WO2018114572A1 - Pneumatisches ventil - Google Patents

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WO2018114572A1
WO2018114572A1 PCT/EP2017/082774 EP2017082774W WO2018114572A1 WO 2018114572 A1 WO2018114572 A1 WO 2018114572A1 EP 2017082774 W EP2017082774 W EP 2017082774W WO 2018114572 A1 WO2018114572 A1 WO 2018114572A1
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WO
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sma
actuator
shut
cycle time
end position
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/082774
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Beuschel
Stefan Bauer
Original Assignee
Conti Temic Microelectronic Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Conti Temic Microelectronic Gmbh filed Critical Conti Temic Microelectronic Gmbh
Priority to US16/463,437 priority Critical patent/US11047497B2/en
Priority to CN201780074843.8A priority patent/CN110100125B/zh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/025—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic actuated by thermo-electric means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K37/00—Special means in or on valves or other cut-off apparatus for indicating or recording operation thereof, or for enabling an alarm to be given
    • F16K37/0025—Electrical or magnetic means
    • F16K37/0041—Electrical or magnetic means for measuring valve parameters

Definitions

  • the invention relates to a pneumatic valve.
  • pneumatic valves are used to control air flows. It is known, so-called actuation of such valves.
  • SMA Shape Memory Alloy
  • the SMA elements are deformed by current flow and the resulting heating. After subsequent cooling, they can be restored to their original shape.
  • an end position is predetermined for an SMA actuator, which is achieved when it is actuated by current supply and which should not be exceeded.
  • the object of the invention is to provide a pneumatic valve with an SMA actuator, which reduces the mechanical load of the SMA actuator when it is actuated.
  • the pneumatic valve of the invention comprises an air chamber having an air inlet and an actuator with a ⁇ be moveable shut-off element and having a SMA element (in particular a wire-shaped SMA element) from a Formgedharitnisle ⁇ alloy (eg NiTi alloy).
  • the SMA element is mechanically coupled to the movable shut-off element.
  • an electrical heating power is supplied to the SMA element, the SMA element wo-up in manner known per se deforms and thereby a predetermined movement of the shut-off element for opening or closing the air connections circuit is effected.
  • the actuator of the valve according to the invention comprises a detection unit in order to detect when the actuator is actuated reaching and leaving the end position of the shut-off element.
  • the detection unit may be gegebe ⁇ appropriate, part of the control device.
  • the control device is designed such that the electric heating power is supplied to the SMA member, sets at Be ⁇ actuation of the actuator to a first power value, when the shut-off element is not in the end position according to the detection of the detection unit, and that they upon actuation of the actuator adjusts the electric heating power to a second power value when the shut-off element is in the end position according to the detection of the detection unit.
  • the second power value is lower than the first power value.
  • the control device of the actuator is further such out ⁇ staltet that it detects the current cycle time between an exit and a next end position is reached by the shut-off element or a measure of the current cycle time on actuation of the actuator, and the difference between the first and the second power value decreases if the current cycle time undershoots a first target cycle time, and increases the state between the first and second power values if the current cycle time is a second
  • Target cycle time exceeds.
  • the second setpoint cycle time is greater than or equal to the first setpoint cycle time.
  • the second setpoint cycle time corresponds to the first setpoint cycle time.
  • the above concept of the measure of the current cycle time is to be understood in such a way that, instead of the direct detection of the current cycle time, a quantity can also be detected that is immediate correlated with the current cycle time, such as the ent ⁇ speaking frequency. In order to reduce or increase the difference between the first and the second power value, it is then possible to detect the undershooting or exceeding of the first or second desired cycle time based on the exceeding or falling below of corresponding desired frequencies.
  • Power supply to the SMA element are suitably limited, so that the frequency of micro-switching operations are kept low with actuated actuator and thereby its wear. Furthermore, the switching noises of the actuator can be reduced.
  • the first target cycle time and / or the second target cycle time is between 10 ms and 100 ms, in particular between 20 ms and 50 ms.
  • Such cycle times correspond to switching frequencies which, due to the human hearing curve, are perceived as less loud and thus less disturbing.
  • the reduction and increase of the difference between the first and the second power value can be effected in different ways.
  • this reduction or increase can be achieved via an exclusive change of the first power value or via an exclusive change of the second power value or by changing both the first and the second power value.
  • the reduction and increase in the difference between the the first and second power value continuously in time ie when falling below the first target cycle time or when exceeding the second target cycle time
  • the difference is changed based on a continuous function, such as a linear function, as a function of time.
  • a continuous function such as a linear function
  • the reduction or increase in the difference of the power values can be effected differently.
  • this can be achieved by a variation of the voltage supplied to the SMA element or by a variation of the
  • SMA element supplied current can be achieved.
  • Pulse width modulation can be used for the variation of the voltage or current.
  • the pneumatic valve according to the invention may, in addition to the above-described air connection and the associated actuator, if necessary, also comprise a plurality of such air connections with associated actuators.
  • the pneumatic valve can also contain non-controllable air connections without actuators or air connections based on other actuator principles.
  • an actuator it is also possible that an actuator
  • the valve according to the invention whose actuator is designed such that upon reaching the end position of the shut-off element, the resistance of a portion of the SMA element is electrically bridged by means of a bridging section, wherein resistance here and below is always to be understood as the electrical resistance.
  • the named portion of the SMA element becomes ⁇ joined short circuited by means of the bridging portion substantially.
  • the term of the section of the SMA element is to be understood broadly and, in addition to a subsection of the SMA element, may also include the entire SMA element.
  • the electrical resistance of the SMA element is reduced.
  • the detection unit is set up to detect this reduction in the electrical resistance of the SMA element by means of an electrical resistance measurement and to thereby detect the reaching of the end position of the shut-off element.
  • the detection device is set up to detect the termination of the reduction of the resistance of the SMA element, whereby the leaving of the end position of the shutoff element is detected.
  • direct mechanical and electrical contact is made between the bridging portion and the SMA element at at least one contact point.
  • the actuator is designed such that the Deformation of the SMA element causes a relative movement between the bridging portion and the SMA element, wherein the relative movement on reaching the end position of the shut-off element leads to the electrical bridging of the resistance of the portion of the SMA element.
  • the bridging section can change its position during this relative movement or even retain it.
  • the actuator comprises an electrically conductive element, preferably in the form of a plate (for example a leaf spring) or a web.
  • the electrically conductive element is rigidly connected to the shut-off element or it forms part of the shut-off element, wherein the bridging section is contained in the electrically conductive element.
  • the bridging section moves together with the shut-off element.
  • the shut-off element of the pneumatic valve is a valve flap, which performs a tilting as a predetermined movement for opening or closing the air connection. This tilting can be effected, for example, by a rotation of the valve flap, ie the valve flap is fastened by means of a hinge or a joint.
  • the tilting of the valve flap can be effected by an elastic bend, for example by the valve flap includes a leaf spring.
  • the electrically conductive element described above which is rigidly connected to the shut-off element or is part of this shut-off element, is arranged on a side of the valve flap which points away from the air connection.
  • the SMA element is an SMA wire, which is contracted by supplying the electric heating power and thereby causes the predetermined movement of the shut-off.
  • the SMA wire is in a plane.
  • the SMA wire just described comprises a first and a second wire section, between which a coupling section of the SMA wire is located, wherein the coupling section is mechanically coupled to the shut-off element.
  • the electrically conductive element described above is arranged such that it touches the first wire portion and the second wire portion each at a contact point upon reaching the end position of the shutoff and thereby causes the electrical bridging of Wi ⁇ resistance of the portion of the SMA element.
  • the actuator additionally or alternatively to the electrically conductive element described above comprises an electrically conductive component, which is preferably designed as an electrical line. The electrically conductive component has a fixed position in the valve and in this component, the bridging portion is included. In contrast to the above electrically conductive element, the electrically conductive component thus does not move along with the shut-off element.
  • the electrically conductive member is a pipe whose one end is electrically connected to the SMA element, and the other end comprises a con ⁇ timing location, which on reaching the end position of the Absperrelements comes into contact with the SMA element and thereby causes the electrical bridging of the resistance of the portion of the SMA element.
  • the Ab ⁇ locking element is not in the final position, the contact point is exposed.
  • At least a portion of the line forming the electrically conductive member extends between the first and second wire portions of the above-discussed SMA wire toward the coupling portion of the wire. This allows a compact design of the SMA actuator with low height.
  • the detection unit is designed such that the electrical current measurement of the heating current and the voltage causing the heating current are detected and from this the resistance of the SMA element is calculated.
  • the pneumatic valve according to the invention is preferably for filling and / or emptying at least one elastic
  • Air bubble provided in a device for the pneumatic adjustment of a seat in a means of transport also includes a device for the pneumatic adjustment of a seat in a means of transport with at least one elastic air bubble and a valve according to the invention for filling and / or emptying the at least one air bubble.
  • Fig. 1 and Fig. 2 are side views of a first embodiment of a valve according to the invention in the closed and open position;
  • Fig. 3 is a plan view of the valve of Fig. 1;
  • FIG. 4 and FIG. 5 are schematic diagrams showing the
  • Detection unit for the valve of Figure 1 to Fig. 3 illustrate.
  • Fig. 6 is a diagram showing an embodiment of a control according to the invention for
  • FIG. 7 is a perspective view of a modified variant of a valve flap used in the valve according to the invention.
  • FIGS. 8 and 9 are schematic diagrams showing the
  • Fig. 1 shows in sectional view a first embodiment of a valve according to the invention.
  • the valve comprises an actuator 1, which is arranged in a valve housing 2.
  • the valve housing is shown only schematically by a dashed circumference. Furthermore, the case was for clarity omitted in Fig. 2 and Fig. 3.
  • the valve housing comprises an air connection 3, which is opened and closed by means of the actuator 1, as will be explained in more detail below. In the actuator position shown in FIG. 1, the air connection 3 is closed.
  • a plurality of air connections can be provided, which are each opened or closed by a corresponding actuator 1.
  • an actuator opens several air connections simultaneously or
  • the actuator 1 is positioned in an air chamber 100, which is closed by the housing 2 pressure-tight relative to the valve environment.
  • the actuating mechanism of the actuator is mounted on a base plate 8, which is preferably an integral part of the housing 2.
  • the actuator comprises an SMA wire 4, whose two right-hand ends are each connected via crimp elements 10 to the housing 2 and respective contact pins 9. This can be seen in particular from the plan view of FIG. 3.
  • the precise attachment of the SMA wire 4 over the crimping elements 10 is not essential to the invention. Therefore, this attachment in Fig. 1 to Fig. 3 is indicated only schematically.
  • the SMA wire 4 is made of a per se known shape memory alloy, such as e.g. a NiTi alloy.
  • the contact pins 9 are guided via a pressure-tight passage in the base plate 8 to a (not shown) printed circuit board, which comprises the detection unit described below and a drive unit for the actuator.
  • the base plate 8 separates the air chamber 100 from a lower region of the housing 2.
  • the printed circuit board is then arranged in this lower region, which has the advantage has that it is protected from the air flow and moisture in the air chamber.
  • a heating current is supplied to the SMA wire 4 for actuating the actuator 1, which is generated by a separate voltage source. If the valve is shown at ⁇ game employed for filling or venting an elastic bubble in a device for the pneumatic adjustment of a vehicle seat, the voltage for the heating current, for example, from the electrical system of the motor vehicle may be derived.
  • the SMA wire 4 comprises a first straight section 401 extending from one of the crimping elements 10 to a plastic valve flap 5, and a second straight section 402 parallel to the first Section 401 extends and extends from the Ven ⁇ tilklappe 5 to the other crimping element 10. Between the first straight portion 401 and the second straight portion 402, there is the bent portion 403 which extends around a cylindrical protrusion 502 formed on the valve flap 5.
  • the valve flap 5 comprises a horizontally extending valve plate 501, which sealingly seals the air connection 3 in the position of FIG. 1. If appropriate, a separate sealing element can be provided on the underside of the valve plate 501 in order to ensure a good sealing closure of the air connection 3.
  • valve flap 5 is articulated via a hinge 7 to the base plate 8.
  • a metallic leaf spring 6 is fixed with a slightly upwardly bent end 601. Much of the area of the leaf spring is above the two portions 401 and 402 of the SMA wire 4. In the embodiment shown in FIG Position, the leaf spring 6 is spaced from these sections 401 and 402.
  • the heating current or heating power is supplied to the wire 4 via the contact pins 9, whereby a heating of the wire and consequently a contraction thereof is effected.
  • the contraction has the result that the bent portion 403 of the SMA wire 4 pulls the projection 502 to the right, causing the valve flap 5 to tilt upwards via the hinge 7, so that the air connection 3 is opened.
  • the valve flap 5 is lifted up to a predetermined end position upwards, this end position is indicated in Fig. 2. In the Fig. 6 described below, this end position is illustrated by the reference character EP. In the end position, an electrical contact between the two wire sections 401 and 402 is made via the edge 601 of the leaf spring 6.
  • the edge 601 represents a variant of a bridging section in the sense of the claims.
  • the contact points of the two straight sections 401 and 402 touched by the latter are connected in a low-resistance manner, so that the edge 601 is the section of the SMA wire lying to the left short circuits and thus the resistance of this
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of the closed position of the actuator according to FIG. 1.
  • the detection unit 20 and the control device 30 are shown, which are not shown in FIGS. 1 to 3.
  • the tax- Device 30 interacts with the detection device 20, as indicated by the double arrow DP.
  • a first target cycle time CLl and a second target cycle time CL2 is deposited. The mode of operation of the control device 30 will be described in more detail below.
  • the resistance of the SMA wire is measured.
  • the detection unit is connected via appropriate Kon ⁇ clock filters 11 and 11 'at the wire. 4
  • the contact points correspond to the contacting of the wire by the contact pins 9 of FIG. 1.
  • the resistance of the wire from the contact point 11 'to the contact point 12' of the edge 601 with open air connection with Rl designated.
  • the resistance from the contact point 11 to the contact point of the edge 601 with open air connection is denoted by R2.
  • the resistance of the wire portion located to the left of the edge 601 is indicated by R3.
  • the detection unit 20 shown in FIGS. 4 and 5 includes an ammeter 21 which measures the current I through the SMA wire.
  • the detection unit 20 further includes a switch 25 and a switch 26. With the switch 25, a voltage source 23 is switched on, which supplies the heating current for the deformation of the SMA wire 4. In contrast, a voltage source 24 with a lower voltage than that of the voltage source 23 is switched on with the switch 26.
  • both switches 25 and 26 are opened, so that the switching position shown in Fig. 1 is taken ⁇ .
  • the switch 25 is now closed in order to supply heating current or heating power to the SMA wire 4 so that it contracts and causes the valve flap 5 to lift.
  • the resistance of the SMA wire is detected essentially continuously, ie at very short time intervals, by means of the current and voltage measurement.
  • the control device 30 triggers an actuation of the switches 25 and 26, whereupon the switches 25 and 26 assume the switching position shown in FIG. In other words, the switch 25 is opened and the switch 26 is closed. Accordingly, the SMA wire 4 is connected to the clamping ⁇ voltage source 24, which provides a substantially lower voltage U2 compared to the voltage of the voltage source Ul 23rd Typically, the voltage of the voltage source 24 is about 10% to 50% of the voltage of the voltage source 23.
  • the reduction of the voltage applied to the SMA wire is required to avoid mechanical and thermal damage to the wire due to excessive current.
  • the voltage of the voltage source 24 is chosen to be lower, the greater the section of the wire short-circuited via the edge 601, since a larger short-circuited section causes a higher current through the SMA wire.
  • the operations just described are cyclically repeated as long as the actuator is actuated. Conventionally, they are there the voltages Ul and U2 firmly chosen so that triggered during actuation of the actuator micro switching operations with great Frequently ⁇ stiffness. These micro-switching operations lead to a mechanical load on the contact points and disturbing switching noise of the SMA actuator.
  • the size of the voltage Ul of the voltage source 23 is influenced by the control device 30, as will be described below with reference to FIG. 6.
  • the diagram of FIG. 6 comprises four partial diagrams, the time t being shown along the abscissa of each partial diagram.
  • the uppermost partial diagram represents the voltage U applied to the SMA wire 4, which is detected via the voltmeter 22 of FIG. 4 or FIG. 5.
  • the second partial diagram from above shows the temperature T of the SMA wire.
  • the third sub-diagram from above indicates the stroke x of the shut-off element 5, the end position of the shut-off element being indicated by the vertical line EP. 6 shows the resistance R, which is detected by the detection unit 20 of FIGS. 4 and 5. About the change of the resistance while reaching or leaving the end position EP is detected. In the scenario of FIG.
  • a switching signal for actuating the actuator in the control device 30 is received at the time t 1 to open the air connection 3 of FIG. 1.
  • the switches 25 and 26 are switched by means of the control device 30 in the switching position shown in Fig. 4.
  • the voltage Ul of the voltage source 23 and the corresponding first Leis ⁇ tung value LI are set to a high value.
  • the SMA wire 4 then heats up so that it is contracted until finally the end position EP is reached at time t2. To , 0
  • the wire portions 401 and 402 are low-resistance connected via the edge 601 of the leaf spring 6, resulting in a reduction of the resistance R and thereby the detection of the end position EP.
  • the control device 30 switches the switches 25 and 26 into the switching position shown in FIG. 5, so that the voltage U2 is supplied with a low voltage value and a correspondingly low power value L2.
  • the switching between the two voltages Ul and U2 is repeated.
  • the voltage Ul is applied when the shut-off element is not in the end position EP, and the voltage U2 when it is in the end position EP. Due to the large voltage difference between U1 and U2, this repetition occurs with a high switching frequency or a short cycle time, which is indicated by CL in FIG.
  • the voltages Ul and U2 are not changed, so that frequent micro-switching operations with correspondingly high mechanical Be ⁇ load and disturbing switching noise occur.
  • control device 30 accesses those already mentioned above
  • the first target cycle time CL1 thereby provides a minimum cycle time and hence a maximum frequency of the micro-switching operations.
  • the switching frequency of the micro-switching operations is limited by the first target cycle time, thus reducing the number of Mik ⁇ roschaltvor réelle.
  • the second desired cycle time CL2 represents a maximum cycle time and, in this sense, a minimum switching frequency. This switching frequency should not be undershot, in order thereby to ensure a sufficiently fast response time of the SMA actuator to changing conditions, such as a modified cooling of the SMA wire by air ⁇ flow to ensure.
  • the actuation of the actuator detects the current cycle time of successive microswitches by means of the control device 30.
  • the current cycle time CL is the first
  • Target cycle time CL1 falls below, which leads to disturbing switching noises and high mechanical load. Due to this undershoot, the controller 30 reduces the difference between the voltages Ul and U2 at time t3. In the embodiment described here, the value of the voltage Ul of the voltage source 23 is lowered, whereas the voltage U2 of the voltage source 24 is not changed. As a consequence, the cycle time decreases significantly, making the micro-switching operations less frequent.
  • the frequency of micro-switching operations can be reduced by appropriate target cycle times and an adaptation based on the voltage supplied to the actuator, thereby reducing the mechanical wear of the actuator and disturbing switching noises can be reduced.
  • a sufficiently fast reaction time of the actuator can continue to be ensured.
  • Typical values for a first or second set cycle time are between 20 ms and 50 ms.
  • the switching frequencies can also be detected and used for control in a variant of the drive method.
  • two voltage sources are used to provide the voltages U1 and U2.
  • a single voltage source with controllable supply voltage is used to set the voltage values for U1 and possibly also for U2.
  • a PWM control pulse width modulation
  • PWM pulse width modulation
  • FIG. 7 shows a perspective view of a modified variant of the valve flap shown in FIGS. 1 to 3.
  • the valve flap 5 'of FIG. 7 essentially consists of a leaf spring 13 and a sealing element or sealing path 18.
  • the leaf spring comprises a horizontally extending spring leaf 14, on the underside of which the sealing element 18 is made of soft plastic. This sealing element 18 is in the closed state of the valve flap 5 'on the valve seat of the air connection 3.
  • the leaf spring 13 comprises in addition to the spring leaf 14 two vertically downwardly extending lugs 15, via which the leaf spring on the base plate 8, for example by inserting the flags in recesses of the base plate, is fixed.
  • a semicircular portion 16 and a bent portion 17 is further formed on the leaf spring 13, a semicircular portion 16 and a bent portion 17 is further formed.
  • the bent portion 17 opens into a web or wing 602, which represents an embodiment of an electrically conductive bridging section in the sense of the claims.
  • the web extends transversely to the SMA wire 4, as clearly seen in Fig. 6.
  • the wire 4 is guided around the semicircular portion 16 of the leaf spring 13.
  • the SMA wire is analogously connected as in Fig. 1 to Fig. 3 with contact pins and a corresponding Lei ⁇ terplatte, which is not apparent from Fig. 7.
  • Section 17 and the web 602 are an integral part of the leaf spring 13. They are formed by punching and bending a corresponding metal plate.
  • the SMA wire 4 is again supplied with a heating current, which causes its contraction.
  • the spring blade 14 is elastically deformed by the action of force on the semicircular section 16 so that it rises and thereby seals the sealing element 18 from the airflow. connection 3 is removed.
  • the tilting of the valve flap 5 'thus takes place via elastic deformation of the spring leaf 14 and not via a rotation on a hinge, as is the case in the embodiment of FIGS. 1 to 3.
  • This has the advantage that over the flexibility of the leaf spring a peeling withdrawal movement of the sealing element 18 is achieved by the valve seat. This reduces the opening of the air connection he ⁇ ford variable force in the event of sticking of the sealing element on the valve seat.
  • Fig. 8 and Fig. 9 show a schematic representation of another embodiment of an actuator in the valve according to the invention.
  • the detection unit 20 and the control device 30 of FIGS. 8 and 9 are constructed analogously to FIGS. 4 and 5.
  • the detection unit 20 in turn serves to detect the resistance of the SMA wire 4 via the ammeter 21 and the voltmeter 22.
  • the controller 30 performs the drive shown in FIG. 6 to reduce the frequency of micro-switching operations.
  • valve flap In the embodiment of FIGS. 8 and 9, the same valve flap as in FIGS. 1 to 3 but without the leaf spring 6 can be used as the valve flap.
  • resistor R the resistance of the wire portion 401 plus half of it subsequently ⁇ sequent bent wire portion 403.
  • resistor R2 the resistance of the wire portion 402 plus half of the adjoining bent portion 403.
  • the short circuit of a section of the SMA wire 4 takes place in FIG. 8 and FIG. 9 via an electrical line 603.
  • the electrical line extends from a contact point 11 at the right end of the wire section 402 to the bent section 403 of the SMA wire. Wire 4.
  • a majority of the electrical line 603 runs parallel to the two wire sections 401 and 402.
  • a front contact point 12 of the line 603 is not electrically contacted.
  • the end of the conduit with the contact point 12 can be guided, for example, in a horizontally extending bore in the projection 502 of the valve flap 5 from FIGS. 1 to 3.
  • the bore is in the plane of the SMA wire 4.
  • the supply of heating current via the closing of the switch 25 in turn causes a contraction of the SMA wire 4.
  • the bridging section is fixed in the form of the line 603, whereas in the embodiments of FIGS. 1 to 5 and 7 the bridging section moves together with the valve flap.
  • valve flap 5 'with leaf spring shown in FIG. 7 can also be used instead of the valve flap 5 be omitted, in which case the curved portion 17 and the web 602 are omitted.
  • the web 602 can only be directed to one side toward the other
  • Wire section 401 or 402 extend, so that the SMA wire 4 in the opened state of the valve flap between the voltage applied to the semicircular portion 16 wire portion 403 and the one-sided web 602 adjacent wire portion 401 or 402 is electrically shorted.
  • the SMA wire may be laid in other geometries than in the previous embodiments.
  • the SMA wire may also be V-shaped.
  • a SMA actuator a wire wound into a coil spring and the like can be used as a SMA actuator.
  • the SMA wire has no coating, so that a direct electrical contact is generated by the contact.
  • a non-conductive layer e.g., oxide layer
  • the oxide layer is removed at the locations where the wire is touched by the bridging section.
  • the SMA wire can be coated by the bridging section with a conductive material, which is preferably protected against oxidation.
  • the above drive according to FIG. 6 has always been described with reference to an SMA actuator whose end position is detected by means of a resistance measurement.
  • the invention is not limited to detecting an end position via resistance measurement. Rather, reaching or leaving the end position can be detected in other ways, for example by separate contact switch.
  • the switching frequency of the micro-movements can be further determined such that the switching operations appear less loud due to the human hearing curve and are therefore less disturbing.
  • the invention has been explained with reference to a pneuma ⁇ tables valve. Nevertheless, the invention may possibly also be implemented generally as a fluid valve.
  • the air chamber described above constitutes a fluid chamber and the air port described above is a fluid port.
  • a fluid and in particular a hydraulic oil can be used as the fluid.
  • the valve according to the invention can thus be not only a pneumatic valve, but possibly also a hydraulic valve.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Ventil, umfassend eine Luftkammer (100) mit einem Luftanschluss (3) sowie einen Aktuator (1) mit einem beweglichen Absperrelement (5, 5') und mit einem SMA-Element (4) aus einer Formgedächtnislegierung, welches mechanisch an das bewegliche Absperrelement (5, 5') gekoppelt ist, wobei zur Betätigung des Aktuators (1) dem SMA-Element (4) eine elektrische Heizleistung zuführbar ist, woraufhin sich das SMA-Element (4) verformt und hierdurch eine vorgegebene Bewegung des Absperrelements (5, 5') zum Öffnen oder Schließen des Luftanschlusses (3) bewirkt. Der Aktuator (1) umfasst eine Detektionseinheit (20), um bei Betätigung des Aktuators (1) ein Erreichen und ein Verlassen einer Endposition (EP) des Absperrelements (5, 5') zu detektieren. Ferner umfasst der Aktuator (1) eine Steuereinrichtung (30), welche derart ausgestaltet ist, dass sie bei Betätigung des Aktuators die aktuelle Zykluszeit (CL, CL') zwischen einem Verlassen und dem nächsten Erreichen der Endposition durch das Absperrelement erfasst und den Unterschied zwischen einem ersten und einem zweiten Leistungswert (L1, L2) der dem SMA-Element zugeführten elektrischen Heizleistung verringert, falls die aktuelle Zykluszeit eine erste Soll-Zykluszeit (CL1) unterschreitet, sowie den Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Leistungswert erhöht, falls die aktuelle Zykluszeit eine zweite Soll-Zykluszeit (CL2), welche größer gleich der ersten Soll-Zykluszeit (CL1) ist, überschreitet.

Description

Beschreibung
Pneumatisches Ventil Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Ventil.
In einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten werden zur Steuerung von Luftströmen pneumatische Ventile eingesetzt. Dabei ist es bekannt, zur Betätigung solcher Ventile sog.
SMA-Aktuatoren mit SMA-Elementen aus einer Formgedächtnislegierung, wie z.B. NiTi-Legierung, zu verwenden (SMA = Shape Memory Alloy) . Die SMA-Elemente werden durch Stromfluss und der daraus resultierenden Erwärmung verformt. Nach anschließender Abkühlung können sie wieder in ihre ursprüngliche Form gebracht werden.
Um eine hohe Lebensdauer und eine hohe Anzahl von Betäti¬ gungszyklen zu erreichen, muss der Hub und die wirksame Kraft des SMA-Aktuators zuverlässig begrenzt werden. Dem-zufolge ist für einen SMA-Aktuator in der Regel eine End-position vorgegeben, welche bei dessen Betätigung durch Stromzufuhr erreicht wird und die nicht überschritten werden soll.
Zur Erfassung der Endposition eines SMA-Aktuators werden im Stand der Technik separate elektrische Kontakte eingesetzt, die das Erreichen des maximalen Hubs anzeigen. Als Konsequenz wird in der Regel die dem SMA-Aktuator zugeführte Heizleistung reduziert. Aufgrund der reduzierten Heizleistung wird die Endposition verlassen, woraufhin die Heizleistung wieder heraufgesetzt wird, damit die gewählte Schaltstellung des Ventils beibehalten wird. Es kommt so-mit bei der Betätigung des SMA-Aktuators zu einer Vielzahl von Mikroschaltvorgängen, welche zu einem erhöhten mechanischen Verschleiß und zu störenden Schaltgeräuschen führen . In dem Dokument DE 10 2005 060 217 AI ist ein Ventil mit einem SMA-Aktuator gezeigt, dessen Endposition über einen Endschalter erfasst wird. Durch die Anordnung des Endschalters im druck¬ beaufschlagten Ventilraum kann es aufgrund der dort auftretenden Feuchtigkeit zu Ausfällen des Schalters kommen.
Das Dokument WO 2014/135909 AI offenbart einen Kontakt zur Erkennung der Endlage eines SMA-Aktuators in einem Pneuma¬ tikventil. Der Kontakt ist außerhalb der Ventilkammer angeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein pneumatisches Ventil mit einem SMA-Aktuator zu schaffen, welches die mechanische Belastung des SMA-Aktuators bei dessen Betätigung reduziert.
Diese Aufgabe wird durch das pneumatische Ventil gemäß Pa¬ tentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Das erfindungsgemäße pneumatische Ventil umfasst eine Luftkammer mit einem Luftanschluss sowie einen Aktuator mit einem be¬ weglichen Absperrelement und mit einem SMA-Element (insbesondere einem drahtförmigen SMA-Element) aus einer Formgedächtnisle¬ gierung (z.B. einer NiTi-Legierung) . Das SMA-Element ist me- chanisch an das bewegliche Absperrelement gekoppelt. Zur Be¬ tätigung des Aktuators wird dem SMA-Element eine elektrische Heizleistung zugeführt, wo-rauf sich das SMA-Element in an sich bekannter Weise verformt und hierdurch eine vorgegebene Bewegung des Absperrelements zum Öffnen oder Schließen des Luftan- Schlusses bewirkt wird. Die Verformung des SMA-Elements wird bei Beendigung der Zufuhr der elektrischen Heizleistung rückgängig gemacht, wodurch eine Umkehrung der vorgegebenen Bewegung des SMA-Elements bewirkt wird. Der Aktuator des erfindungsgemäßen Ventils umfasst eine De- tektionseinheit , um bei Betätigung des Aktuators ein Erreichen und ein Verlassen der Endposition des Absperrelements zu de- tektieren. Darüber hinaus ist in dem Aktuator eine Steuer- einrichtung vorgesehen, wobei die Detektionseinheit gegebe¬ nenfalls Bestandteil der Steuereinrichtung sein kann. Die Steuereinrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie bei Be¬ tätigung des Aktuators die elektrische Heizleistung, die dem SMA-Element zugeführt wird, auf einen ersten Leistungswert einstellt, wenn sich gemäß der Detektion der Detektionseinheit das Absperrelement nicht in der Endposition befindet, und dass sie bei Betätigung des Aktuators die elektrische Heizleistung auf einen zweiten Leistungswert einstellt, wenn sich gemäß der Detektion der Detektionseinheit das Absperrelement in der Endposition befindet. Der zweite Leistungswert ist dabei niedriger als der erste Leistungswert.
Die Steuereinrichtung des Aktuators ist ferner derart ausge¬ staltet, dass sie bei Betätigung des Aktuators die aktuelle Zykluszeit zwischen einem Verlassen und einem nächsten Erreichen der Endposition durch das Absperrelement oder ein Maß für die aktuelle Zykluszeit erfasst und den Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungswert verringert, falls die aktuelle Zykluszeit eine erste Soll-Zykluszeit unterschreitet, sowie den Zustand zwischen dem ersten und zweiten Leistungswert erhöht, falls die aktuelle Zykluszeit eine zweite
Soll-Zykluszeit überschreitet. Die zweite Soll-Zykluszeit ist dabei größer gleich der ersten Soll-Zykluszeit. In einer Variante der Erfindung entspricht die zweite Soll-Zykluszeit der ersten Soll-Zykluszeit.
Der obige Begriff des Maßes für die aktuelle Zykluszeit ist derart zu verstehen, dass anstatt der direkten Erfassung der aktuellen Zykluszeit auch eine Größe erfasst werden kann, die unmittelbar mit der aktuellen Zykluszeit korreliert, wie z.B. die ent¬ sprechende Frequenz. Zur Verringerung bzw. Erhöhung des Unterschieds zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungswert kann dann das Unterschreiten bzw. Überschreiten der ersten bzw. zweiten Soll-Zykluszeit basierend auf dem Überschreiten bzw. Unterschreiten entsprechender Soll-Frequenzen detektiert werden .
Das erfindungsgemäße Ventil weist den Vorteil auf, dass die Schaltfrequenzen eines SMA-Aktuators über Steuerung der
Leistungszufuhr zu dem SMA-Element geeignet begrenzt werden, so dass die Häufigkeit der Mikroschaltvorgänge bei betätigtem Aktuator und hierdurch dessen Verschleiß gering gehalten werden. Ferner können die Schaltgeräusche des Aktuators vermindert werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die erste Soll-Zykluszeit und/oder die zweite Soll-Zykluszeit zwischen 10 ms und 100 ms, insbesondere zwischen 20 ms und 50 ms. Derartige Zykluszeiten entsprechen Schaltfrequenzen, welche aufgrund der menschlichen Hörkurve als weniger laut und damit als weniger störend empfunden werden.
Je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils kann die Verringerung und Erhöhung des Unterschieds zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungswert auf unterschiedliche Weise bewirkt werden. Insbesondere kann diese Verminderung bzw. Erhöhung über eine ausschließliche Veränderung des ersten Leistungswerts oder über eine ausschließliche Veränderung des zweiten Leistungswerts oder durch Veränderung sowohl des ersten als auch des zweiten Leistungswerts erreicht werden.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Ventils erfolgt die Verringerung und Erhöhung des Unterschieds zwischen dem ersten und zweiten Leistungswert zeitlich kontinuierlich, d.h. bei Unterschreiten der ersten Soll-Zykluszeit bzw. bei Überschreiten der zweiten Soll-Zykluszeit wird der Unterschied basierend auf einer stetigen Funktion, wie z.B. einer linearen Funktion, in Abhängigkeit von der Zeit verändert. Nichtsdes¬ totrotz ist es erfindungsgemäß auch möglich, den Unterschied zwischen dem ersten Leistungswert und dem zweiten Leistungswert zeitlich diskret, d.h. stufenweise, zu verringern bzw. zu erhöhen .
Erfindungsgemäß kann die Verringerung bzw. Erhöhung des Unterschieds der Leistungswerte unterschiedlich bewirkt werden. Insbesondere kann dies durch eine Variation der dem SMA-Element zugeführten Spannung oder durch eine Variation des dem
SMA-Element zugeführten Stroms erreicht werden. Zur Variation der Spannung bzw. des Stroms kann z.B. Pulsweitenmodulation genutzt werden.
Das erfindungsgemäße pneumatische Ventil kann neben dem oben beschriebenen Luftanschluss und dem zugehörigen Aktuator ggf. auch mehrere solche Luftanschlüsse mit zugehörigen Aktuatoren umfassen. Darüber hinaus kann das pneumatische Ventil auch zusätzlich nicht-steuerbare Luftanschlüsse ohne Aktuatoren bzw. Luftanschlüsse basierend auf anderen Aktuatorprinzipien ent- halten. Ferner ist es auch möglich, dass ein Aktuator
gleichzeitig mehrere Luftanschlüsse betätigt.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Ventils ist dessen Aktuator derart ausgestaltet, dass bei Erreichen der Endposition des Absperrelements der Widerstand eines Abschnitts des SMA-Elements mittels eines Überbrückungsabschnitts elektrisch überbrückt wird, wobei hier und im Folgenden unter Widerstand immer der elektrische Widerstand zu verstehen ist. Mit anderen Worten wird der genannte Abschnitt des SMA-Elements mittels des Überbrückungsabschnitts im Wesentlichen kurzge¬ schlossen. Der Begriff des Abschnitts des SMA-Elements ist dabei weit zu verstehen und kann neben einem Teilabschnitt des SMA-Elements ggf. auch das gesamte SMA-Element umfassen.
Über die soeben beschriebene elektrische Überbrückung wird der elektrische Widerstand des SMA-Elements vermindert. Die De- tektionseinheit ist dabei dazu eingerichtet, mittels einer elektrischen Widerstandsmessung diese Verminderung des elektrischen Widerstands des SMA-Elements zu erfassen und hierdurch das Erreichen der Endposition des Absperrelements zu detektieren. Ferner ist die Detektionseinrichtung dazu eingerichtet, die Beendigung der Verminderung des Widerstands des SMA-Elements zu erfassen, wodurch das Verlassen der Endposition des Absperrelements detektiert wird. Vorzugsweise wird beim Erreichen der Endposition ein direkter mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen dem Überbrückungsabschnitt und dem SMA-Element an zumindest einer Kontaktstelle hergestellt. Die soeben beschriebene Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass auf einfache Weise mittels eines Überbrückungsabschnitts eine Widerstandsänderung des SMA-Elements zur Erfassung einer Endposition des Aktuators erzeugt wird. Es kann somit auf die Verwendung von aufwändigen separaten Endschaltern verzichtet werden. Vielmehr wird durch Wechselwirkung des Überbrückungsabschnitts mit dem SMA-Element eine Endlagenerkennung über die elektrischen Versorgungsanschlüsse des SMA-Elements er¬ möglicht. Somit ist kein zusätzlicher elektrischer Anschluss für die Endlagenerkennung erforderlich, wodurch der zusätzliche Aufwand für seine Kontaktierung und ggf. für eine luftdichte Durchführung desselben vermieden wird.
In einer besonders bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform ist der Aktuator derart ausgestaltet, dass die Verformung des SMA-Elements eine Relativbewegung zwischen dem Überbrückungsabschnitt und dem SMA-Element bewirkt, wobei die Relativbewegung bei Erreichen der Endposition des Absperrelements zu der elektrischen Überbrückung des Widerstands des Abschnitts des SMA-Elements führt. Auf diese Weise erfolgt eine direkte Kopplung der Verformung des SMA-Elements an eine Re¬ lativbewegung zwischen Überbrückungsabschnitt und SMA-Element. Je nach Ausgestaltung kann der Überbrückungsabschnitt bei dieser Relativbewegung seine Position verändern oder auch beibehalten.
In einer weiteren Variante umfasst der Aktuator ein elektrisch leitfähiges Element, vorzugsweise in der Form einer Platte (z.B. einer Blattfeder) oder eines Stegs. Das elektrisch leitfähige Element ist starr mit dem Absperrelement verbunden oder es bildet ein Teil des Absperrelements, wobei der Überbrückungsabschnitt in dem elektrisch leitfähigen Element enthalten ist. Bei dieser Variante der Erfindung bewegt sich der Überbrückungsabschnitt zusammen mit dem Absperrelement. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Absperrelement des pneumatischen Ventils eine Ventilklappe, welche als vorgegebene Bewegung zum Öffnen oder Schließen des Luftanschlusses eine Verkippung ausführt. Diese Verkippung kann z.B. durch eine Drehung der Ventilklappe bewirkt werden, d.h. die Ventilklappe ist über ein Scharnier oder ein Gelenk befestigt. Ebenso kann die Verkippung der Ventilklappe durch eine elastische Biegung bewirkt werden, z.B. indem die Ventilklappe eine Blattfeder beinhaltet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das oben beschriebene elektrisch leitfähige Element, das starr mit dem Absperrelement verbunden ist oder Teil dieses Absperrelements ist, auf einer Seite der Ventilklappe angeordnet, welche von dem Luftanschluss weg weist. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils ist das SMA-Element ein SMA-Draht, der durch Zufuhr der elektrischen Heizleistung kontrahiert wird und hierdurch die vorgegebene Bewegung des Absperrelements bewirkt. Vorzugsweise verläuft der SMA-Draht in einer Ebene. Die Verwendung eines SMA-Drahts als SMA-Element ermöglicht einen kompakten Aufbau des erfindungsgemäßen Ventils.
In einer weiteren Variante umfasst der soeben beschriebene SMA-Draht einen ersten und einen zweiten Drahtabschnitt, zwischen denen ein Kopplungsabschnitt des SMA-Drahts liegt, wobei der Kopplungsabschnitt mechanisch an das Absperrelement gekoppelt ist. Vorzugsweise ist das oben beschriebene elektrisch leitfähige Element derart angeordnet, dass es bei Erreichen der Endposition des Absperrelements den ersten Drahtabschnitt und den zweiten Drahtabschnitt jeweils an einer Kontaktstelle berührt und hierdurch die elektrische Überbrückung des Wi¬ derstands des Abschnitts des SMA-Elements bewirkt. In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Ventils umfasst der Aktuator zusätzlich oder alternativ zu dem oben beschriebenen elektrisch leitfähigen Element ein elektrisch leitfähiges Bauteil, welches vorzugsweise als eine elektrische Leitung ausgestaltet ist. Das elektrisch leitfähige Bauteil hat eine feste Position im Ventil und in diesem Bauteil ist der Über- brückungsabschnitt enthalten. Im Gegensatz zu dem obigen elektrisch leitfähigen Element führt das elektrisch leitfähige Bauteil somit keine Bewegung zusammen mit dem Absperrelement durch .
In einer bevorzugten Variante ist das elektrisch leitfähige Bauteil eine Leitung, deren eines Ende elektrisch mit dem SMA-Element verbunden ist, und deren anderes Ende eine Kon¬ taktstelle umfasst, welche bei Erreichen der Endposition des Absperrelements mit dem SMA-Element in Berührung kommt und hierdurch die elektrische Überbrückung des Widerstands des Abschnitts des SMA-Elements bewirkt. Befindet sich das Ab¬ sperrelement nicht in der Endposition, ist die Kontaktstelle freiliegend. Mit dieser Variante wird lediglich eine einzelne Kontaktstelle benötigt, um bei Erreichen der Endposition eine Widerstandsverminderung zu bewirken.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der soeben be- schriebenen Ausführungsform erstreckt sich zumindest ein Teil der Leitung, die das elektrisch leitfähige Bauteil bildet, zwischen dem ersten und zweiten Drahtabschnitt des oben erläuterten SMA-Drahts in Richtung hin zu dem Kopplungsabschnitt des Drahts . Hierdurch wird ein kompakter Aufbau des SMA-Aktuators mit geringer Höhe ermöglicht.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils ist die Detektionseinheit derart ausgestaltet, dass zur elektrischen Widerstandsmessung der Heizstrom und die den Heizstrom ver- ursachende Spannung erfasst werden und hieraus der Widerstand des SMA-Elements berechnet wird.
Das erfindungsgemäße pneumatische Ventil ist vorzugsweise zum Befüllen und/oder Entleeren zumindest einer elastischen
Luftblase in einer Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes in einem Verkehrsmittel vorgesehen. Mit anderen Worten umfasst die Erfindung auch eine Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes in einem Verkehrsmittel mit zumindest einer elastischen Luftblase sowie einem erfin- dungsgemäßen Ventil zum Befüllen und/oder Entleeren der zumindest einen Luftblase.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 und Fig. 2 Seitenansichten einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils in geschlossener und geöffneter Stellung;
Fig. 3 eine Draufsicht auf das Ventil aus Fig. 1 ;
Fig. 4 und Fig. 5 schematische Darstellungen, welche die
Detektion der Endposition mittels einer
Detektionseinheit für das Ventil aus Fig. 1 bis Fig. 3 verdeutlichen;
Fig. 6 ein Diagramm, das eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ansteuerung zur
Verminderung von Mikroschaltvorgängen wiedergibt ;
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer abgewandelten Variante einer im erfindungsgemäßen Ventil verwendeten Ventilklappe; und
Fig. 8 und Fig. 9 schematische Darstellungen, welche die
Detektion der Endposition mittels einer
Detektionseinheit für eine zweite Aus¬ führungsform eines erfindungsgemäßen Ventils verdeutlichen. Fig. 1 zeigt in Schnittansicht eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils. Das Ventil umfasst einen Aktuator 1, der in einem Ventilgehäuse 2 angeordnet ist. Das Ventilgehäuse ist nur schematisch durch einen gestrichelten Umfang wiedergegeben. Ferner wurde das Gehäuse aus Übersichtlichkeitsgründen in Fig. 2 und Fig. 3 weggelassen. Das Ventilgehäuse umfasst einen Luftanschluss 3, der mittels des Aktuators 1 geöffnet und geschlossen wird, wie im Folgenden näher erläutert wird. In der in Fig. 1 gezeigten Aktuatorstellung ist der Luftanschluss 3 verschlossen. Je nach Ausgestaltung des Ventils können mehrere Luftanschlüsse vorgesehen sein, welche jeweils durch einen entsprechenden Aktuator 1 geöffnet bzw. geschlossen werden. Darüber hinaus besteht ggf. auch die Möglichkeit, dass ein Aktuator mehrere Luftanschlüsse gleichzeitig öffnet bzw.
schließt.
Der Aktuator 1 ist in einer Luftkammer 100 positioniert, welche durch das Gehäuse 2 druckdicht gegenüber der Ventilumgebung abgeschlossen ist. Dabei ist der Betätigungsmechanismus des Aktuators auf einer Grundplatte 8 befestigt, die vorzugsweise integraler Bestandteil des Gehäuses 2 ist. Der Aktuator umfasst einen SMA-Draht 4, dessen beiden rechten Enden jeweils über Crimp-Elemente 10 mit dem Gehäuse 2 sowie jeweiligen Kontaktpins 9 verbunden sind. Dies wird insbesondere aus der Draufsicht der Fig. 3 ersichtlich. Die genaue Befestigung des SMA-Drahts 4 über die Crimp-Elemente 10 ist für die Erfindung nicht wesentlich. Deshalb ist diese Befestigung in Fig. 1 bis Fig. 3 lediglich schematisch angedeutet. Der SMA-Draht 4 besteht aus einer an sich bekannten Formgedächtnislegierung, wie z.B. einer NiTi- Legierung .
Die Kontaktpins 9 werden über eine druckdichte Durchführung in der Grundplatte 8 zu einer (nicht gezeigten) Leiterplatte geführt, welche die weiter unten beschriebene Detektionseinheit sowie eine Ansteuereinheit für den Aktuator umfasst. In einer bevorzugten Variante separiert die Grundplatte 8 die Luftkammer 100 von einem unteren Bereich des Gehäuses 2. In diesem unteren Bereich wird dann die Leiterplatte angeordnet, was den Vorteil hat, dass diese vor dem Luftstrom und vor Feuchtigkeit in der Luftkammer geschützt ist.
Über die Kontaktpins 9 wird dem SMA-Draht 4 zur Betätigung des Aktuators 1 ein Heizstrom zugeführt, der durch eine separate Spannungsquelle erzeugt wird. Wird das gezeigte Ventil bei¬ spielsweise zum Befüllen bzw. Entlüften einer elastischen Luftblase in einer Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Kraftfahrzeugsitzes eingesetzt, kann die Spannung für den Heizstrom z.B. vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs stammen.
Wie sich insbesondere aus Fig. 3 ergibt, umfasst der SMA-Draht 4 einen ersten geraden Abschnitt 401, der sich von einem der Crimp-Elemente 10 hin zu einer Ventilklappe 5 aus Kunststoff erstreckt, sowie einen zweiten geraden Abschnitt 402, der parallel zu dem Abschnitt 401 verläuft und sich von der Ven¬ tilklappe 5 hin zu dem anderen Crimp-Element 10 erstreckt. Zwischen dem ersten geraden Abschnitt 401 und dem zweiten geraden Abschnitt 402 befindet sich der gebogene Abschnitt 403, der um einen zylindrischen Vorsprung 502 verläuft, welcher auf der Ventilklappe 5 ausgebildet ist. Neben diesem zylindrischen Vorsprung 502 umfasst die Ventilklappe 5 eine horizontal verlaufende Ventilplatte 501, welche in der Stellung der Fig. 1 den Luftanschluss 3 dichtend verschließt. Gegebenenfalls kann dabei auf der Unterseite der Ventilplatte 501 ein separates Dichtelement vorgesehen sein, um einen guten dichtenden Ab- schluss des Luftanschlusses 3 sicherzustellen.
Die Ventilklappe 5 ist über ein Scharnier 7 an die Grundplatte 8 angelenkt. Darüber hinaus ist auf der Oberseite des zy¬ lindrischen Abschnitts 502 eine metallische Blattfeder 6 mit einem leicht nach oben gebogenen Ende 601 befestigt. Ein Großteil der Fläche der Blattfeder befindet sich oberhalb der beiden Abschnitte 401 und 402 des SMA-Drahts 4. In der in Fig. 1 gezeigten Stellung ist die Blattfeder 6 von diesen Abschnitten 401 und 402 beabstandet .
Zum Öffnen des Luftanschlusses 3 wird dem Draht 4 über die Kontaktpins 9 Heizstrom bzw. Heizleistung zugeführt, wodurch eine Erwärmung des Drahts und demzufolge eine Kontraktion desselben bewirkt wird. Die Kontraktion hat zu Folge, dass der gebogene Abschnitt 403 des SMA-Drahts 4 den Vorsprung 502 nach rechts zieht, wodurch über das Scharnier 7 eine Verkippung der Ventilklappe 5 nach oben bewirkt wird, so dass der Luftanschluss 3 geöffnet wird. Die Ventilklappe 5 wird bis zu einer vorgegebenen Endposition nach oben angehoben, wobei diese Endposition in Fig. 2 angedeutet ist. In der weiter unten beschriebenen Fig. 6 ist diese Endposition durch das Bezugszeichen EP verdeutlicht. In der Endposition ist ein elektrischer Kontakt zwischen den beiden Drahtabschnitten 401 und 402 über die Kante 601 der Blattfeder 6 hergestellt. Die Kante 601 stellt dabei eine Variante eines Überbrückungsabschnitts im Sinne der Ansprüche dar. Mittels der Kante 601 werden die durch diese berührten Kontaktstellen der beiden geraden Abschnitte 401 und 402 niederohmig verbunden, so dass die Kante 601 das links von ihr liegende Teilstück des SMA-Drahts kurzschließt und somit den Widerstand dieses
Teilstücks überbrückt. Als Folge der soeben beschriebenen Überbrückung vermindert sich der Widerstand des SMA-Drahts 4, was mittels einer Detekti- onseinheit 20 detektiert wird, die mit einer Steuereinrichtung 30 wechselwirkt, wie nachfolgend anhand von Fig. 4 bis Fig. 6 erläutert wird.
Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung die geschlossene Stellung des Aktuators gemäß Fig. 1. Dabei ist zusätzlich die Detektionseinheit 20 und die Steuereinrichtung 30 wiedergegeben, welche nicht in Fig. 1 bis Fig. 3 gezeigt sind. Die Steuer- einrichtung 30 wechselwirkt mit der Detektionseinrichtung 20, wie durch den Doppelpfeil DP angedeutet ist. In der Steuer¬ einrichtung ist eine erste Soll-Zykluszeit CLl und eine zweite Soll-Zykluszeit CL2 hinterlegt. Die Funktionsweise der Steu- ereinrichtung 30 wird weiter unten noch näher beschrieben.
Mit der Detektionseinheit 20 wird der Widerstand des SMA-Drahts gemessen. Die Detektionseinheit ist über entsprechende Kon¬ taktstellen 11 und 11' an den Draht 4 angeschlossen. Die Kontaktstellen entsprechen der Kontaktierung des Drahts durch die Kontaktpins 9 aus Fig. 1. Zur Verdeutlichung ist in Fig. 4 und Fig. 5 der Widerstand des Drahts von der Kontaktstelle 11' bis zu der Kontaktstelle 12' der Kante 601 bei geöffnetem Luftanschluss mit Rl bezeichnet. Analog ist der Widerstand von der Kontaktstelle 11 bis zu der Kontaktstelle der Kante 601 bei geöffnetem Luftanschluss mit R2 bezeichnet. Demgegenüber ist der Widerstand des Drahtabschnitts, der links von der Kante 601 liegt, mit R3 bezeichnet. Die in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellte Detektionseinheit 20 umfasst einen Strommesser 21, der den Strom I durch den SMA-Draht misst. Dabei ist in Fig. 4 und Fig. 5 sowie auch in den weiter unten beschriebenen Fig. 8 und 9 der Stromfluss mittels entsprechender Pfeile P angedeutet. Ferner ist ein Spannungsmesser 22 zum Erfassen der angelegten Spannung U vorgesehen. Die Detektionseinheit 20 beinhaltet ferner einen Schalter 25 und einen Schalter 26. Mit dem Schalter 25 wird eine Spannungsquelle 23 zugeschaltet, welche den Heizstrom zur Verformung des SMA-Drahts 4 liefert. Demgegenüber wird mit dem Schalter 26 eine Span- nungsquelle 24 mit einer geringeren Spannung als die der Spannungsquelle 23 zugeschaltet.
Mittels der Steuereinrichtung 30 kann die Spannung Ul der Spannungsquelle 23 und die Spannung U2 der Spannungsquelle 24 , n
15 variiert werden, wobei die Spannungen Ul und U2 in Fig. 6 wiedergegeben sind. Dort ist auch angedeutet, dass dem SMA-Draht bei angelegter Spannung Ul ein erster elektrischer Leistungswert LI und bei angelegter Spannung U2 ein zweiter Leistungswert L2 zugeführt werden.
Ohne Betätigung des Aktuators sind beide Schalter 25 und 26 geöffnet, so dass die in Fig. 1 gezeigte Schaltstellung ein¬ genommen wird. Gemäß Fig. 4 wird nunmehr der Schalter 25 geschlossen, um hierdurch dem SMA-Draht 4 Heizstrom bzw. Heizleistung zuzuführen, so dass sich dieser kontrahiert und ein Anheben der Ventilklappe 5 bewirkt. Gleichzeitig wird die Spannung U und der Heizstrom I über den Spannungsmesser 22 und den Strommesser 21 erfasst. Aus diesen Größen wird der Widerstand des SMA-Drahts ermittelt, der in dem Szenario der Fig. 4 den Wert R = Rl + R2 + R3 aufweist. Der Widerstand des SMA-Drahts wird dabei im Wesentlichen kontinuierlich, d.h. in sehr kurzen Zeitabständen, mittels der Strom- und Spannungsmessung erfasst.
Demzufolge kann die entsprechende Widerstandsänderung des Drahts, die durch den Kurzschluss mittels des Überbrückungs- abschnitts verursacht ist, schnell erkannt werden und darauf reagiert werden.
Aufgrund der Kontraktion des Drahts wird schließlich die in Fig. 2 gezeigte Endposition erreicht. Diese Endposition ist auch in Fig. 5 angedeutet. Wie man erkennt, schließt nunmehr die Kante 601 die beiden Drahtabschnitte 401 und 402 an entsprechenden Kontaktstellen 12 und 12' kurz, so dass der Widerstand R3 des in Fig. 5 links von der Kante 601 liegenden Teils des SMA-Drahts überbrückt wird. Als Folge wird der Widerstand des SMA-Drahts um den Betrag R3 vermindert, d.h. er liegt nur noch bei R = Rl + R2. Dies wird über die Detektionseinheit 20 mittels des Strommessers 21 und des Spannungsmessers 22 erfasst. Die Schalter 25 und 26 befinden sich bei der Erfassung dieser Widerstandsverminderung noch in der in Fig. 4 gezeigten
Schaltstellung. Wird durch die Detektionseinheit 20 dann die Widerstandsverminderung erfasst, löst die Steuereinrichtung 30 eine Betätigung der Schalter 25 und 26 aus, woraufhin die Schalter 25 und 26 die in Fig. 5 gezeigte Schaltstellung einnehmen. Mit anderen Worten wird der Schalter 25 geöffnet und der Schalter 26 geschlossen. Demzufolge wird der SMA-Draht 4 mit der Span¬ nungsquelle 24 verbunden, welche eine wesentlich geringere Spannung U2 im Vergleich zur Spannung Ul der Spannungsquelle 23 liefert. Typischerweise liegt die Spannung der Spannungsquelle 24 bei etwa 10% bis 50% der Spannung der Spannungsquelle 23.
Die Reduktion der dem SMA-Draht zugeführten Spannung ist er- forderlich, um eine mechanische und thermische Beschädigung des Drahts durch zu hohen Strom zu vermeiden. Die Spannung der Spannungsquelle 24 ist dabei umso niedriger zu wählen, je größer das über die Kante 601 kurzgeschlossene Teilstück des Drahts ist, da ein größeres kurzgeschlossenes Teilstück einen höheren Strom durch den SMA-Draht bedingt.
Durch das Anlegen der niedrigeren Spannung U2 kommt es wieder zu einer Ausdehnung des SMA-Drahts, so dass die Endposition dieses Drahts verlassen wird. Dies wird wiederum über die Detekti- onseinheit 20 erfasst, woraufhin die Steuereinrichtung 30 die Schalter 25 und 26 wieder betätigt, so dass die in Fig. 4 gezeigte Schaltstellung eingenommen wird, in der wieder die höhere Spannung Ul zugeführt wird. Als Folge wird der SMA-Draht wieder kontrahiert, bis dessen Endposition erreicht ist, woraufhin wieder in die Schaltstellung der Fig. 5 zur Zufuhr der niedrigeren Spannung U2 gewechselt wird.
Die soeben beschriebenen Vorgänge werden zyklisch wiederholt, solange der Aktuator betätigt ist. Herkömmlicherweise sind dabei die Spannungen Ul und U2 fest gewählt, so dass während der Betätigung des Aktuators Mikroschaltvorgänge mit großer Häu¬ figkeit ausgelöst werden. Diese Mikroschaltvorgänge führen zu einer mechanischen Belastung der Kontaktstellen und zu störenden Schaltgeräuschen des SMA-Aktuators . Um die Anzahl der Mikroschaltvorgänge gering zu halten, wird in der hier beschriebenen Ausführungsform über die Steuereinrichtung 30 auf die Größe der Spannung Ul der Spannungsquelle 23 Einfluss genommen, wie im Folgenden anhand von Fig. 6 beschrieben wird.
Das Diagramm der Fig. 6 umfasst vier Teildiagramme, wobei entlang der Abszisse jedes Teildiagramms die Zeit t wiedergegeben ist. Das oberste Teildiagramm repräsentiert die am SMA-Draht 4 angelegte Spannung U, die über den Spannungsmesser 22 der Fig. 4 bzw. Fig. 5 erfasst wird. Das zweite Teildiagramm von oben zeigt die Temperatur T des SMA-Drahts. Das dritte Teildiagramm von oben gibt den Hub x des Absperrelements 5 wieder, wobei durch die vertikale Linie EP die Endposition des Absperrelements ange¬ deutet ist. Im untersten Teildiagramm der Fig. 6 ist der Wi- derstand R gezeigt, der über die Detektionseinheit 20 der Fig. 4 und Fig. 5 erfasst wird. Über die Änderung des Widerstands wird dabei das Erreichen bzw. das Verlassen der Endposition EP detektiert . In dem Szenario der Fig. 6 wird zum Zeitpunkt tl ein Schaltsignal zur Betätigung des Aktuators in der Steuereinrichtung 30 empfangen, um den Luftanschluss 3 aus Fig. 1 zu öffnen. Als Folge werden die Schalter 25 und 26 mittels der Steuereinrichtung 30 in die in Fig. 4 gezeigte Schaltstellung geschaltet. Die Spannung Ul der Spannungsquelle 23 und der entsprechende erste Leis¬ tungswert LI sind dabei auf einen hohen Wert eingestellt.
Zwischen den Zeitpunkten tl und t2 kommt es dann zu einer Erwärmung des SMA-Drahts 4, so dass dieser kontrahiert wird, bis schließlich die Endposition EP zum Zeitpunkt t2 erreicht ist. Zu , 0
diesem Zeitpunkt werden die Drahtabschnitte 401 und 402 über die Kante 601 der Blattfeder 6 niederohmig verbunden, was zu einer Verminderung des Widerstands R und hierdurch zur Detektion der Endposition EP führt. Als Konsequenz schaltet die Steuerein- richtung 30 die Schalter 25 und 26 in die in Fig. 5 gezeigte Schaltstellung, so dass die Spannung U2 mit einem niedrigen Spannungswert und einem entsprechend niedrigen Leistungswert L2 zugeführt wird.
Solange der Aktuator im betätigten Zustand ist, wird das Schalten zwischen den beiden Spannungen Ul und U2 wiederholt. Dabei wird die Spannung Ul angelegt, wenn sich das Absperrelement nicht in der Endposition EP befindet, und die Spannung U2, wenn es sich in der Endposition EP befindet. Aufgrund der großen Spannungsdifferenz zwischen Ul und U2 erfolgt diese Wiederholung mit einer hohen Schaltfrequenz bzw. einer geringen Zykluszeit, die in Fig. 6 mit CL angedeutet ist. Herkömmlicherweise werden die Spannungen Ul und U2 dabei nicht verändert, so dass häufige Mikroschaltvorgänge mit entsprechend hoher mechanischer Be¬ lastung sowie störende Schaltgeräuschen auftreten.
Um die Häufigkeit der Mikroschaltvorgänge zu reduzieren, greift die Steuereinrichtung 30 auf die bereits oben erwähnten
Soll-Zykluszeiten CL1 und CL2 zurück. Die erste Soll-Zykluszeit CL1 stellt dabei eine minimale Zykluszeit und demzufolge eine maximale Frequenz der Mikroschaltvorgänge dar. Mit anderen Worten wird die Schaltfrequenz der Mikroschaltvorgänge über die erste Soll-Zykluszeit begrenzt und somit die Anzahl der Mik¬ roschaltvorgänge reduziert. Die zweite Soll-Zykluszeit CL2 stellt eine maximale Zykluszeit und in diesem Sinne eine minimale Schaltfrequenz dar. Diese Schaltfrequenz sollte nicht unterschritten werden, um hierdurch eine ausreichend schnelle Reaktionszeit des SMA-Aktuators auf sich verändernde Bedingungen, wie z.B. eine veränderte Kühlung des SMA-Drahts durch Luft¬ strömung, zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird bei der Betätigung des Aktuators die aktuelle Zykluszeit von aufeinander folgenden Mikroschalt- vorgängen mittels der Steuereinrichtung 30 erfasst. In dem Szenario der Fig. 6 wird dabei im Zeitraum zwischen t2 und t3 festgestellt, dass die aktuelle Zykluszeit CL die erste
Soll-Zykluszeit CL1 unterschreitet, was zu störenden Schalt- geräuschen und hoher mechanischer Belastung führt. Aufgrund dieses Unterschreitens verringert die Steuereinrichtung 30 zum Zeitpunkt t3 den Unterschied zwischen den Spannungen Ul und U2. In der hier beschriebenen Ausführungsform wird dabei der Wert der Spannung Ul der Spannungsquelle 23 herabgesetzt, wohingegen die Spannung U2 der Spannungsquelle 24 nicht verändert wird. Als Konsequenz nimmt die Zykluszeit deutlich ab, wodurch die Mikroschaltvorgänge weniger häufig ausgeführt werden.
Zum Zeitpunkt t4 ändert sich durch äußere Einflüsse das Ab- kühlverhalten des SMA-Drahts, d.h. die Temperatur des Drahts nimmt schneller als zuvor ab. Dies führt zu einer Erhöhung der Zykluszeit auf den Wert CL ' , was durch die Steuereinrichtung 30 erfasst wird. Der Wert der Zykluszeit CL ' ist dabei derart groß, dass er die zweite Soll-Zykluszeit CL2 überschreitet. Als Konsequenz erhöht die Steuereinrichtung 30 zum Zeitpunkt t5 die Differenz zwischen den Spannungen Ul und U2, indem sie die Spannung Ul wieder anhebt. Dies führt dann wieder zu einer Zykluszeit, die zwischen der ersten Soll-Zykluszeit CL1 und der zweiten Soll-Zykluszeit CL2 liegt.
Zum Zeitpunkt t6 wird die Betätigung des Aktuators basierend auf einem entsprechenden Signal beendet . Als Folge werden mittels der Steuereinrichtung 30 beide Schalter 25 und 26 geöffnet, was zu einer Abkühlung und Ausdehnung des Drahts und einem Absinken der Ventilklappe 5 führt. Dabei ist zu beachten, dass die Ven¬ tilklappe 5 mit nicht gezeigten elastischen Mitteln hin zu ihrer geschlossenen Schaltstellung vorgespannt ist, so dass hierdurch eine Rückstellkraft zur Bewegung der Ventilklappe in die ge- schlossene Stellung gewährleistet ist.
Mit dem soeben beschriebenen Ansteuerverfahren der Fig. 6 kann durch entsprechende Soll-Zykluszeiten und einer darauf basierenden Anpassung der dem Aktuator zugeführten Spannung die Häufigkeit von Mikroschaltvorgängen reduziert werden und hierdurch der mechanische Verschleiß des Aktuators vermindert und störende Schaltgeräusche reduziert werden. Durch geeignete Wahl der Soll-Zykluszeiten kann dabei weiterhin eine ausreichend schnelle Reaktionszeit des Aktuators gewährleistet werden. Typische Werte für eine erste bzw. zweite Soll-Zykluszeit liegen zwischen 20 ms und 50 ms . Anstatt der obigen Ansteuerung basierend auf Zykluszeiten können in einer Variante des Ansteuerverfahrens auch die Schaltfrequenzen erfasst und zur Steuerung genutzt werden .
In der Ausführungsform der Fig. 4 und Fig. 5 sowie analog auch in der weiter unten beschriebenen Ausführungsform gemäß Fig. 8 und Fig. 9 werden zwei Spannungsquellen zur Bereitstellung der Spannungen Ul und U2 verwendet. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass anstatt zwei Spannungsquellen lediglich eine einzige Spannungsquelle mit regelbarer Versorgungsspannung genutzt wird, um die Spannungswerte für Ul und ggf. auch für U2 einzustellen. Zur Regelung der Spannung kann in an sich bekannter Weise eine PWM-Ansteuerung (PWM = Pulsweitenmodulation) ver- wendet werden. Dabei werden die Einschaltdauern in den
PWM-Intervallen geeignet variiert. Dabei muss die Wider¬ standsmessung immer innerhalb der Einschaltdauer eines jeweiligen PWM-Intervalls erfolgen, da ohne Bestromung keine Widerstandsmessung möglich ist. Fig. 7 zeigt in perspektivischer Darstellung eine abgewandelte Variante für die in Fig. 1 bis Fig. 3 gezeigte Ventilklappe. Im Unterschied zu der Klappe aus Fig. 1 bis Fig. 3 besteht die Ventilklappe 5' der Fig. 7 im Wesentlichen aus einer Blattfeder 13 und einem Dichtelement bzw. Dichtpfad 18. Die Blattfeder umfasst ein horizontal verlaufendes Federblatt 14, auf dessen Unterseite das Dichtelement 18 aus weichem Kunststoff angebracht ist. Dieses Dichtelement 18 liegt im geschlossenen Zustand der Ventilklappe 5' auf dem Ventilsitz des Luftanschlusses 3 auf. Die Blattfeder 13 umfasst neben dem Federblatt 14 zwei vertikal nach unten verlaufende Fahnen 15, über welche die Blattfeder an der Grundplatte 8, z.B. durch Einsetzen der Fahnen in Aussparungen der Grundplatte, fixiert wird. An der Blattfeder 13 ist ferner ein halbkreisförmiger Abschnitt 16 sowie ein gebogener Abschnitt 17 ausgebildet. Der gebogene Abschnitt 17 mündet in einen Steg bzw. Flügel 602, der eine Ausführungsform eines elektrisch leitfähigen Überbrückungs- abschnitts im Sinne der Ansprüche darstellt. Der Steg verläuft quer zu dem SMA-Draht 4, wie deutlich aus Fig. 6 ersichtlich ist. Der Draht 4 ist um den halbkreisförmigen Abschnitt 16 der Blattfeder 13 herumgeführt. Der SMA-Draht ist analog wie in Fig. 1 bis Fig. 3 mit Kontaktpins und einer entsprechenden Lei¬ terplatte verbunden, was nicht aus Fig. 7 ersichtlich ist. Die Fahne 15, der halbkreisförmige Abschnitt 16, der gebogene
Abschnitt 17 sowie der Steg 602 sind integraler Bestandteil der Blattfeder 13. Sie werden durch Stanzung und Biegung einer entsprechenden Metallplatte ausgebildet. Zur Betätigung der Ventilplatte 5' wird der SMA-Draht 4 wiederum mit einem Heizstrom bestromt, was dessen Kontraktion bewirkt . Als Konsequenz wird das Federblatt 14 durch Krafteinwirkung auf den halbkreisförmigen Abschnitt 16 elastisch verformt, so dass es sich anhebt und hierdurch das Dichtelement 18 von dem Luft- anschluss 3 entfernt wird. Die Verkippung der Ventilklappe 5' erfolgt somit über elastische Verformung des Federblatts 14 und nicht über eine Verdrehung an einem Scharnier, wie dies in den Ausführungsform der Fig. 1 bis Fig. 3 der Fall ist. Dies hat den Vorteil, dass über die Flexibilität der Blattfeder eine schälende Abzugsbewegung des Dichtelements 18 von dem Ventilsitz erreicht wird. Dies reduziert die zum Öffnen des Luftanschlusses er¬ forderliche Kraft im Falle eines Klebens des Dichtelements am Ventilsitz .
Fig. 8 und Fig. 9 zeigen in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Aktuators in dem erfindungsgemäßen Ventil . Die Detektionseinheit 20 und die Steuereinrichtung 30 der Fig. 8 und Fig. 9 sind analog zu Fig. 4 und Fig. 5 aufgebaut. Die Detektionseinheit 20 dient wiederum dazu, über den Strommesser 21 und den Spannungsmesser 22 den Widerstand des SMA-Drahts 4 zu erfassen. Ebenso führt die Steuereinrichtung 30 die in Fig. 6 gezeigte Ansteuerung zur Verminderung der Häufigkeit von Mikroschaltvorgängen durch.
In der Ausführungsform der Fig. 8 und Fig. 9 kann als Ventilklappe die gleiche Ventilklappe wie aus Fig. 1 bis Fig. 3, jedoch ohne die Blattfeder 6, verwendet werden. In der Ausführungsform der Fig. 8 und Fig. 9 bezeichnet der Widerstand Rl den Widerstand des Drahtabschnitts 401 zuzüglich der Hälfte des daran anschlie¬ ßenden gebogenen Drahtabschnitts 403. Analog bezeichnet der Widerstand R2 den Widerstand des Drahtabschnitts 402 zuzüglich der Hälfte des daran anschließenden gebogenen Abschnitts 403. Der Kurzschluss eines Abschnitts des SMA-Drahts 4 erfolgt in Fig. 8 und Fig. 9 über eine elektrische Leitung 603. Die elektrische Leitung erstreckt sich von einer Kontaktstelle 11 am rechten Ende des Drahtabschnitts 402 hin zu dem gebogenen Abschnitt 403 des SMA-Drahts 4. Ein Großteil der elektrischen Leitung 603 verläuft dabei parallel zu den beiden Drahtabschnitten 401 und 402. In der in Fig. 8 gezeigten Schaltstellung, in der die Ventilklappe geschlossen ist, wird eine vordere Kontaktstelle 12 der Leitung 603 nicht elektrisch kontaktiert. Das Ende der Leitung mit der Kontaktstelle 12 kann z.B. in einer horizontal verlaufenden Bohrung in dem Vorsprung 502 der Ventilklappe 5 aus Fig. 1 bis Fig. 3 geführt sein. Die Bohrung liegt in der Ebene des SMA-Drahts 4. Durch die Zufuhr von Heizstrom über das Schließen des Schalters 25 wird wiederum eine Kontraktion des SMA-Drahts 4 bewirkt. Dies hat eine Verkippung der Ventilklappe 5 zur Folge, woraufhin sich der gebogene Abschnitt 403 hin zu der Kontaktstelle 12 bewegt. Beim Erreichen der Endposition kontaktiert dann der Umlenkpunkt des SMA-Drahts im Bereich des gebogenen Abschnitts 403 die
Kontaktstelle 12 der Leitung 603, wie aus Fig. 9 ersichtlich ist. Auf diese Weise wird ein elektrischer Kontakt zwischen den Kontaktstellen 11 und 12 hergestellt, so dass der Widerstand R2 des Drahtabschnitts 402 überbrückt wird.
In der Ausführungsform der Fig. 8 und Fig. 9 ist zum Kurzschluss eines Abschnitts des SMA-Drahts lediglich eine einzelne Kon¬ taktstelle 12 erforderlich. Im Unterschied hierzu wurden in den Ausführungsformen der Fig. 1 bis Fig. 5 und Fig. 7 zwei Kon- taktstellen des SMA-Drahts kontaktiert. Ferner ist in der
Ausführungsform der Fig. 8 und Fig. 9 der Überbrückungsabschnitt in der Form der Leitung 603 feststehend, wohingegen sich der Überbrückungsabschnitt in den Ausführungsformen der Fig. 1 bis Fig. 5 und Fig. 7 zusammen mit der Ventilklappe bewegt.
Neben den soeben beschriebenen Varianten der Erfindung sind auch andere Ausgestaltungen möglich. Zum Beispiel kann in Ausführungsform der Fig. 8 und Fig. 9 anstatt der Ventilklappe 5 auch die in Fig. 7 gezeigte Ventilklappe 5' mit Blattfeder genutzt werden, wobei in diesem Fall der gebogene Abschnitt 17 sowie der Steg 602 weggelassen werden.
Alternativ kann sich zum Beispiel bei der in Fig. 7 gezeigten Ventilklappe 5' der Steg 602 nur auf eine Seite hin zu dem
Drahtabschnitt 401 oder 402 erstrecken, so dass der SMA-Draht 4 im geöffneten Zustand der Ventilklappe zwischen dem am halbkreisförmigen Abschnitt 16 anliegenden Drahtabschnitt 403 und dem am einseitigen Steg 602 anliegenden Drahtabschnitt 401 oder 402 elektrisch kurzgeschlossen wird.
Darüber hinaus kann der SMA-Draht auch in anderen Geometrien als in den vorangegangenen Ausführungsformen verlegt sein. Zum Beispiel kann der SMA-Draht auch V-förmig verlaufen. Ebenso kann als SMA-Aktuator ein zu einer Spiralfeder gewickelter Draht und dergleichen verwendet werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde davon ausgegangen, dass der SMA-Draht keine Beschichtung aufweist, so dass durch dessen Berührung ein direkter elektrischer Kontakt erzeugt wird. Sollte auf dem SMA-Draht eine nicht-leitende Schicht (z.B. eine Oxidschicht) vorhanden sein, wird an den Stellen, an denen der Draht durch den Überbrückungsabschnitt berührt wird, die Oxidschicht entfernt. Optional kann der SMA-Draht im Bereich der Kontaktierung durch den Überbrückungsabschnitt mit einem leitfähigen Material beschichtet werden, welches vorzugsweise oxidationsgeschützt ist. Ebenso kann durch Realisierung einer geringfügigen Schleifbewegung bei der Kontaktierung des SMA-Drahts mittels des Überbrückungs- abschnitts die Robustheit der Kontaktierung verbessert werden.
Die obige Ansteuerung gemäß Fig. 6 wurde immer anhand eines SMA-Aktuators beschrieben, dessen Endposition mit Hilfe einer Widerstandsmessung detektiert wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Erfassung einer Endposition über Widerstandsmessung beschränkt. Vielmehr kann das Erreichen bzw. Verlassen der Endposition auch auf andere Weise detektiert werden, z.B. durch separate Kontaktschalter.
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann die mechanische Belastung eines SMA-Aktuators bei dessen Be¬ tätigung durch die Reduktion der Häufigkeit der Mikroschalt- Vorgänge vermindert werden. Durch geeignete Festlegung von
Soll-Zykluszeiten kann die Schaltfrequenz der Mikrobewegungen ferner derart festgelegt werden, dass die Schaltvorgänge aufgrund der menschlichen Hörkurve weniger laut erscheinen und damit weniger störend empfunden werden.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird ferner auf einfache Weise die Endposition eines SMA-Aktuators mittels eines Überbrückungsabschnitts und der damit einhergehenden Wider¬ standsänderung des SMA-Drahts bewirkt. Es müssen somit nicht zusätzlich separate Endschalter zur Detektion dieser Endposition und auch keine zusätzlichen elektrischen Anschlüsse vorgesehen werden, was zu erhöhten Kosten führt. Vielmehr kann mit einem einfachen Bauteil, wie z.B. mit einer elektrisch leitfähigen Platte, einem elektrisch leitfähigen Steg oder einer
elektrischen Leitung, ein Teil des Drahts kurzgeschlossen werden und hierüber mittels der Erfassung der daraus resultierenden Widerstandsänderung des Drahts die Endposition detektiert werden . Im Vorangegangenen wurde die Erfindung anhand eines pneuma¬ tischen Ventils erläutert. Nichtsdestotrotz kann die Erfindung ggf. auch allgemein als Fluidventil realisiert sein. In diesem Fall stellt die oben beschriebene Luftkammer eine Fluidkammer dar und der oben beschriebene Luftanschluss ist ein Fluidanschluss . Als Fluid kann anstatt von Luft auch eine Flüssigkeit und insbesondere ein Hydrauliköl eingesetzt werden. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Ventil somit nicht nur ein pneumatisches Ventil, sondern ggf. auch ein hydraulisches Venti sein .
Bezugs zeichenliste
1 Aktuator
100 Luftkammer
2 Ventilgehäuse
3 Luftanschluss
4 SMA-Draht
401, 402 gerade Drahtabschnitte des SMA-Drahts 403 gebogener Drahtabschnitt des SMA-Drahts 5, 5' Ventilklappe
501 Ventilplatte
502 Vorsprung
6 Blattfeder
601 gebogene Kante der Blattfeder
602 Steg
603 Leitung
7 Scharnier
8 Grundplatte
9 Kontaktpin
10 Crimp-Element
Rl, R2, R3 Widerstände
P Pfeile
11, 11', 12, 12' Kontaktstellen
13 Blattfeder
14 Federblatt
15 Fahnen
16 halbkreisförmiger Abschnitt
17 gebogener Abschnitt
18 Dichtelement
20 Detektionseinheit
21 Strommesser
22 Spannungsmesser
23, 24 Spannungsquellen
25, 26 Schalter 0
Δ o
30 Steuereinrichtung DP Doppelpfeil I Strom
U Spannung
Ul, U2 Spannungswerte LI, L2 Leistungswerte
EP Endposition t Zeit
T Temperatur x Hub
R Widerstand tl, t2, Zeitpunkte

Claims

Patentansprüche
1. Pneumatisches Ventil, umfassend eine Luftkammer (100) mit einem Luftanschluss (3) sowie einen Aktuator (1) mit einem beweglichen Absperrelement (5, 5') und mit einem SMA-Element (4) aus einer Formgedächtnislegierung, welches mechanisch an das bewegliche Absperrelement (5, 5') gekoppelt ist, wobei zur Betätigung des Aktuators (1) dem SMA-Element (4) eine elektrische Heizleistung zuführbar ist, woraufhin sich das SMA-Element (4) verformt und hierdurch eine vorgegebene Bewegung des Absper¬ relements (5, 5') zum Öffnen oder Schließen des Luftanschlusses (3) bewirkt, wobei die Verformung des SMA-Elements (4) bei Beendigung der Zufuhr der elektrischen Heizleistung rückgängig gemacht wird und hierdurch eine Umkehrung der vorgegebenen Bewegung des SMA-Elements (4) bewirkt,
wobei der Aktuator (1) eine Detektionseinheit (20) umfasst, um bei Betätigung des Aktuators (1) ein Erreichen und ein Verlassen einer Endposition (EP) des Absperrelements (5, 5') zu detektieren,
- wobei der Aktuator (1) eine Steuereinrichtung (30) beinhaltet, welche derart ausgestaltet ist, dass sie bei Betätigung des Aktuators (1) die elektrische Heizleistung auf einen ersten Leistungswert (LI) einstellt, wenn sich gemäß der Detektion der Detektionseinheit (20) das Ab- sperrelement (5, 5') nicht in der Endposition (EP) befindet, und dass sie bei Betätigung des Aktuators (1) die elektrische Heizleistung auf einen zweiten Leistungswert (L2) einstellt, der niedriger als der erste Leistungswert (LI) ist, wenn sich gemäß der Detektion der Detektions- einheit (20) das Absperrelement (5, 5') in der Endposition
(EP) befindet,
wobei die Steuereinrichtung (30) ferner derart ausgestaltet ist, dass sie bei Betätigung des Aktuators (1) die aktuelle Zykluszeit (CL, CL ' ) zwischen einem Verlassen und dem nächsten Erreichen der Endposition (EP) durch das Absperrelement (5, 5') oder ein Maß für die aktuelle Zyk¬ luszeit (CL, CL ' ) erfasst und den Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Leistungswert (LI, L2) verringert, falls die aktuelle Zykluszeit (CL, CL ' ) eine erste
Soll-Zykluszeit (CL1) unterschreitet, sowie den Unter¬ schied zwischen dem ersten und zweiten Leistungswert (LI, L2) erhöht, falls die aktuelle Zykluszeit (CL, CL ' ) eine zweite Soll-Zykluszeit (CL2), welche größer gleich der ersten Soll-Zykluszeit (CL1) ist, überschreitet.
2. Pneumatisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Soll-Zykluszeit (CL1) und/oder die zweite Soll-Zykluszeit (CL2) zwischen 10 ms und 100 ms, insbesondere zwischen 20 ms und 50 ms, liegt.
3. Pneumatisches Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung und Erhöhung des Unter¬ schieds zwischen dem ersten und zweiten Leistungswert (LI, L2) durch ausschließliche Veränderung des ersten Leistungswerts (LI) oder durch ausschließliche Veränderung des zweiten Leistungswerts (L2) oder durch Veränderung sowohl des ersten als auch des zweiten Leistungswerts (LI, L2) bewirkt wird.
4. Pneumatisches Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung und Erhöhung des Unterschieds zwischen dem ersten und zweiten Leistungswert (LI, L2) zeitlich kontinuierlich oder zeitlich diskret erfolgt. 5. Pneumatisches Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (1) derart ausge¬ staltet ist, dass bei Erreichen der Endposition (EP) des Absperrelements (5, 5') der Widerstand eines Abschnitts des SMA-Elements (4) mittels eines Überbrückungsabschnitts (601, 602, 603) elektrisch überbrückt wird und hierdurch der Widerstand des SMA-Elements (4) vermindert wird, wobei die Detektions- einheit (20) dazu eingerichtet ist, mittels einer Wider¬ standsmessung die Verminderung des Widerstands des SMA-Elements (4) zu erfassen, wodurch das Erreichen der Endposition (EP) des Absperrelements (5, 5') detektiert wird, sowie die Beendigung der Verminderung des Widerstands des SMA-Elements (4) zu erfassen, wodurch das Verlassen der Endposition (EP) des Absperrelements (5,
5') detektiert wird.
6. Pneumatisches Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (1) derart ausgestaltet ist, dass die Ver¬ formung des SMA-Elements (4) eine Relativbewegung zwischen dem Überbrückungsabschnitt (601, 602, 603) und dem SMA-Element (4) bewirkt, wobei die Relativbewegung bei Erreichen der Endposition (EP) des Absperrelements (5, 5') zu der elektrischen Überbrückung des Widerstands des Abschnitts des SMA-Elements (4) führt.
7. Pneumatisches Ventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Aktuator (1) ein elektrisch leitfähiges
Element (6, 602), vorzugsweise in der Form einer Platte (6) oder eines Stegs (602), umfasst, wobei das elektrisch leitfähige Element (6, 602) starr mit dem Absperrelement (5, 5') verbunden ist oder ein Teil des Absperrelements (5, 5') bildet und wobei der Überbrückungsabschnitt (601, 602) in dem elektrisch leitfähigen Element (6, 602) enthalten ist.
8. Pneumatisches Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (5, 5') eine Ventilklappe ist, welche als vorgegebene Bewegung zum Öffnen oder Schließen des Luftanschlusses (3) eine Verkippung ausführt, wobei die Verkippung vorzugsweise durch eine elastische Biegung und/oder durch eine Drehung der Ventilklappe (5, 5') bewirkt wird .
9. Pneumatisches Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das SMA-Element (4) ein SMA-Draht ist, der durch Zufuhr der elektrischen Heizleistung kontrahiert wird und hierdurch die vorgegebene Bewegung des Absperrelements (5) bewirkt, wobei der SMA-Draht (4) vorzugsweise in einer Ebene verläuft .
10. Pneumatisches Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekenn- zeichnet, dass der SMA-Draht (4) einen ersten und einen zweiten Drahtabschnitt (401, 402) umfasst, zwischen denen ein Kopp¬ lungsabschnitt (403) des SMA-Drahts (4) liegt, wobei der Kopplungsabschnitt (403) mechanisch an das Absperrelement (5, 5') gekoppelt ist.
11. Pneumatisches Ventil nach Anspruch 10 in Kombination mit Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Element (6, 602) derart angeordnet ist, dass es bei Erreichen der Endposition (EP) des Absperrelements (5, 5') den ersten Drahtabschnitt (401) und den zweiten Drahtabschnitt (402) jeweils an einer Kontaktstelle (12, 12') berührt und hierdurch die elektrische Überbrückung des Widerstands des Abschnitts des SMA-Elements (4) bewirkt.
12. Pneumatisches Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (1) ein elektrisch leitfähiges Bauteil (603), vorzugsweise in der Form einer Leitung, umfasst, wobei das elektrisch leitfähige Bauteil (603) eine feste Position im Ventil hat und wobei der Über- brückungsabschnitt (603) in dem elektrisch leitfähigen Bauteil (603) enthalten ist.
13. Pneumatisches Ventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Bauteil (603) eine Leitung ist, deren eines Ende elektrisch mit dem SMA-Element (4) verbunden ist, und deren anderes Ende eine Kontaktstelle (12) umfasst, welche bei Erreichen der Endposition (EP) des Absperrelements (5, 5') mit dem SMA-Element (4) in Berührung kommt und hierdurch die elektrische Überbrückung des Widerstands des Abschnitts des SMA-Elements (4) bewirkt.
14. Pneumatisches Ventil nach Anspruch 13 in Kombination mit Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Teil der Leitung zwischen dem ersten und zweiten Drahtabschnitt (401, 402) in Richtung hin zu dem Kopplungsabschnitt (403) des SMA-Drahts (4) erstreckt.
15. Pneumatisches Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil zum Befüllen und/oder Entleeren zumindest einer elastischen Luftblase in einer Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes in einem Verkehrsmittel vorgesehen ist.
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