Ventile der Ventilgruppe sind an einen gemeinsamen Druckluftkanal K gekoppelt. Über das erste Ventilbauteil EM1, EM2 wird die Zufuhr bzw. das Ablassen von Druckluft aus dem Druckluftkanal K ermöglicht. Demgegenüber dienen die zweiten Ventile SMA1, SMA2, SMA3 der Ventilgruppe jeweils zur Steuerung der Druckluftzufuhr zu einem einzelnen Luftkissen LK1, LK2, LK3.
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Zum Befüllen wird also z.B. zunächst ein erstes zweites Ventil SMA1 für das Luftkissen LK1 aktiviert und damit der Druckluftkanal K und das Luftkissen LK1 pneumatisch verbunden. Anschließend wird das erste Ventil EM1 des ersten Ventilbauteils betätigt, wodurch eine genaue zeitliche Steuerung des Befüllvorgangs möglich ist.
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Am Ende des Befüllvorgangs ist ein rasches Ausschalten erforderlich, welches aufgrund des langsamen Abkühlens des SMA-Aktors nicht bei dem ersten zweiten Ventil SMA1 möglich ist. Stattdessen wird zuerst das erste Ventil EM1 des ersten Ventilbauteils ausgeschaltet, um eine hohe Genauigkeit des Zieldrucks zu gewährleisten, dadurch endet der Luftfluss. Das erste zweite Ventil SMA1 kann nun ebenfalls abgeschaltet werden und langsam in seinen geschlossenen Zustand zurückkehren, ohne dass sich der Druck in dem Luftkissen LK1 ändert.
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Das Entlüften erfolgt im Ausführungsbeispiel der 1 über ein weiteres 2/2 NC-Ventil EM2 des ersten Ventilbauteils. Abhängig von der erforderlichen Dynamik beim Entlüften kann dieses wahlweise ein weiteres SMA-Ventil oder ein weiteres schnell schaltendes Ventil sein. Dabei wird ebenfalls wieder zunächst das erste zweite Ventil SMA1 aktiviert und der Entlüftvorgang anschließend mit dem zweiten Ventil EM2 des Ventilbauteils gesteuert. Zuletzt wird das erste zweite Ventil SMA1 wieder geschlossen.
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Der Vorteil der gezeigten Anordnung ist, dass die Mehrzahl der Luftkissenventile als kompakte und kostengünstige SMA-Ventile dargestellt werden kann, wohingegen für die exakte dynamische Steuerung zwei schnell schaltende Ventile, beispielsweise Magnetventile, verwendet werden können, wobei das zweite Ventil EM2 des ersten Ventilbauteils auch als SMA-Ventil ausgeführt sein kann, je nach Anforderung an die Schaltschnelligkeit. Die in der 1 gezeigte Vorrichtung wird vorzugsweise für Statikfunktionen mit langen (bzw. dauerhaften) Haltezeiten der Luft in den Luftkissen LK1, LK2, LK3 eingesetzt.
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Die Anzahl der zweiten Ventile SMA1, SM2, SMA3 ist im Ausführungsbeispiel mit 3 gewählt; jede andere Anzahl ist ebenfalls möglich. Ebenso können mehrere zweite Ventile SMA1, SM2, SMA3 gleichzeitig aktiviert werden, wenn die zugehörigen Luftkissen LK1, LK2, LK3 synchron befüllt oder entlüftet werden sollen. Es ist zudem möglich, mehrere Ventilgruppen mit jeweils separaten Vorsteuerventilen und Verteilerleitungen einzusetzen, um die Gruppen unabhängig voneinander ansteuern zu können.
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Anstelle von Magnetventilen können alternativ auch andere schnellschaltende Ventile, wie z.B. Ventile mit Piezoaktoren oder elektroaktiven Polymeraktoren eingesetzt werden. Bei Verwendung eines proportional arbeitenden Vorsteuerventils sind zudem die Befüll- bzw. die Entlüftgeschwindigkeit einstellbar.
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Gemäß dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann das erste Ventilbauteil EM auch mit einem 3/3-Ventil realisiert werden, das zum Zuführen von Druckluft zum Druckluftkanal VL in einer ersten Schaltstellung und zum Ablassen von Druckluft aus dem Druckluftkanal VL in einer zweiten Schaltstellung und zum Sperren des ersten Ventilbauteils EM in einer dritten Schaltstellung ausgebildet ist.
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Die beschriebenen Vorrichtungen weisen die Vorteile von kurzen Schaltzeiten bei Befüllen und/oder Entlüften beim Einsatz von bauraum- und kostensparenden SMA-Ventilen sowie die Erweiterung des Einsatzes von SMA-Ventilen auf Systeme mit hoher Dynamikanforderung an Schaltzeiten auf. Außerdem erfolgt hierdurch eine Erweiterung des Einsatzes von SMA-Ventilen auf Systeme mit zentraler bzw. dauerhafter Druckversorgung.
