DE112013007683B4

DE112013007683B4 - SMA-Ventil zur Steuerung der Luftzufuhr zu einer Luftzelle in einem Fahrzeugsitz

Info

Publication number: DE112013007683B4
Application number: DE112013007683.7T
Authority: DE
Inventors: Frank Dankbaar; Anders Grönhage
Original assignee: Kongsberg Automotive AB
Current assignee: Lear Corp
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2033-12-14
Also published as: CN105813887B; US9945490B2; DE112013007683T5; US20160363230A1; WO2015086089A1; CN105813887A

Abstract

SMA-Ventil zur Steuerung der Zufuhr von Druckluft zu einer Luftzelle in einem Fahrzeugsitz mit:einem Ventilgehäuse,einem Ventilelement (4), das in Bezug auf eine Montageplatte (30) in dem Gehäuse beweglich zwischen einer geschlossenen Stellung, in der es in dichtender Anlage an einem Ventilsitz ist, was einen geschlossenen Zustand des Ventils realisiert, und einer offenen Stellung beweglich aufgehängt ist, in der das Ventilelement (4) von dem Ventilsitz weg bewegt ist, was einem offenen Zustand des Ventils entspricht,einem Federelement, das dazu ausgestaltet ist, um eine Vorspannkraft auf das Ventilelement (4) auszuüben, die es in die geschlossene Stellung drückt,einem SMA-Draht (1), der zwischen der Montageplatte (30) und dem Ventilelement (4) verläuft und so ausgestaltet ist, dass Verkürzung des SMA-Drahts (1) bei Überschreiten seiner Schwellentemperatur eine Kraft auf das Ventilelement (4) ausübt, die das Ventilelement (4) aus der geschlossenen Stellung gegen die Vorspannungskraft des Federelements weg zieht,einem Leiter (20), der an dem Ventilelement (4) in Kontakt mit dem SMA-Draht (1) angeordnet ist und so ausgestaltet ist, dass er in Kontakt mit einer leitenden Oberfläche (34) auf der Montageplatte (30) kommt, um einen elektrischen Stromkreis zu schließen, wenn das Ventilelement (4) seine offene Stellung erreicht,einer Steuereinheit, die dazu vorbereitet ist, dem SMA-Draht (1) zum Öffnen des Ventils elektrische Energie zuzuführen und ein Schließen des elektrischen Stromkreises zu detektieren, und die dazu vorbereitet ist, die Zufuhr elektrischer Energie zu dem SMA-Draht zu reduzieren, wenn die Schließung des elektrischen Stromkreises detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dassdie Aufhängung (8, 10, 10', 12, 12', 14, 14') des Ventilelements (4) so ausgestaltet ist, dass das Ventilelement sich zwischen der geschlossenen und der offenen Stellung parallel zu der Montageplatte (30) bewegt, undder Leiter (20) dazu ausgestaltet ist, um entlang eines ersten Abschnitts (22) parallel zu der Längs- und Bewegungsrichtung des Ventilelements (4) zu verlaufen und entlang eines zweiten Abschnitts (24) zu der Montageplatte (30) und in einen darin gebildeten Schlitz (32) hinein zu verlaufen, wobei die leitende Oberfläche (34) in dem Schlitz angeordnet ist, so dass ein freiliegendes Ende des Leiters (20) in Kontakt mit der leitenden Oberfläche (34) in dem Schlitz (32) kommt, wenn das Ventilelement (4) seine offene Stellung erreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein SMA-Ventil zur Steuerung der Luftzufuhr zu einer Luftzelle in einem Fahrzeugsitz, mit: einem Ventilgehäuse, einem Ventilelement, das in Bezug auf eine Montageplatte in dem Gehäuse beweglich zwischen einer geschlossenen Stellung, in der es in dichtender Anlage an einem Ventilsitz ist, was einen geschlossenen Zustand des Ventils realisiert, und einer geöffneten Stellung ist, in der das Ventilelement aus dem Ventilsitz heraus bewegt ist, was einem offenen Zustand des Ventils entspricht, einem Federelement, das dazu ausgestaltet ist, eine Vorspannkraft auf das Ventilelement auszuüben, die es in die geschlossene Stellung drückt, einem SMA-Draht, der zwischen der Montageplatte und dem Ventilelement verläuft und so eingerichtet ist, dass Verkürzung des SMA-Drahts bei Überschreiten seiner Schwellentemperatur eine Kraft auf das Ventilelement ausübt, die das Ventilelement gegen die Vorspannkraft aus der geschlossenen Stellung heraus zieht, einem Leiter, der an dem Ventilelement in Kontakt mit dem SMA-Draht angeordnet und so ausgestaltet ist, dass er in Kontakt mit einer leitenden Oberfläche an der Montageplatte kommt, um einen elektrischen Stromkreis zu schließen, wenn das Ventilelement seine geöffnete Stellung erreicht, einer Steuereinheit, die dazu vorbereitet ist, dem SMA-Draht elektrische Energie zuzuführen, um das Ventil zu öffnen und ein Schließen des elektrischen Stromkreises zu detektieren, und dazu vorbereitet ist, die Zufuhr elektrischer Energie zu dem SMA-Draht zu reduzieren, wenn Schließung des elektrischen Stromkreises detektiert wird.
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 auf pneumatischem Betrieb basieren. 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.
In einem Massagesystem für einen Fahrzeugsitz ist stromaufwärts vor jeder Zelle ein steuerbares Ventil vorhanden, um es zu ermöglichen, das Aufblasen und Entlüften jeder Zelle individuell zu steuern, und sind weitere Ventile zur Steuerung der Entlüftung vorhanden. Da die Anzahl der Luftzellen in einem Massagesystem beträchtlich ist, z.B. 24 Luftzellen für einen Fahrzeugsitz, ist die Anzahl von Ventilen entsprechend groß. In ähnlicher Weise sind in Fahrzeugsitzen mit einstellbaren Lordosenstützen und -kissen Ventile vorhanden, um Luftzellen zum Aufblasen zu öffnen und die Zellen in dem gewünschten Aufblaszustand zu schließen.
Solenoidventile sind technisch gut geeignet, um als steuerbare Ventile in Massagesystemen und in Lordosenstützen- und - kissensystemen für Fahrzeugsitze eingesetzt zu werden, aber solche Ventile sind relativ teuer, physisch groß und schwer, und daher für Anwendung wie in Fahrzeugsitzen, wo Ventile in großer Anzahl z.B. in Massagesystemen eingesetzt werden, nicht bevorzugt.
Ein anderer Typ eines steuerbaren Ventils ist das sogenannte SMA-Ventil, wobei SMA für „Shape Memory Alloy“ (Formgedächtnislegierung) steht. Ein SMA-Ventil umfasst ein Gehäuse, einen Stößel als Ventilelement, 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 bleibt. In diesem Fall weist der Aktuator einen aus einer Formgedächtnislegierung hergestellten Metalldraht auf. Ein Formgedächtnislegierungsmaterial wechselt bei einer Schwellentemperatur seine mikroskopische Struktur, so dass sich ein SMA-Draht bei Überschreiten der Schwellentemperatur verkürzt. Genauer gesagt befindet sich ein Formgedächtnislegierungsmaterial bei Raumtemperatur in dem Zustand eines Metalls mit martensitischen Eigenschaften, 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 dazu eingesetzt wird, um die Kraft aufzubringen, 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 elektrischer Strom zugeführt wird, um ihn auf die Schwellentemperatur aufzuheizen und für den gewünschten Aktivierungszyklus auf einer solchen Temperatur zu halten, wonach die Zufuhr elektrischer Energie zu dem Draht beendet wird, um den SMA-Draht unter seine Schwellentemperatur abkühlen zu lassen.
SMA-Ventile haben für Anwendungen wie in Massagesystemen und Lordosenstützen und -kissen in Fahrzeugsitzen einige Vorteile, da sie mit niedrigem Gewicht konstruiert werden können, das Ventil in Betrieb fast vollständig geräuschlos ist und zu relativ niedrigen Kosten bereitgestellt werden können.
Ein SMA-Ventil ist beispielsweise in DE 10 2005 060 217 A1 beschrieben. 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 Öffnungen in einer Abschirmwand vorsteht, wobei seine Längs- und Bewegungsrichtung senkrecht zu der Montageplatte steht. Ein SMA-Draht ist mit seinen zwei gegenüberliegenden Enden an auf Abstand zueinander liegenden Punkten an der Montageplatte fixiert und ist in seinen mittleren Bereich an dem Stößel in einer Höhe fixiert, die gegenüber der Montageplatte erhöht ist, so dass der SMA-Draht die Form eines gleichschenkligen Dreiecks hat, wobei die SMA-Drahtbereiche, die sich von dem mittleren Bereich in gegenüberliegende Richtung erstrecken, die Schenkel gleicher Länge bilden und die Montageplatte die gegenüberliegende Seite des Dreiecks bildet. Wenn der SMA-Draht durch Zufuhr von elektrischer Energie aufgeheizt wird, damit er die Schwellentemperatur überschreitet, verkürzt sich der SMA-Draht, was in einer Verkürzung der beiden Schenkel des Dreiecks resultiert, was wiederum den Scheitelpunkt, wo der SMA-Draht mit dem Stößel verbunden ist, näher an die Montageplatte heran bewegt, wodurch der Stößel auf die Montageplatte zu in den offenen Zustand des Ventils bewegt wird. Der Durchmesser des SMA-Drahts ist üblicherweise sehr klein, typischerweise kleiner als 0,1 mm. Aus diesem Grund muss darauf geachtet werden, dass der Draht nicht überhitzt und durch Schmelzen zerstört wird. In einer ersten Phase der Zufuhr elektrischer Energie ist die Amplitude der Zufuhr relativ hoch, um schnell die Schwellentemperatur zu erreichen, wonach die Amplitude der elektrischen Energiezufuhr reduziert wird, um ein Überhitzen des Drahts zu vermeiden. Zu diesem Zweck ist ein Endschalter vorhanden, der von dem Stößel ausgelöst wird, wenn der Stößel die offene Stellung erreicht, und ist die Steuereinheit dazu vorbereitet, die Zufuhr elektrischer Energie nach Auslösung des Endschalters zu reduzieren. Der Endschalter ist unter der Montageplatte angeordnet, so dass das untere Ende des Stößels den Endschalter auslöst, wenn der Stößel die offene Stellung erreicht. Der Verlauf des SMA-Drahts, der zusammen mit der Montageplatte ein gleichschenkliges Dreieck bildet, führt zu relativ großen seitlichen Abmessungen des Ventils, da der Winkel zwischen den Schenkeln in der gezeigten Ausführungsform vorzugsweise 145° ist, so dass der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Endpunkten des Drahts, wo er an der Montageplatte fixiert ist, relativ groß ist.
Der oben beschriebene SMA-Ventilaufbau ist weiterhin in der Richtung senkrecht zu der Montageplatte Platz beanspruchend, weil der Stößel mit seiner Längsachse senkrecht zu der Montageplatte steht und sich in dieser Richtung bewegt.
Der Oberbegriff von Patentanspruch 1 basiert auf dem oben mit Bezug auf DE 10 2005 060 217 A1 beschriebenen SMA-Ventil, außer, dass ein anderer Endschalter vorhanden ist. In diesem Fall ist der Stößel ein Kunststoffteil mit einer goldbeschichteten Oberfläche, die einen Leiter entlang des Stößels bildet. Der SMA-Draht ist in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Stößels, und wenn der Stößel seine geöffnete Endstellung erreicht, kommt eine untere Endfläche des goldbeschichteten Stößels in Kontakt mit einer leitenden Oberfläche auf der Montageplatte, um einen elektrischen Stromkreis zu schließen. Die Schließung des Stromkreises wird durch die Steuereinheit detektiert, die in Reaktion darauf die Zufuhr elektrischer Energie zu dem SMA-Draht senkt.
DE 102 57 549 B3 beschreibt ein SMA-Ventil mit einem stiftförmigen Ventilelement, das an einem Ende einen Dichtungsstopfen trägt. Das Ventilelement ist in Führungen in Richtung seiner Längsrichtung axial verschiebbar gelagert, so dass durch dessen axiale Verschiebung der Dichtungsstopfen in einen Ventilsitz gedrückt oder daraus entfernt werden kann. Die Längs- und Bewegungsrichtung des Ventilelements verläuft parallel zu einer Bodenwand eines Gehäuses des SMA-Ventils. Das aus SMA-Drahtelementen zusammengesetzte Stellelement verläuft parallel zum Ventilelement und ist an einem Ende über einen Umlenkhebel mit dem Ventilelement verbunden, so dass bei Verkürzung des Stellelements, das mit seinem gegenüberliegenden Ende mit einer Rückwand des Gehäuses verbunden ist, das Ventilelement mit dem sich verkürzenden Stellelement axial bewegt wird, um so den Dichtungsstopfen aus dem Ventilsitz zu entfernen. Eine Kompressionsfeder drückt das Ventilelement, wenn das Stellelement nicht aktiviert ist, in den Ventilsitz. Ein Positionsaufnehmer umfasst einen Mitnehmerzapfen, der fest mit dem Stellelement verbunden ist, sowie zwei Widerstandsbahnen, die fest im Gehäuse installiert sind und sowohl parallel zueinander als auch parallel zur Richtung der Verkürzung des Stellelements verlaufen. Am Mitnehmerzapfen ist ein Kurzschlussbügel angebracht, der gleitend auf den Widerstandsbahnen aufliegt und diese an der Position des Mitnehmerzapfens elektrisch leitend miteinander verbindet. In einer Messeinrichtung kann so ein Ohmscher Widerstand gemessen werden, der sich aus der Summe der Teilwiderstände der Abschnitte der Leiterbahnen zwischen ihren Anschlüssen und der momentanen Position des Mitnehmerzapfens ergibt. Auf diese Weise kann die momentane Position des Stellelements und damit auch des von ihm axial verschobenen Ventilelements abgeleitet werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kompaktes SMA-Ventil mit einer verlässlichen Endschalterfunktion bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das SMA-Ventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
Erfindungsgemäß ist das Ventilelement so aufgehängt, dass es sich zwischen den geschlossenen und geöffneten Stellungen parallel zu der Montageplatte bewegt. Der Leiter ist so ausgestaltet, dass er entlang eines ersten Abschnitts parallel zu der Längs- und Bewegungsrichtung des Ventilelements verläuft und entlang eines zweiten Abschnitts zu der Montageplatte hin und in einen darin gebildeten Schlitz verläuft, wobei die leitende Oberfläche in dem Schlitz angeordnet ist, so dass ein freiliegendes Ende des Leiters in Kontakt mit der leitenden Oberfläche in dem Schlitz kommt, wenn das Ventilelement seine geöffnete Stellung erreicht.
Auf diese Weise kann ein sehr kompakter Aufbau erreicht werden, da das Ventilelement sich mit seiner Längsrichtung nicht senkrecht zu der Montageplatte erstreckt, sondern mit seiner Längsachse und seiner Bewegungsrichtung parallel zu der Montageplatte angeordnet ist. Um bei dieser Konfiguration eine sichere Endschalterfunktion zu erreichen, verläuft der Leiter entlang eines ersten Abschnitts entlang des Ventilelements und parallel zu seiner Längs- und Bewegungsrichtung, und verläuft in einem zweiten Abschnitt unter einem Winkel dazu und zu der Montageplatte hin, so dass er in einem in der Montageplatte gebildeten Schlitz hinein verläuft. Eine Seitenwand des Schlitzes ist mit einer leitenden Oberfläche versehen, die so angeordnet ist, dass der freiliegende Endbereich des Leiters in Kontakt mit der leitenden Oberfläche kommt, um den elektrischen Stromkreis zu schließen, wenn das Ventilelement die geöffnete Stellung erreicht.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventilelement durch eine Parallelogrammaufhängung über der Montageplatte aufgehängt, wobei die Parallelogrammaufhängung zwei parallele Verbindungsglieder aufweist, die das Ventilelement mit einem Montagekörper verbinden, welcher wiederum an der Montageplatte befestigt ist. Die Verbindungsglieder sind in Bewegungsrichtung des Ventilelements auf Abstand zueinander angeordnet. Das erste Verbindungsglied ist mit dem Montagekörper durch ein erstes Gelenk und mit dem Ventilelement durch ein erstes Ventilelementgelenk verbunden; das zweite Verbindungsglied ist mit dem Montagekörper durch ein zweites Gelenk und mit dem Ventilelement durch ein zweites Ventilelementgelenk verbunden. Die Verbindungsglieder sind so angeordnet, dass sie über einen Winkelbereich in Bezug auf die Längsrichtung des Ventilelements und seiner Bewegungsrichtung schwenken, wenn das Ventilelement zwischen seinen geschlossenen und offenen Stellungen bewegt wird, wobei der Winkelbereich einen Winkel von 90° zwischen den Verbindungsgliedern und der Längs- und Bewegungsrichtung des Ventilelements umfasst. Mit anderen Worten entspricht die Bewegung des Ventilelements aus der geschlossenen in die geöffnete Stellung und umgekehrt einer Schwenkbewegung der Verbindungsglieder über einen Winkelbereich um 90° herum. Wenn dieser Winkelbereich um 90° ausreichend klein ist, so stellt diese Anordnung sicher, dass die Bewegung des Ventilelements zwischen der geschlossenen und der geöffneten Stellung und umgekehrt in guter Näherung eine geradlinige Bewegung ist.
Die Bewegung des Ventilelements ist in guter Näherung geradlinig, weil die Verbindungsglieder (wenn Längs- und Bewegungsrichtung des Ventilelements vertikal ist) sich über einen Winkelbereich um ihre horizontale Orientierung bewegen, in der sie senkrecht zu der Bewegungsrichtung und der Längsachse des Ventilelements stehen, so dass die Bewegung des Ventilelements in guter Näherung eine geradlinige vertikale Bewegung ist. Zum Beispiel können die Verbindungsglieder eine Länge von 9 mm haben, die Bewegungsstrecke des Ventilelements aus der geschlossenen in die geöffnete Stellung kann 1 mm betragen. Wenn die Verbindungsglieder senkrecht zu dem Ventilelement in dessen geschlossener Stellung stehen, schwenken sie während der Bewegung des Ventilelements von 1 mm zurück zu der geöffneten Stellung über einen Bereich von etwa 6°. Die Abweichung der Bewegung des Ventilelements von einer geradlinigen Bewegung beträgt in diesem Fall weniger als 0,05 mm (Verschiebung senkrecht zu der Längsrichtung und der Hauptbewegungsrichtungskomponente des Ventilelements), was klein im Vergleich zu der Bewegungsstrecke von 1 mm ist und in guter Näherung vernachlässigt werden kann. Die Hauptbewegungsrichtung wird hierein als die Bewegungsrichtung des Ventilelements bezeichnet.
Ein weiterer Vorteil der Parallelogrammaufhängung besteht darin, dass keine Führungs- oder Lageroberflächen in gleitendem Kontakt zur Aufhängung des Ventilelements benötigt werden, so dass es keinen Reibungswiderstand gegen die Bewegung des Ventilelements gibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Parallelogrammaufhängung und das Ventilelement integral in einem Stück gebildet, d.h. der Montagekörper, das erste Verbindungsglied, das zweite Verbindungsglied, das Ventilelement und die Gelenke sind einstückig aus Kunststoff gebildet. In diesem Fall sind die ersten und zweiten Gelenke wie auch die ersten und zweiten Ventilelementgelenke Festkörper- oder Biegegelenke, von denen jedes eine Zone mit geschwächter Materialdicke hat. Eine solche integrierte Komponente kann in sehr kosteneffektiver Weise hergestellt werden, zum Beispiel durch Spritzguss. Die Produktionskosten sind darüber hinaus niedrig, weil keine Schritte für den Zusammenbau von Komponenten der Aufhängung notwendig sind, da die gesamte Komponente als einzelnes Stück hergestellt ist. Eine solche integrierte Komponente kann mit sehr niedrigen Toleranzen hergestellt werden und zeigt keinerlei Spiel zwischen internen Komponenten.
In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft der SMA-Draht entlang des Ventilelements in einem ersten geradlinigen Abschnitt zu einer Umlenkeinrichtung, und in diesem ersten Abschnitt ist der SMA-Draht in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Ventilelements, wenn es von der geschlossenen in die offene Stellung bewegt wird, unter einem Winkel von weniger als 90° orientiert; eine solche Orientierung ist notwendig, so dass Verkürzung des SMA-Drahts zu einer Kraftkomponente führt, die parallel zu der Bewegungsrichtung des Ventilelements verläuft und es aus der geschlossenen Stellung wegzieht. Von der Umlenkeinrichtung verläuft der SMA-Draht in einem zweiten Abschnitt unter einem Winkel in Bezug auf die Längs- und Bewegungsrichtung des Ventilelements, der kleiner als 45° ist, zum Beispiel parallel zu der Längs- und Bewegungsrichtung des Ventilelements. Diese Anordnung des SMA-Drahts reduziert die seitliche Abmessung senkrecht zu der Längs- und Bewegungsrichtung des Ventilelements.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Umlenkeinrichtung durch einen Vorsprung an dem Montagekörper einschließlich einer Nut, in der der SMA-Draht geführt ist, bereitgestellt werden. Der SMA-Draht kann in der Nut in seiner Längsrichtung gleiten, um ein verkürzendes SMA-Drahts zu ermöglichen, und umgekehrt seine Ausdehnung zu ermöglichen, sobald seine Temperatur unter die Schwellentemperatur absinkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Leiter ein längliches Metallelement, das in das Ventilelement eingegossen ist, wobei zwei freiliegende Gebiete des Leiters vorhanden sind, wobei das erste freiliegende Gebiet sich in einer Nut befindet, die um das Ventilelement herum an seiner von der Montageplatte weg weisenden Seite gebildet ist, wobei der SMA-Draht durch die Nut in Kontakt mit dem ersten freiliegenden Gebiet des Leiters verläuft, wobei das zweite freiliegende Gebiet des Leiters durch einen überstehenden Endbereich des Metallelements gebildet ist, der zu Montageplatte hin abgewinkelt ist und in einen Schlitz darin hinein verläuft.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventilelement mit einer abgewinkelten seitlichen Verlängerung versehen, die zu der Montageplatte verläuft und den Leiter entlang seines zweiten Abschnitts zu der Montageplatte umschließt. Durch eine solche Verlängerung ist der Leiter geschützt und isoliert, außer an den beiden freiliegenden Gebieten, und der Leiter ist daher gegen unbeabsichtigte oder zufällige Kontakte mit anderen Leiterelementen geschützt. Die seitliche Verlängerung des Ventilelements kann in einem Stück mit dem Ventilelement und den übrigen Komponenten seiner Aufhängung gebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft der SMA-Draht von einem ersten Fixierungspunkt, wo er in Bezug auf die Montageplatte fixiert ist, entlang des zweiten Abschnitts zu der Umlenkeinrichtung, weiter entlang des ersten Abschnitts zu dem Ventilelement, wo er in der Nut um das Ventilelement zu dessen gegenüberliegender 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 verläuft, wo der Draht in Bezug auf die Montageplatte fixiert ist. Diese Anordnung erlaubt eine sehr kompakte Konstruktion, wobei nur sehr wenig Raum für den SMA-Draht in Richtung senkrecht zu der Längs- und Bewegungsrichtung des Ventilelements benötigt wird, da beide SMA-Drahtabschnitte nur auf einer Seite des Ventilelements verlaufen und da der SMA-Draht auf jeder Seite nach einem ersten Abschnitt in eine Richtung umgelenkt ist, die näher an der Längs- und Bewegungsrichtung des Ventilelements liegt.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine perspektivische, aufgeschnittene Ansicht eines Ventilelements mit seiner Aufhängung zeigt, wobei eine Tandemanordnung von zwei solchen Ventilelementen an einer Montageplatte gezeigt ist,
2 und 3 Detailansichten des Ventilelements und eines Teils der Montageplatte einschließlich des Schlitzes zeigen, wobei das Ventilelement aufgeschnitten gezeigt ist, um den Verlauf des Leiters darin zu illustrieren,
4 eine perspektivische Ansicht dieser Ausführungsform zeigt.

Das SMA-Ventil umfasst ein Gehäuse (nicht gezeigt), in dem eine Druckkammer untergebracht ist. Das Gehäuse weist einen Ventilanschluss (nicht gezeigt) auf, der mit Druckluft versorgt wird. Das Ventilelement 4 ist, wenn es sich in seiner geschlossenen Stellung befindet, in Dichtungskontakt mit seinem Dichtungsendbereich 6 in Anlage an den Ventilsitz, der an dem inneren Ende des Ventilanschlusses gebildet ist, so dass das Ventil geschlossen ist und keine Druckluft in die Druckkammer eintritt. Die Druckkammer hat einen Ausgabeanschluss, durch den Druckluft weitergeleitet wird, wenn sich das Ventilelement in seiner geöffneten befindet, in der der Dichtungsendbereich 6 aus dem Ventilsitz an dem inneren Ende des Einlassanschlusses abgehoben ist.
In 1 ist das vordere Ventilelement 4 in der Mitte aufgeschnitten gezeigt. Das Ventilelement 4 in Form eines Stößels ist an einer Montageplatte 30 durch eine Parallelogrammaufhängung aufgehängt, wobei die Montageplatte wiederum in dem Ventilgehäuse zu fixieren ist. Die Aufhängung umfasst einen Montagekörper 8, der an der Montageplatte 30 befestigt ist. Die Montageplatte kann die Form einer gedruckten Schaltungsplatte haben. Der Montagekörper 8 kann durch davon ausgehende Stifte fixiert sein, die in komplementäre Löcher in der Montageplatte 30 eingeführt und darin fixiert sind.
Zwei parallele Verbindungsglieder 10, 10' verbinden das Ventilelement 4 mit dem Montagekörper 8 und bilden zusammen mit den weiteren in diesem Absatz beschriebenen Komponenten eine Aufhängung des Ventilelements, und zwar in Form einer Parallelogrammaufhängung. Die Verbindungen der Verbindungsglieder 10, 10' mit dem Montagekörper 8 sind mit Gelenken 12, 12' versehen. Auch die Verbindungen der Verbindungsglieder 10, 10' mit dem Ventilelement 4 sind mit Gelenken 14, 14' versehen. In dieser Ausführungsform sind das Ventilelement und seine Aufhängung integral in einem Stück aus Kunststoffmaterial gebildet, wobei die Gelenke 12, 12', 14, 14' als Festkörpergelenke oder Biegegelenke ausgebildet sind, von denen jedes eine Zone geschwächter Materialdicke umfasst.
Die in 1, 2 und 4 gezeigte Stellung des Ventilelements entspricht der geschlossenen Stellung des Ventilelements. In dieser Ausführungsform sind die Verbindungsglieder 10, 10' senkrecht zu der Längsrichtung und Bewegungsrichtung des Ventilelements 4 orientiert, wenn sich das Ventilelement in seiner geschlossenen Stellung befindet. Die Länge der Verbindungsglieder beträgt in dieser Ausführungsform 9 mm; wenn der Stößel sich aus seiner geschlossene in die offene Stellung um 1 mm in Längsrichtung bewegt, schwenken die Verbindungsglieder 10, 10' um etwa 6°. Diese Schwenkbewegung in einem Winkelbereich von etwa 6° in Bezug auf die senkrechte Orientierung ist hinreichend klein, so dass die Bewegung des Ventilelements 4 in guter Näherung als eine lineare Bewegung angesehen werden kann.
Innerhalb des Ventilelements verläuft ein Leiter 20. Der Leiter 20 verläuft von einem vorderen Bereich des Ventilelements 4 nahe seinem Dichtungsendbereich 6 entlang eines ersten Abschnitts 22 in Längsrichtung des Ventilelements 4 und verläuft dann über einen abgewinkelten zweiten Abschnitt 24 zu der Montageplatte 30 hin. Das Ventilelement 4 umfasst eine seitliche Verlängerung 4', die den zweiten Abschnitt 24 des Leiters 20 entlang eines Großteils seiner Ausdehnung zu der Montageplatte hin umschließt, wobei nur der Endbereich des zweiten Abschnitts 24 des Leiters 20 freiliegt.
Dieser freiliegende Endbereich des Leiters 20 reicht in einen Schlitz 32 hinein, der in der Montageplatte 30 gebildet ist und der genauer in den Detailansichten von 2 und 3 gezeigt ist.
Der Schlitz ist so ausgebildet, dass der freiliegende Endbereich des Leiters 20 sich auf Abstand zu allen Seitenwandbereichen des Schlitzes befindet, wenn das Ventilelement 4 sich in seiner geschlossenen Stellung befindet. Wenn das Ventilelement 4 durch Verkürzung des SMA-Drahts 1 in seine offene Stellung gebracht wird, führt der freiliegende Endbereich des Leiters 20 eine entsprechende Bewegung in dem Schlitz 32 in Rückwärtsrichtung aus. Der Schlitz 32 ist so angeordnet und so ausgestaltet, dass der freiliegende Endbereich des Leiters 20 in Kontakt mit der leitenden Oberfläche an der am hinteren Ende gelegenen Endwand 34 des Schlitzes kommt. Die Steuereinheit des SMA-Ventils, die einen Mikroprozessor enthalten kann, ist dazu vorbereitet, das Schließen des Stromkreises, das durch den Kontakt zwischen dem Leiter 20 und der leitenden Oberfläche an der Endwand 34 des Schlitzes bewirkt wird, zu detektieren.
Um sicherzustellen, dass ein solcher Kontakt hergestellt wird, wenn das Ventilelement 4 seine offene Stellung erreicht, können der Schlitz 32 und die leitende Endwand 34 so angeordnet und ausgestaltet sein, dass der freiliegende Endbereich des Leiters in Anlagekontakt mit einer gewissen Andruckkraft auf die leitendende Oberfläche der Endwand 34 des Schlitzes kommt. In einer solchen Anordnung ist es tatsächlich der Leiter 20, der die Rückbewegung des Ventilelements 4 beendet, und die leitende Endwand des Schlitzes wirkt als eine Stopperfläche. In einer solchen Anordnung ist sichergestellt, dass der freiliegende Endbereich des Leiters 20 in jedem Fall in Kontakt mit der leitenden Oberfläche an der Endwand 34 des Schlitzes kommt, auch wenn es irgendwelche Produktionstoleranzen in der relativen Positionierung zwischen dem Schlitz 32 in der Montageplatte 30 und den übrigen Komponenten des Ventilelements 4 und seiner Aufhängung vorhanden sind.
4 ist eine perspektivische Ansicht einer Tandemventilelementanordnung, die an einer Montageplatte 30 montiert ist. Wie ersichtlich ist eine Druckfeder so angebracht, dass sie zwischen dem Ventilelement 4 und dem Montagekörper 8 wirkt, um das Ventilelement 4 in die geschlossene Stellung zu drücken, die in 4 gezeigt ist. Der SMA-Draht ist mit einem seiner Enden an einer Komponente fixiert, die an der Montageplatte 30 befestigt ist, und verläuft parallel zu der Längs- und Bewegungsrichtung des Ventilelements 4 zu einer Umlenkeinrichtung 18, die durch einen Vorsprung an dem Montagekörper 8 mit einer Nut gebildet ist, in der der SMA-Draht 1 geführt ist und umgelenkt wird, um unter einem Winkel von weniger als 90° zu der Bewegungsrichtung des Ventilelements zu verlaufen; in der dargestellten Ausführungsform beträgt der Winkel des SMA-Drahts 1 in dem ersten Abschnitt etwa 70° zu der Bewegungsrichtung des Ventilelements 4. Der SMA-Draht 1 verläuft weiter durch eine Nut 5, die an der oberen, von der Montageplatte 30 weg weisenden Seite des Ventilelements 4 gebildet ist. In dieser Nut ist ein freiliegender Teil des Leiters 20 zugänglich und der durch die Nut 5 geführte SMA-Draht ist in elektrischem Kontakt mit dem ersten freiliegenden Gebiet des Leiters 20. Der SMA-Draht verläuft weiter in symmetrischer Weise auf der gegenüberliegenden (nicht sichtbaren) Seite, d.h. unter einem Winkel von weniger als 90° zu der Bewegungsrichtung des Ventilelements 4 zu einer gegenüberliegenden Umlenkeinrichtung und von dort entlang eines zweiten Abschnitts parallel zu der Bewegungsrichtung des Ventilelements 4 zu einem gegenüberliegenden Fixierungspunkt, wo er an einer Komponente fixiert ist, die mit der Montageplatte 30 verbunden ist.

Claims

SMA-Ventil zur Steuerung der Zufuhr von Druckluft zu einer Luftzelle in einem Fahrzeugsitz mit: einem Ventilgehäuse, einem Ventilelement (4), das in Bezug auf eine Montageplatte (30) in dem Gehäuse beweglich zwischen einer geschlossenen Stellung, in der es in dichtender Anlage an einem Ventilsitz ist, was einen geschlossenen Zustand des Ventils realisiert, und einer offenen Stellung beweglich aufgehängt ist, in der das Ventilelement (4) von dem Ventilsitz weg bewegt ist, was einem offenen Zustand des Ventils entspricht, einem Federelement, das dazu ausgestaltet ist, um eine Vorspannkraft auf das Ventilelement (4) auszuüben, die es in die geschlossene Stellung drückt, einem SMA-Draht (1), der zwischen der Montageplatte (30) und dem Ventilelement (4) verläuft und so ausgestaltet ist, dass Verkürzung des SMA-Drahts (1) bei Überschreiten seiner Schwellentemperatur eine Kraft auf das Ventilelement (4) ausübt, die das Ventilelement (4) aus der geschlossenen Stellung gegen die Vorspannungskraft des Federelements weg zieht, einem Leiter (20), der an dem Ventilelement (4) in Kontakt mit dem SMA-Draht (1) angeordnet ist und so ausgestaltet ist, dass er in Kontakt mit einer leitenden Oberfläche (34) auf der Montageplatte (30) kommt, um einen elektrischen Stromkreis zu schließen, wenn das Ventilelement (4) seine offene Stellung erreicht, einer Steuereinheit, die dazu vorbereitet ist, dem SMA-Draht (1) zum Öffnen des Ventils elektrische Energie zuzuführen und ein Schließen des elektrischen Stromkreises zu detektieren, und die dazu vorbereitet ist, die Zufuhr elektrischer Energie zu dem SMA-Draht zu reduzieren, wenn die Schließung des elektrischen Stromkreises detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängung (8, 10, 10', 12, 12', 14, 14') des Ventilelements (4) so ausgestaltet ist, dass das Ventilelement sich zwischen der geschlossenen und der offenen Stellung parallel zu der Montageplatte (30) bewegt, und der Leiter (20) dazu ausgestaltet ist, um entlang eines ersten Abschnitts (22) parallel zu der Längs- und Bewegungsrichtung des Ventilelements (4) zu verlaufen und entlang eines zweiten Abschnitts (24) zu der Montageplatte (30) und in einen darin gebildeten Schlitz (32) hinein zu verlaufen, wobei die leitende Oberfläche (34) in dem Schlitz angeordnet ist, so dass ein freiliegendes Ende des Leiters (20) in Kontakt mit der leitenden Oberfläche (34) in dem Schlitz (32) kommt, wenn das Ventilelement (4) seine offene Stellung erreicht.
SMA-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (4) über der Montageplatte (30) durch eine Parallelogrammaufhängung (8, 10, 10', 12, 12', 14, 14') aufgehängt ist, die einen mit der Montageplatte (30) verbundenen Montagekörper (8), zwei parallele Verbindungsglieder (10, 10'), die zwischen dem Montagekörper (8) und dem Ventilelement (4) in Bewegungsrichtung des Ventilelements auf Abstand zueinander verlaufen, wobei das erste Verbindungsglied (10) mit dem Montagekörper (8) durch ein erstes Gelenk (12) und mit dem Ventilelement (4) durch ein erstes Ventilelementgelenk (14) verbunden ist, wobei das zweite Verbindungsglied (10') mit dem Montagekörper durch ein zweites Gelenk (12') und mit dem Ventilelement (4) durch ein zweites Ventilelementgelenk (14') verbunden ist, wobei die Verbindungsglieder (10, 10') so ausgestaltet sind, dass sie über einen Winkelbereich mit Bezug auf die Längsrichtung des Ventilelements (4) und seine Bewegungsrichtung schwenken, wenn das Ventilelement (4) sich zwischen seinen geschlossenen und offenen Stellungen bewegt, wobei der Winkelbereich einen 90° Winkel zwischen den Verbindungsgliedern (10, 10') und der Längs- und Bewegungsrichtung beinhaltet.
SMA-Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Montagekörper (8), das erste Verbindungsglied (10), das zweite Verbindungsglied (10'), das Ventilelement (4) und die Gelenke (12, 12', 14, 14') einstückig aus Kunststoffmaterial gebildet sind und dass die ersten und zweiten Gelenke (12, 12') wie auch die ersten und zweiten Ventilelementgelenke (14, 14') Festkörpergelenke sind, die jeweils eine Zone reduzierter Materialdicke haben.
SMA-Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SMA-Draht (1) entlang des Ventilelements (4) in einem ersten geradlinigen Abschnitt zu einer Umlenkeinrichtung (18) unter einem Winkel zu der Längs- und Bewegungsrichtung des Ventilelements (4), wenn es sich von der geschlossenen in die offene Stellung bewegt, verläuft, wobei der Winkel kleiner als 90° ist, und von der Umlenkeinrichtung (18) in einem zweiten Abschnitt und einem Winkel in Bezug auf die Längs- und Bewegungsrichtung des Ventilelements (4) verläuft, der kleiner als 45° ist.
SMA-Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (18) durch einen Vorsprung an dem Montagekörper (8) gebildet ist, um den herum der SMA-Draht (1) in einer Nut (5) geführt ist.
SMA-Ventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der SMA-Draht (1) in dem zweiten Abschnitt parallel zu der Längs- und Bewegungsrichtung des Ventilelements (4) verläuft.
SMA-Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (20) ein längliches Metallelement ist, das in das Ventilelement (4) eingegossen ist, wobei zwei freiliegende Gebiete des Leiters (20) vorhanden sind, wobei das erste freiliegende Gebiet sich in einer Nut (5) befindet, die an der von der Montageplatte (30) weg weisenden Seite um das Ventilelement (4) herum gebildet ist, wobei der SMA-Draht (1) durch die Nut (5) verläuft, und wobei das zweite freiliegende Gebiet durch einen Endbereich des Metallelements gebildet ist, das zu der Montageplatte (30) hin abgewinkelt ist und in den Schlitz (32) darin hineinreicht.
SMA-Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (4) mit einer abgewinkelten seitlichen Verlängerung (4') ausgebildet ist, die zu der Montageplatte (30) hin verläuft und den Leiter (20) entlang eines Teils seines zweiten Abschnitts (24) einschließt.
SMA-Ventil nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der SMA-Draht (1) von einem ersten Fixierungspunkt, wo er in Bezug auf die Montageplatte (30) fixiert ist, entlang des zweiten Abschnitts zu der Umlenkeinrichtung (18) verläuft, entlang des ersten Abschnitts zu dem Ventilelement (4) verläuft, wo er in der Nut (5) um das Ventilelement (4) herum geführt ist, zu dessen gegenüberliegenden Seite, wo der SMA-Draht (1) in symmetrischer Weise entlang eines gegenüberliegenden ersten Abschnitts zu einer gegenüberliegenden Umlenkeinrichtung und von dort entlang eines gegenüberliegenden zweiten Abschnitts zu einem gegenüberliegenden Fixierungspunkt verläuft, wo er in Bezug auf die Montageplatte (30) fixiert ist.