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Die vorliegende Erfindung betrifft ein SMA-Ventil zur Steuerung der Druckluftzufuhr zu einer Luftzelle in einem Fahrzeugsitz mit: einem Ventilgehäuse, einem Ventilelement, das beweglich in dem Gehäuse aufgehängt ist, um zwischen einer geschlossenen Stellung, in der das Ventilelement in dichtender Anlage an einem Ventilsitz ist, was einen geschlossenen Zustand des Ventils darstellt, und einer offenen Stellung beweglich ist, in der das Ventilelement von dem Ventilsitz wegbewegt ist, was einem offenen Zustand des Ventils entspricht, einem Federelement, das dazu ausgestaltet ist, um eine Vorspannkraft auf das Ventilelement auszuüben, die es in die geschlossene Stellung drückt, und einem SMA-Draht, der zwischen einem in den Gehäuse fixierten Teil und dem Ventilelement verläuft und angeordnet ist, so dass eine Verkürzung des SMA-Drahts bei Erreichen seiner Schwellentemperatur eine Kraft auf das Ventilelement ausübt, die das Ventilelement gegen die Vorspannkraft des Federelements aus der geschlossenen Stellung weg zieht.
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Fahrer und Fahrgäste von Kraftfahrzeugen erleiden oft, insbesondere wenn sie Langstrecken fahren, Unannehmlichkeiten, die durch die statische Körperhaltung beim Sitzen in einem Fahrzeugsitz verursacht werden. Das wird nicht nur als unbequem wahrgenommen und als zum Beispiel Rückenschmerzen verursachend, sondern kann auch zu permanenten Gesundheitsschäden führen, insbesondere bei Berufsfahrern wie Taxi-, Lastwagen- und Busfahrern. Um Abhilfe zu schaffen, bietet die Automobilindustrie seit einiger Zeit Fahrzeugsitze mit einstellbaren Lordosenstützen und -kissen und mit integrierten Massagesystemen in der Sitzlehne an. Die Lordosenstützen und -kissen im Sitz werden eingestellt, indem Luftzellen aufgeblasen werden, indem diese mit Druckluft aufgeblasen und in dem gewünschten Zustand verschlossen werden. In Massagesystemen werden reihenförmige Anordnungen von Luftzellen sequenziell aufgeblasen und entlüftet, um einen Massageeffekt zu bewirken.
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Solche Massagesysteme für einen Fahrzeugsitz sind zum Beispiel in
US 5,135,282 A offenbart. Eine Reihe von aufblasbaren Luftzellen ist entlang einer gemeinsamen Versorgungsleitung angeordnet, wobei die gemeinsame Versorgungsleitung mit Druckluft aus einer Pumpe versorgt wird. Um ein sich fortpflanzendes, sequenzielles Aufblasen entlang der Reihe von Luftzellen beginnend mit der ersten Zelle am unteren Ende der Rückenlehne und sich Zelle für Zelle fortsetzend bis zu der letzten Zelle an dem oberen Ende der Rückenlehne zu erzeugen, sind eine Anzahl von steuerbaren Ventilen und eine Steuereinheit vorgesehen. Grundsätzlich ist stromaufwärts vor jeder Zelle ein steuerbares Ventil vorhanden, um es zu ermöglichen, das Aufblasen und Entlüften jeder Zelle individuell zu steuern, und weitere Ventile sind zur Steuerung der Entlüftung vorhanden. Da die Anzahl der Luftzellen in einem Massagesystem beträchtlich ist, ist die Anzahl von Ventilen entsprechend hoch. In ähnlicher Weise sind in Fahrzeugsitzen mit einstellbaren Lordosenstützen und -kissenventile vorhanden, um die Luftzellen zum Aufblasen zu öffnen und um die Luftzellen bei dem gewünschten Füllzustand zu schließen.
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Solenoid-Ventile sind technisch gut geeignet, um als steuerbare Ventile in Massagesystemen und in Lordosenstützen- und Kissensystemen für Fahrzeugsitze eingesetzt zu werden. Typischerweise werden auf diesem Gebiet Solenoid-Ventile von normalerweise geschlossenen Typ eingesetzt, wobei ein Stößel von einer Feder vorgespannt ist, so dass eine Dichtungsoberfläche des Stößel auf einen Ventilsitz gedrückt wird, um das Ventil in dem geschlossenen Zustand zu halten. Durch Zuführen elektrischer Leistung zu dem Solenoid wird der Stößel durch elektromagnetische Wirkung gegen die Vorspannkraft der Feder aus dem Ventilsitz heraus gehoben, und wenn die Stromzufuhr unterbrochen wird, kehrt der Stößel durch die Federkraft sofort in seine Dichtungsstellung zurück. Während solche Solenoid-Ventile im Hinblick auf ihre technischen Betriebsweise und im Hinblick auf die Tatsache, dass ihr Betrieb durch geeignete Anwendung elektrischer Energie präzise gesteuert werden kann, sind solche Ventile andererseits relative teuer, physisch groß und schwer und sind daher für Anwendungen in Fahrzeugsitzen, wo Ventile in großer Zahl, z.B. in Massagesystemen der Fahrzeugsitze, eingesetzt werden, nicht bevorzugt.
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Ein anderer Typ eines steuerbaren Ventils ist das sogenannte SMA-Ventil, wobei es SMA für „Shape Memory Alloy“ (Formgedächtnislegierung) steht. Ein SMA-Ventil umfasst ein Gehäuse, einen Stößel, eine Feder, die den Stößel in eine geschlossene Stellung drückt, und einen Aktuator, der dazu in der Lage ist, auf den Stößel einzuwirken, so dass der Aktuator bei Aktivierung eine Kraft auf den Stößel ausübt, die den Stößel von dem Ventilsitz weg in eine offene Stellung bewegt und ihn dort hält, solange der Aktuator aktiviert ist. In diesem Fall weist der Aktuator einen Metalldraht auf, der aus einer Formgedächtnislegierung hergestellt ist, wobei der SMA-Draht mit dem Stößel und mit einem in dem Gehäuse fixierten Teil verbunden ist. Eine solche Formgedächtnislegierung wechselt bei einer Schwellentemperatur ihre mikroskopische Struktur, so dass ein SMA-Draht sich bei überschreiten der Schwellentemperatur verkürzt. Genauer gesagt befindet sich ein SMA-Material bei Raumtemperatur in dem Zustand eines Metalls mit martensitischen Eigeneschaften, wohingegen die Struktur bei einer Schwellentemperatur von etwa 80°C in eine austenitische Struktur übergeht. Aufgrund dieses Übergangs verkürzt sich der SMA-Draht, wobei diese Verkürzung die Kraft bereitstellt, die auf den Stößel wirkt, um ihn in die geöffnete Stellung zu bewegen. Die Betätigung des SMA-Ventils wird gesteuert, indem dem SMA-Draht selektiv elektrische Energie zugeleitet wird, um ihn auf die Schwellentemperatur aufzuheizen und die für den gewünschten Aktivierungszyklus bei einer solchen Temperatur zu halten, wonach die elektrische Energiezufuhr zu dem SMA-Draht beendet wird, um den SMA-Draht unter die Schwellentemperatur abkühlen zu lassen.
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SMA-Ventile haben einige Vorteile für Anwendungen, wie etwa in Massagesystemen und Lordosenstützen und -kissen in Fahrzeugsitzen, da sie einen Aufbau mit niedrigen Gewicht ermöglichen, die Ventile in Betrieb fast vollständig geräuschlos sind und sie zu relativ niedrigen Kosten bereitgestellt werden können. Auf der anderen Seite kontrahieren SMA-Drähte in einem relativ geringem Umfang von typischerweise bis zu 4% ihrer Länge, was nicht ausreichend für eine direkte Ventilsteuerung ist. Um die Längenkontraktion zur Bewegung eines Stößels eines SMA-Ventil zu verwenden, ist irgendeine Art von Übersetzung (Getriebe) notwendig, um das Verkürzen des Drahts in eine Translationsbewegung eines Stößels umzusetzen, wobei eine solche Übersetzung z.B. realisiert werden kann, indem der SMA-Draht so angeordnet wird, dass er einen Angriffswinkel α in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Stößels hat. Das Übersetzungsverhältnis (Distanz der Stößelbewegung/Verkürzungsdistanz des SMA-Drahts) ist proportional zu 1/cos(α), sodass mit einem α von etwa 75° ein Übersetzungsverhältnis von etwa 3,9 erreicht wird.
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Ein SMA-Ventil ist beispielsweise in
DE 10 2005 060 217 A1 beschrieben. Dieses SMA-Ventil weist die Merkmale des Oberbegriffst von Patentanspruch 1 auf. Dieses Ventil hat ein Gehäuse, in dem ein Stößel als ein Ventilelement beweglich aufgehängt ist, wobei der Stößel in einer Montageplatte axial geführt ist und durch eine Öffnung in einer Abschirmwand hindurch reicht. Ein SMA-Draht ist mit seinen gegenüberliegenden Enden an der Montageplatte an auf Abstand zueinander liegenden Punkten fixiert, und ist in seinem mittleren Bereich mit dem Stößel auf einer Höhe über der Montageplatte verbunden, so dass der SMA-Draht die Form eines gleichschenkligen Dreiecks hat, wobei die SMA-Drahtbereiche, die von dem mittleren Bereich in gegenüberliegende Richtungen ausgehen, die Schenkel gleicher Länge bilden und die Montageplatte die gegenüberliegende Seite des Dreiecks bildet. Wenn der SMA-Draht durch Zufuhr elektrischer Energie bis über die Schwellentemperatur erwärmt wird, verkürzt sich der SMA-Draht, was zu einer Verkürzung der beiden Schenkel des Dreiecks führt, was wiederum den Scheitelpunkt, wo der SMA-Draht mit dem Stößel verbunden ist, näher an die Montageplatte bewegt, wodurch der Stößel in den offenen Zustand des Ventils bewegt wird. Der Stößel ist in Bohrungen zur linearen Bewegung geführt, was den Nachteil hat, dass durch die Führungslöcher Reibungskräfte verursacht werden können. Außerdem bedingt der Verlauf des SMA-Draht in der Weise, dass er mit der Montageplatte ein gleichschenkliges Dreieck bildet, relativ große seitliche Abmessungen des Ventils, weil der Winkel zwischen den Schenkeln in den dargestellten Ausführungsformen recht groß und vorzugsweise 145° ist, so dass der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Endpunkten des Drahts, wo er an der Montageplatte fixiert ist, relativ groß ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein SMA-Ventil in einer solchen Weise auszugestalten, dass das Ventilelement in dem Gehäuse beweglich aufgehängt ist, um sich zwischen der geschlossenen und der offenen Stellung mit niedriger Reibung zu bewegen. Außerdem sollte die Aufhängung einen kompakten Aufbau des Ventils zulassen.
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Diese Aufgabe wird durch das SMA-Ventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Erfindungsgemäß ist das Ventilelement durch ein Verbindungsglied aufgehängt, das mit einem seiner Enden mit dem Ventilelement und mit seinem gegenüberliegenden Ende mit einer ortsfesten Komponente in dem Gehäuse verbunden ist, wobei in der letzteren Verbindung ein Gelenk eine Schwenkbewegung des Verbindungsglieds zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung des Verbindungsglieds entsprechend der geschlossenen bzw. der offenen Stellung des Ventilelements ermöglicht. Das Verbindungsglied ist z.B. mit einem mittleren Bereich des Ventilelements verbunden und verläuft beispielsweis im Wesentlichen in einem rechten Winkel in Bezug auf die Längsrichtung des Ventilelements.
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Auf diese Weise kann sich das Ventilelement zwischen der geschlossenen und der offenen Stellung bewegen, was durch das Gelenk an der Verbindung des Verbindungsglied mit der ortsfesten Komponente ermöglicht ist, und kann sich in dieser Weise ohne weitere Führungselemente und daher reibungsfrei bewegen.
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Die ortsfeste Komponente kann z.B. ein länglicher Befestigungsstab sein, der dazu ausgestaltet ist, mit einer Montageplatte verbunden zu werden, die in den Ventilgehäuse zu fixieren ist. Die Montageplatte kann z.B. eine Leiterplatte sein.
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In dieser Anordnung ist das Ventilelement mit seiner Längsachse parallel zu der Montageplatte orientiert, und seine Bewegungsrichtung ist im Wesentlichen parallel zu der Montageplatte. Diese Anordnung ist bevorzugt, da sie einen sehr kompakten Aufbau des Ventils ermöglicht, weil das Ventilelement nicht mit seiner Längsrichtung senkrecht zu der Montageplatte verläuft und sich nicht in dieser Richtung bewegt wie im Stand der Technik, sondern das Ventilelement kann nahe an der Montageplatte angeordnet und mit seiner Längsrichtung parallel dazu angeordnet sein, so dass die Ausdehnung des Ventilelements in Richtung senkrecht zu der Montageplatte reduziert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die ortsfeste Komponente, das Verbindungsglied und das bewegliche Ventilelement in einem Stück aus Kunststoff gebildet, und ist das Gelenk ein Festkörpergelenk mit einer Zone geschwächter Materialdicke.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verbindungsglied auch mit dem Ventilelement durch ein Gelenk verbunden, was ermöglicht, dass das Ventilelement während der Schwenkbewegung des Verbindungsglied zwischen der ersten und der zweiten Stellung und umgekehrt seine Längsachse in der selben Orientierung im Raum beibehält.
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In diesem Fall können die ortsfeste Komponente, das Verbindungsglied und das bewegliche Ventilelement aus einem Stück aus Kunststoffmaterial gebildet sein und sowohl das Gelenk als auch das Ventilelementgelenk Festkörpergelenke sein, von denen jedes eine Zone mit geschwächter Materialdicke hat. In einer solchen Anordnung können das Ventilelement und seine Aufhängung mit einer ortsfesten Komponente in einer sehr kosteneffizienten Weise als einstückige Baukomponente hergestellt werden, die in dem Ventilgehäuse zu montieren ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft das Verbindungsglied in Bezug auf das Ventilelement so, dass es während der Bewegung des Ventilelements zwischen der ersten und der zweiten Stellung und umgekehrt wenigstens einmal senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Ventilelements steht. Diese Anordnung impliziert, dass die Bewegung des Ventilelements in guter Näherung geradlinig ist, da das Verbindungsglied (wenn Längsrichtung und Bewegungsrichtung des Ventilelements gleich sind) sich über einen Winkelbereich um seine horizontale Orientierung bewegt, in der es senkrecht zur Bewegungsrichtung und der Längsachse des Ventilelements steht, so dass die Bewegung des Ventilelement in guter Näherung eine geradlinige vertikale Bewegung ist. Das Verbindungsglied kann beispielsweise eine Länge von 9 mm haben, die Bewegungsdistanz des Ventilelements von der geschlossenen in die offene Stellung kann ein 1 mm betragen. Wenn die Verbindungsglieder senkrecht zum Ventilelement in dessen geschlossener Stellung verlaufen, schwenken sie während der Bewegung des Ventilelements 1 mm zurück in die offene Stellung über einen Winkelbereich von 6º. Die Abweichung der Bewegung des Ventilelements von einer geradlinigen Bewegung beträgt in diesem Beispiel weniger als 0,05 mm (Versetzung senkrecht zur Längsrichtung und Hauptbewegungsrichtungskomponente des Ventilelements), wobei diese Versetzung klein verglichen mit der Bewegungsdistanz von 1 mm ist und in guter Näherung vernachlässigt werden kann. Die Hauptbewegungsrichtung wird hierin als Bewegungsrichtung des Ventilelements bezeichnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei solche Verbindungsglieder vorhanden, wobei das erste Verbindungsglied zwischen einem ersten Bereich des Ventilelements und einem ersten Gelenk an der ortsfesten Komponente verläuft und das zweite Verbindungsglied zwischen einem zweiten Bereich auf Abstand von dem ersten Bereich des Ventilelements in dessen Bewegungsrichtung und einem zweiten Gelenk an der ortsfesten Komponente verläuft, wobei die ersten und zweiten Gelenke ebenfalls in Bewegungsrichtung des Ventilelements, wenn es sich zwischen geschlossener und offener Stellung und umgekehrt bewegt, auf Abstand zueinander liegen, so dass eine Parallelogrammaufhängung des Ventilelements an der ortsfesten Komponente gebildet ist. Auf diese Weise wird eine besonders stabile Aufhängung des Ventilelements und eine im Wesentlichen reibungsfreie Aufhängung erreicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen das erste Verbindungsglied und das zweite Verbindungsglied parallel zueinander.
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Auch in der Ausführungsform mit einer Parallelogrammaufhängung des Ventilelements können alle Komponenten in einem Stück gebildet sein, so dass die ortsfeste Komponente, das ersten Verbindungsglied, das zweite Verbindungsglied und das bewegliche Ventilelement einstückig aus Kunststoff hergestellt sind, wobei die ersten und zweiten Gelenke wie auch die Ventilelementgelenke, die das erste und das zweite Verbindungsglied mit dem Ventilelement verbinden, Festkörpergelenke sind, wobei jedes Festkörpergelenk eine Zone reduzierte Materialdicke hat. Daher kann auch die Parallelogrammaufhängung des Ventilelements in kosteneffektiver Weise hergestellt werden, zum Beispiel durch Spritzguss, was ein einstückig hergestelltes Bauteil ergibt, das das bewegliche Ventilelement und seine Aufhängung an einer ortsfesten Komponente umfasst, die in dem Ventilgehäuse zu montieren ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der SMA-Draht in einer solchen Weise geführt, dass er von dem Ventilelement in einem ersten geradlinigen Abschnitt unter einem Winkel in Bezug auf die Längsrichtung des Ventilelements verläuft, der kleiner als 90° ist, zu einer Umlenkeinrichtung und von der Umlenkeinrichtung in einem zweiten Abschnitt in einem Winkel in Bezug auf die Längsrichtung des Ventilelements verläuft, der kleiner als 45° ist, vorzugsweise in einer Richtung parallel zur Längsrichtung des Ventilelements. Der erste Abschnitt des SMA-Drahts, der in einem spitzen Winkel kleiner als 90° verläuft, wird benötigt, um eine Kraftkomponente in der Längsrichtung des Ventilelements zu erzeugen, um seine Bewegung aus der geschlossenen in die offene Stellung zu bewirken. Der SMA-Draht wird dann vorzugsweise umgelenkt zu einem kleineren Winkel in Bezug auf die Längsrichtung des Ventilelements, vorzugsweise in eine parallele Richtung, so dass insgesamt die seitlichen Abmessungen der Anordnung in Richtung in senkrecht zu der Längsrichtung und Bewegungsrichtung des Ventilelements klein gehalten werden kann.
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Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass das Übersetzungsverhältnis von Verkürzungsbewegung des SMA-Drahts zu der Ventilelementbewegung während der Ventilelementbewegung von seiner geschlossenen in die offene Stellung größer wird. Dieses Übersetzungsverhältnis hängt von dem Winkel zwischen dem SMA-Draht und der Bewegungsrichtung des Ventilelements ab, wobei das Übersetzungsverhältnis proportional zu 1/cos(α) ist, wobei α der Winkel zwischen dem SMA-Draht, der an dem Ventilelement zieht, und der Bewegungsrichtung des Ventilelements ist. Wenn der SMA-Draht nur durch einen ersten Abschnitt unter einem Winkel von weniger als 90° verläuft, ist es nur dieser erste Abschnitt, der um den Umlenkungspunkt schwenkt, wenn der Stößel sich aus seiner geschlossenen in die geöffnete Stellung bewegt. Daher verändert sich der Winkel α zwischen dem SMA-Draht und dem Ventilelement über einen größeren Bereich im Vergleich zu dem Fall ohne Umlenkung, da der Schwenkpunkt, um den der erste Abschnitt des SMA-Drahts schwenkt, hier der Punkt der Umlenkeinrichtung ist und nicht der Punkt, an dem das Ende des SMA-Drahtes in Bezug auf die ortsfeste Komponente befestigt ist. Praktisch bedeutet das zum Beispiel, dass der SMA-Draht bei 74° in der geschlossenen Stellung orientiert ist, wobei eine Bewegung von 1 mm zurück zu der offenen Stellung bereits einem Winkel α von 80° entspricht. Berücksichtigt man, dass das Übersetzungsverhältnis proportional zu 1/cos(α) ist, führt dies zu einer signifikanten Veränderung des Übersetzungsverhältnisses am Ende der Bewegung des Ventilelements von der geschlossenen in die offene Stellung. Dieses ansteigende Übersetzungsverhältnis am Ende der Bewegung des Ventilelements in die offene Stellung ist vorteilhaft, da die Verkürzungsrate oder Verkürzungsgeschwindigkeit des SMA-Drahts am Ende des Übergangsprozesses rapide abnimmt. Mit ansteigendem Übersetzungsverhältnis wird die abnehmende Verkürzungsrate des SMA-Drahts kompensiert, so dass eine eher gleichmäßige Bewegung des Ventilelements von der geschlossenen in die offene Stellung erreicht wird.
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Die Umlenkeinrichtung kann vorzugsweise durch einen Vorsprung an der ortsfesten Komponente gebildet werden, um den der SMA-Draht herum geführt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der SMA-Draht so geführt, dass er von einem ersten Fixierungspunkt, wo er in Bezug auf die ortsfeste Komponente fixiert ist, entlang des zweiten Abschnitts zu der Umlenkeinrichtung verläuft, entlang des ersten Abschnitts zu dem Ventilelement, wo er in einer Nut um das Ventilelement herum zu dessen gegenüberliegenden Seite geführt ist, wo der SMA-Draht in symmetrischer Weise entlang eines gegenüberliegenden ersten Abschnitts zu einer gegenüberliegenden Umlenkeinrichtung und von dort entlang eines gegenüberliegenden zweiten Abschnitts zu einem gegenüberliegenden Fixierungspunkt in Bezug auf die ortsfeste Komponente verläuft. Die Fixierung des SMA-Drahts in Bezug auf die ortsfeste Komponente kann auch in der Weise realisiert sein, dass das Ende des SMA-Drahts an einer Montageplatte fixiert ist, mit der die ortsfeste Komponente verbunden ist.
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Auf diese Weise wird eine kompakte Anordnung von Ventilelement, Aufhängung und dem betätigenden SMA-Draht zusammen mit der ortsfesten Komponente als ein kompakter Baublock erreicht.
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Die Erfindung wird im Folgenden im Detail in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen in den Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 schematische Ansichten der Ventilelementaufhängung zeigt, um den Übergang aus der geschlossenen in die offene Stellung zu illustrieren,
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2 schematische Ansichten entsprechend 1 zeigt, aber mit einer bevorzugten Anordnung des SMA-Drahts,
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3 schematische Ansichten einer alternativen Ausführungsform einer Ventilelementaufhängung zeigt,
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4 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform zeigt, in der die Verbindungsglieder, Gelenke und der Ventilkörper integral in einem Stück gebildet sind, und
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5 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung zeigt, in der sich eine wie in 3 gezeigte Komponente in einer Zwillingsanordnung auf einer Leiterplatte befindet.
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1 zeigt schematische Ansichten einer Ventilelementaufhängung. Ein SMA-Ventil umfasst ein Gehäuse (nicht gezeigt), in dem sich eine Druckkammer befindet. Das Gehäuse weist einen Ventilanschluss 2 auf, der mit Druckluft versorgt wird. Auf der linken Seite ist das Ventilelement 4 mit seinem Dichtungsende 6 in Anlage an einem Ventilsitz gezeigt, der an dem inneren Ende des Ventilanschlusses 2 gebildet ist, so dass das Ventil geschlossen ist.
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Auf der rechten Seite ist das Ventilelement 4 in seiner zurückgezogenen Stellung gezeigt, in der das Dichtungsende 6 aus dem Ventilsitz an dem Ventilanschluss 2 heraus gehoben ist, so dass das Ventil in seinem offenen Zustand ist und Druckluft durch den Ventilanschluss 2 in die Druckkammer des Ventils eintreten kann. Von dort fließt die Druckluft zu einem Auslassanschluss (nicht gezeigt) des Ventils.
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Das Ventilelement 4 in Form eines Stößels ist an einer ortsfesten Komponente 8 aufgehängt, die in dem Gehäuse des Ventils montiert ist. Zwei parallele Verbindungsglieder 10, 10‘ verbinden das Ventilelement 4 mit der ortsfesten Komponente 8. Die Verbindungen der Verbindungsglieder 10, 10‘ mit der ortsfesten Komponente 8 sind mit Gelenken 12, 12‘ versehen. Auch die Verbindungen der Verbindungsglieder 10, 10‘ mit dem Ventilelement 4 sind mit Gelenken 14, 14‘ versehen.
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Wie aus 1 ersichtlich bilden die Verbindungsglieder 10, 10‘ eine Parallelogrammaufhängung für das Ventilelement 4. In der geschlossenen Stellung des Ventilelements 4 auf der linken Seite verlaufen die Verbindungsglieder 10, 10‘ senkrecht zur Längsachse und zur Bewegungsrichtung des Ventilelements 4. Da die Verbindungsglieder 10, 10‘ nur über einen kleinen Winkelbereich von der geschlossenen Stellung wie links gezeigt zu der offenen Stellung wie rechts in 1 gezeigt schwenken, ist die Bewegung des Ventilelements 4 in guter Näherung linear, da die Verbindungsglieder 10, 10‘ in der geöffneten Stellung des Ventilelements immer noch nahe an der senkrechten Orientierung zur Längsachse des Ventilelements 4 sind. Daher ist die Ventilelementbewegung in guter Näherung eine lineare, vertikal nach unten gerichtete Bewegung.
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Diese Bewegung wird bewirkt, wenn der SMA-Draht sich bei Erreichen seiner Schwellentemperatur nach Zufuhr von aktivierender elektrischer Energie verkürzt. Diese Bewegung nach unten wird bewirkt, weil der SMA-Draht so angeordnet ist, dass er unter einem Winkel von weniger als 90° zur vertikalen Richtung zu dem Ventilelement 4 verläuft, so dass eine Zugkraft entlang des SMA-Drahts auch von einer nach unten gerichteten Kraftkomponente auf das Ventilelement 4 begleitet wird.
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2 zeigt ähnliche schematische Ansichten wie in 1, außer dass der SMA-Draht in einer anderen Weise verlaufend angeordnet ist. Mit einem seiner Enden greift der SMA-Draht 1 an dem Ventilelement 4 an. Von dem Ventilelement 4 ist der SMA-Draht so geführt, dass er in einem ersten linearen Abschnitt unter einem Winkel α1 kleiner als 90° zur Längsrichtung des Ventilelements 4 verläuft. Dieser erste lineare Abschnitt des SMA-Drahts 1 verläuft zu einer Umlenkeinrichtung 18, wo der SMA-Draht 1 um die Umlenkeinrichtung 18 herumgeführt ist, um seine Richtung in einen zweiten Abschnitt des SMA-Drahts in eine Richtung zu verändern, die parallel zur Längsrichtung des Ventilelements und zu dessen Bewegungsrichtung ist. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da sie ermöglicht, die seitlichen Abmessungen der Anordnung im Vergleich zu 1 zu reduzieren. Aus dem Vergleich der 1 und 2 kann man den oben beschriebenen Vorteil einer Umlenkung des SMA-Drahts an einer Umlenkeinrichtung 18 erkennen, nämlich dass der Angriffswinkel, unter dem der erste Abschnitt des SMA-Drahts in Bezug auf die Längsrichtung des Ventilelements verläuft, sich bei der Ausführungsform aus 1 nur um einen geringen Betrag verändert, während der Winkelbereich, über den der Angriffswinkel während der Bewegung des Ventilelements aus der geschlossenen in die offene Stellung von α1 bis α2 in Ausführungsform von 2 variiert, größer ist. Wie oben erwähnt ist dieser größere Bereich, über den der Angriffswinkel α sich verändert, vorteilhaft, da das Übersetzungsverhältnis (Verkürzungsdistanz des SMA-Drahts/Bewegungsdistanz des Ventilelements) proportional zu 1/cos(α) ist. Da die Verkürzungsgeschwindigkeit des SMA-Drahts am Ende der Übergangsphase abnimmt, ist es bevorzugt, in dieser Phase ein größeres Übersetzungsverhältnis zu haben, um der Nichtlinearität des Verkürzungsprozesses des SMA-Drahts entgegenzuwirken und um dadurch eine Bewegung des Ventilelements mit einer eher gleichförmigen Geschwindigkeit zu erreichen.
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Die Parallelogrammaufhängung stellt auf der einen Seite eine stabile Aufhängung sicher und ermöglicht auf der anderen Seite eine im Wesentlichen reibungsfreie Bewegung des Ventilkörpers aus der geschlossenen in die geöffnete Stellung.
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3 zeigt eine schematische Ansicht einer vereinfachten Ausführungsform der Ventilelementaufhängung. In diesem Fall ist nur ein Verbindungsglied 10 vorhanden, das durch ein Gelenk 12 mit der ortsfesten Komponente 8 verbunden ist. An dem gegenüberliegenden Ende des Verbindungsglieds ist dieses direkt mit dem Ventilelement 4 (ohne Gelenk) verbunden. Da sich in dieser Verbindung des Ventilelements 4 kein Gelenk vorhanden ist, wird die Schwenkbewegung des Verbindungsglieds 10 von einer Schwenkbewegung des Ventilelements 4 begleitet, so dass dessen Längsrichtung sich in der Ansicht aus 3 leicht verändert.
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In 4 und 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Parallelogrammaufhängung des Ventilelements gezeigt. In dieser Ausführungsform wird eine einstückig gebildete Aktuatorkomponente realisiert, die die ortsfeste Komponente, die mit einer Montageplatte zu verbinden ist, die Verbindungsglieder, die Gelenke und den Ventilkörper in einem einstückig gebildeten Bauteil umfasst. Dieses Bauteil kann zum Beispiel durch Spritzguss hergestellt werden, wobei der Aufbau der Ventilelementaufhängung vollständig spielfrei ist und sehr geringe Toleranzen erreicht werden können.
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Der untere Bereich der in 4 gezeigten Komponente ist die ortsfeste Komponente 8 in der Form eines länglichen Befestigungsstabes, von dem Nasen nach unten abstehen, die dazu dienen in Montagelöcher einzugreifen, um die ortsfeste Komponente 8 auf der Montageplatte zu fixieren, zum Beispiel einer Leiterplatte, die in dem Gehäuse des Ventils montiert wird. Diese ortsfeste Komponente 8 ist durch die zwei Verbindungsglieder 10, 10‘ mit dem Ventilelement 4 verbunden. Das Ventilelement 4 hat einen Vorsprung 5 mit einem Flansch, der zur Anbringung des Dichtungskörpers 6 dient. Das Ventilelement 4 hat ferner eine Nut 3, die später in Verbindung mit 5 erläutert wird.
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Die Verbindungsglieder 10, 10‘ sind durch Gelenke 12, 12‘ mit der ortsfesten Komponente 8 verbunden, die als Biegegelenke oder Festkörpergelenke ausgebildet sind, jedes mit einer Zone reduzierter Materialdicke. Ebenso sind die Ventilelementgelenke 14, 14‘ als Festkörpergelenke ausgebildet, jedes mit einer Zone reduzierter Materialdicke. Die gestrichelten Linien deuten die Positionierung der Parallelogrammaufhängung in dem geschlossenen und geöffneten Zustand des Ventilelements an.
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In der Mitte zwischen dem Ventilelement 4 und der ortsfesten Komponente 8 befinden sich zwei gegenüberliegende zylindrische Vorsprünge, einer, der von dem Ventilelement 4 ausgeht, und einer, der von der ortsfesten Komponente ausgeht. Diese Vorsprünge dienen als Montagemittel, um eine Schraubenfeder mit ihren gegenüberliegenden Enden über den beiden Vorsprüngen anzubringen, so dass die Feder zwischen der ortsfesten Komponente 8 und dem Ventilelement 4 wirkt, um das Ventilelement in seine geschlossene Stellung vorzuspannen.
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In 5 ist eine perspektivische Ansicht der integrierten Aktuatorkomponente in einer Zwillingsanordnung gezeigt. Hier ist eine Feder 22 angebracht an den Vorsprüngen der ortsfesten Komponente 8 und des Ventilelements 4 gezeigt. Ferner ist die Anordnung des SMA-Drahts an dem Aktuator illustriert. Der SMA-Draht 1 ist mit einem seiner Enden an einem Element an der Montageplatte 30 fixiert, die eine Leiterplatte ist. Von dort verläuft der SMA-Draht 8 geradlinig, parallel zur Längsrichtung des Ventilelements 4 zu einer Umlenkeinrichtung 18, die an einer Seitenfläche der ortsfesten Komponente gebildet ist. Diese Umlenkeinrichtung ist ein Vorsprung mit einer Nut, in der der SMA-Draht 1 geführt und umgelenkt wird. Von der Umlenkeinrichtung 18 verläuft der umgelenkte SMA-Draht 8 in einem linearen Abschnitt zu der Nut 5. In dieser Nut 5 ist der SMA-Draht 1 um Ventilelement 4 auf dessen gegenüberliegende Seite herumgeführt, wo ein genau symmetrischer Verlauf sich fortsetzt, d.h. ein gegenüberliegender erster Abschnitt zu einem gegenüberliegenden Umlenkpunkt, ein gegenüberliegender zweiter linearer Abschnitt, parallel zu der Längsachse des Ventilelements bis zu einem gegenüberliegenden Fixierelement, das am Ende der Leiterplatte angebracht ist.
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Auf diese Weise ist ein sehr kompakter Aktuator realisiert. Der SMA-Draht 1 hat zwei Endbereiche, die von der Nut 5 in dem Ventilelement 4 ausgehen und die auf derselben Seite des Ventilelements 4 verlaufen, d.h. der Verlauf des SMA-Drahts bildet kein Dreieck, sondern der zweite Schenkel oder Endbereich des SMA-Drahts verläuft in symmetrischer Weise auf derselben Seite des Ventilelements 4, was reduzierte seitliche Abmessungen des SMA-Ventils ermöglicht. Außerdem ist die Gestaltung des Ventils, was seine Ausdehnung senkrecht zu der Montageplatte betrifft, sehr kompakt, da das Ventilelement mit seiner Längsrichtung parallel zu der Montageplatte liegt und sich in dieser Richtung bewegt, weswegen weniger Raum in der Richtung senkrecht zu der Montageplatte im Vergleich zu Anordnungen, in denen das Ventilelement senkrecht zu der Montageplatte steht, benötigt wird. Ferner ist der Aktuator leicht herzustellen und kann in einem Herstellungsprozess mit wenigen Schritten zusammengesetzt werden, da viele Elemente (Ventilelement, ortsfeste Komponente, Verbindungsglieder, Gelenke) bereits integral in einem Stück gebildet sind. Ferner ist ein spielfreier Betrieb des Aktuators garantiert, und schließlich eine reibungsfreie Bewegung des Ventilelements sichergestellt.
