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Die Erfindung betrifft ein Sitzventil mit einem Ventilkörper.
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Generell werden Ventile in der Fluidtechnik eingesetzt, um Fluide zu steuern oder zu regeln. Hierzu weisen die Ventile ein Ventilelement auf, das als Absperrkörper fungiert und mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, um den Durchfluss durch das Ventil bzw. den Ventilkörper zu sperren oder freizugeben.
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Das Ventilelement wird hierzu über einen Aktor verstellt. Typischerweise werden im Stand der Technik elektromagnetische Aktoren verwendet, die unter anderem eine ferromagnetische Spule aufweisen.
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Die in der Fluidtechnik verwendeten Ventile können verschiedene Bauformen aufweisen. Beispielsweise gibt es Sitzventile, die auch als Tellerventile bezeichnet werden. Sitzventile zeichnen sich dadurch aus, dass das Ventilelement translatorisch verstellt wird, wodurch üblicherweise eine lineare Bewegung des Ventilelements erfolgt. Eine weitere Bauform stellen die sogenannten Membranventile dar, bei denen das Ventilelement nicht zwangsläufig translatorisch und linear verstellt wird. Beispielsweise kann ein Membranventil mit einer Wippe ausgebildet sein, sodass das Ventilelement wippenartig verstellt wird.
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Es hat sich als nachteilig herausgestellt, dass der Aktor bei den aus dem Stand der Technik bekannten Ventilen auch im stationären Zustand Energie aufnimmt, weshalb die Energieaufnahme dieser Ventile generell hoch ist. Beispielsweise muss die Spule des elektromagnetischen Aktors dauerhaft angeregt sein, um das Ventil in einer aus seiner Normalstellung verstellten Stellung zu halten. Dies führt zu einem erhöhten Energiebedarf. Des Weiteren eignen sich die Ventile mit elektromagnetischem Aktor aufgrund der ferromagnetischen Spulen nicht für Anwendungen im Bereich von starken Magnetfeldern.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Sitzventil bereitzustellen, das einerseits eine geringe Energieaufnahme aufweist und andererseits für Anwendungen bei starken Magnetfeldern ausgebildet ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Sitzventil gelöst, mit einem Ventilkörper, der wenigstens zwei Fluidöffnungen aufweist, wenigstens einem Ventilsitz, zumindest einem translatorisch verstellbaren Ventilelement und wenigstens einem Aktor, der als elektroaktiver Polymeraktor ausgebildet ist und mit dem Ventilelement zusammenwirkt.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist es, das Sitzventil mit einem Aktor auszubilden, der energieeffizient ist. Ein elektroaktiver Polymeraktor ist ein solch energieeffizienter Aktor. Der elektroaktive Polymeraktor weist typischerweise zwei flexible Elektroden auf, zwischen denen wenigstens eine im Wesentlichen inkompressible Polymerschicht vorgesehen ist. Bei der inkompressiblen Polymerschicht kann es sich beispielsweise um ein inkompressibles Elastomer handeln. Der elektroaktive Polymeraktor wird verstellt, indem eine Spannung an die beiden flexiblen Elektroden angelegt wird, sodass sich ein elektrisches Feld zwischen den beiden Elektroden aufbaut. Die beiden Elektroden ziehen sich daraufhin aufgrund des ausgebildeten elektrischen Feldes an, wodurch sich das dazwischen angeordnete inkompressible Polymer in eine andere Richtung ausdehnt, da das Volumen aufgrund seiner Inkompressibilität konstant bleiben muss. Die Polymerschicht sucht sich daher den Weg des geringsten Widerstands, weswegen sie sich senkrecht zur Ausrichtung des elektrischen Feldes ausdehnt. In Richtung parallel zum elektrischen Feld erfährt die Polymerschicht eine Stauchung. Es sind zwei unterschiedliche Verwendungsweisen dieses physikalischen Prinzips in elektroaktiven Polymeraktoren bekannt, insbesondere bei dielektrischen Elastomeraktoren. Bei elektroaktiven Stapelaktoren wird der Hub durch die beschriebene Stauchung im Vergleich zum Ausgangszustand des Stapelaktors erzeugt, während bei elektroaktiven Membranaktoren die mechanische Ausdehnung des Polymers aufgrund des ausgebildeten elektrischen Feldes zur Verstellung des Ventilelements verwendet wird, um das Sitzventil entsprechend zu schalten. Aufgrund der Effizienz des elektroaktiven Polymeraktors wird zum Verstellen des Sitzventils nur eine sehr geringe Energie benötigt, wodurch ein energieeffizientes Sitzventil ausgebildet ist. Die Effizienz des Sitzventils wird nochmals dadurch gesteigert, dass ein elektroaktiver Polymeraktor im stationären Zustand abgesehen vom Ausgleich von Leckströmen keine Energie verbraucht. Ähnlich wie ein Kondensator, bei dem die Ladung erhalten bleibt, auch nachdem er von einer Spannungsquelle getrennt wird, bleibt bei einem elektroaktiven Polymeraktor die Ladung und damit die Anziehungskraft zwischen zwei benachbarten Elektroden erhalten, auch nachdem der Aktor von einer Spannungsquelle getrennt wurde. Des Weiteren kann ein elektroaktiver Polymeraktor derart hergestellt sein, dass er kein ferromagnetisches Material aufweist, weshalb sich ein derartiges Sitzventil für die Anwendung bei starken Magnetfeldern eignet, wie sie beispielsweise bei einem MRT auftreten.
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Insbesondere ist die Verstellrichtung des Ventilelements senkrecht zu einer Ebene, die vom Ventilsitz definiert ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass das Ventilelement linear translatorisch auf den Ventilsitz gedrückt oder von ihm gehoben wird, sodass ein Durchfluss gesperrt bzw. freigegeben wird.
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Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Ventilelement flexibel ausgebildet ist, insbesondere eine Ventilmembran ist. Aufgrund der flexiblen Ausbildung des Ventilelements kann sichergestellt werden, dass dieses den Ventilsitz ohne separate Dichtung fluiddicht verschließt, wenn es auf dem Ventilsitz aufliegt. Des Weiteren kann der Aktor auf einer Seite des Ventilelements angeordnet sein, die nicht medienberührt ist, sodass er vor dem zu schaltenden Medium geschützt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Aktor als Membranaktor oder als Stapelaktor ausgebildet. Hierdurch kann ein höherer Verstellhub des elektroaktiven Polymeraktors bei gleichbleibender, angelegter Betriebsspannung erreicht werden.
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Ferner kann das Ventilelement mit dem Aktor gekoppelt sein, insbesondere im Aktor aufgenommen sein. Hierdurch wird ein besonders kompakter Aufbau des Sitzventils geschaffen, da der Aktor direkt mit dem Ventilelement zusammenwirkt, um dieses zu verstellen. Es ist daher nicht nötig, ein weiteres Element zwischenzuschalten, beispielsweise einen Stößel oder eine Wippe. Die Aufnahme des Aktors erfolgt insbesondere bei der Ausbildung des Ventilelements als Ventilmembran, sodass dies als aktive Membran bezeichnet werden kann, da es gleichzeitig Ventilelement und Aktor ist. Der Aktor kann hierzu das Ventilelement beispielsweise ringförmig umgeben, sodass das Ventilelement mit dem Aktor integral ausgebildet ist. Diese Einheit kann als aktive Ventilmembran bezeichnet werden, da sie gleichzeitig das Ventilelement und den aktiven Aktor umfasst.
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Insbesondere ist ein Deckel vorgesehen, der an einem Flanschabschnitt des Ventilkörpers angeordnet ist. Der Deckel verschließt den Ventilkörper, sodass der Ventilkörper nach außen abgedichtet ist. Eine Verunreinigung des Raums, in dem der Aktor angeordnet ist, ist somit verhindert.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der Aktor am Deckel oder im Flanschbereich angeordnet, insbesondere in einer Nut im Deckel oder im Ventilkörper. Hierdurch kann der Aktor in einfacher Weise gewechselt bzw. ausgetauscht werden, da lediglich der Deckel vom Ventilkörper abgenommen werden muss, um Zugang zum Aktor zu haben. Die Nut im Ventilkörper kann insbesondere umlaufend ausgebildet sein, sodass der Aktor zu allen Seiten sicher gelagert ist. Dies ist insbesondere bei einem kreiszylindrischen Aktor von Vorteil.
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Insbesondere ist wenigstens ein elektrischer Anschluss für den Aktor im Deckel oder im Flanschbereich vorgesehen. Dies ermöglicht, den Aktor zusammen mit dem Deckel (und bei Bedarf auch mit der Ventilmembran) als vormontierte Baugruppe auszuführen, die in das Gehäuse eingesetzt wird. Es muss dann lediglich noch ein Stecker aufgesteckt werden, und das Ventil ist einsatzbereit.
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Ferner kann ein Federelement vorgesehen sein, das am Deckel angeordnet ist und den Aktor mechanisch vorspannt oder mit dem Aktor zusammenwirkt, wobei insbesondere das Federelement eine Formfeder im Deckel sein kann. Über die Feder kann eine Normalstellung des Ventilelements sichergestellt werden, sofern diese das Ventilelement mechanisch beaufschlagt. Über die Federkennlinie der Feder kann alternativ oder ergänzend eine definierte Verstellbewegung des Ventilelements eingestellt werden, insbesondere eine gedämpfte Bewegung des Ventilelements, wenn dieses vom Aktor verstellt wird.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht ein Verstärkungselement vor, an dem das Ventilelement anliegt. Dieses Verstärkungselement unterstützt insbesondere das flexibel ausgebildete Ventilelement. Durch das Verstärkungselement ist sichergestellt, dass das flexible Ventilelement über seine gesamte Breite vom Aktor gleichmäßig translatorisch verstellt wird.
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Insbesondere ist eine Beschichtung am Ventilelement und/oder am Aktor vorgesehen. Diese Beschichtung ist typischerweise auf der zum Medium gerichteten Seite des Aktors bzw. des Ventilelements angebracht, um das Ventilelement und/oder den Aktor vor dem zu schaltenden Medium zu schützen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn mit dem Sitzventil Medien geschaltet werden, die aggressiv sind, beispielsweise ätzende Flüssigkeiten.
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Alternativ zu einer Beschichtung, kann der Polymeraktor mittels einer Folie oder einer zusätzlichen Trennmembran vor unerwünschten Mediumseinflüssen geschützt werden.
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Ferner kann das Sitzventil ein NO-Ventil oder ein NC-Ventil sein. Je nach Ausführung und Anordnung des Ventilelements sowie des Aktors kann das Sitzventil in seiner Normalstellung geöffnet bzw. geschlossen sein.
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Insbesondere ist zumindest der Ventilkörper derart ausgebildet, dass der Aktor, insbesondere der Membranaktor, in zwei Einbaupositionen eingebaut werden kann, sodass das Sitzventil in Abhängigkeit von der Einbauposition des Aktors ein NO-Ventil oder ein NC-Ventil ist. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, dass das Sitzventil durch einen anderen Einbau des Aktors innerhalb des Ventilkörpers von einem NO-Ventil zu einem NC-Ventil umgebaut wird oder umgekehrt. Hierzu kann der Aktor beispielsweise um 180° gedreht werden und anschließend in den Ventilkörper wieder eingesetzt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da auf diese Weise weniger verschiedene Ventiltypen vorgehalten werden müssen und der Benutzer vor Ort sich flexibel für den jeweils nötigen Ventiltyp entscheiden kann.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Sitzventil gemäß einer ersten Ausführungsform in einer ersten Schaltstellung,
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2 das Sitzventil aus 1 in einer zweiten Schaltstellung,
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3 ein erfindungsgemäßes Sitzventil gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer ersten Schaltstellung,
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4 das Sitzventil aus 3 in einer zweiten Schaltstellung,
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5 ein erfindungsgemäßes Sitzventil gemäß einer dritten Ausführungsform in einer ersten Schaltstellung,
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6 das Sitzventil aus 5 in einer zweiten Schaltstellung,
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7 ein erfindungsgemäßes Sitzventil gemäß einer vierten Ausführungsform in einer ersten Schaltstellung,
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8 das Sitzventil aus 7 in einer zweiten Schaltstellung,
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9 eine Schnittdarstellung des Sitzventils aus 8 entlang der Linie IX-IX,
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10 ein erfindungsgemäßes Sitzventil gemäß einer fünften Ausführungsform, bei dem das Ventilelement und der Aktor in einer ersten Einbauposition eingebaut sind, und
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11 das Sitzventil aus 10, bei dem das Ventilelement und der Aktor in einer zweiten Einbauposition eingebaut sind.
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In 1 ist ein Sitzventil 10 gemäß einer ersten Ausführungsform in einer ersten Schaltstellung gezeigt. Das Sitzventil 10 weist einen Ventilkörper 12 auf, welcher einteilig ausgebildet ist.
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Der Ventilkörper 12 weist einen Eingang 14 sowie einen Ausgang 16 auf, die über einen Durchgang 18 miteinander in Strömungsverbindung stehen können, sodass ein Medium über den Eingang 14, den Durchgang 18 zum Ausgang 16 strömen kann.
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Am Durchgang 18 ist ein Ventilsitz 20 ausgebildet, der mit einem Ventilelement 22 zusammenwirkt, welches in der gezeigten Ausführungsform flexibel ausgebildet ist, nämlich als Ventilmembran.
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Das Ventilelement 22 wird von einem Aktor 24 verstellt, der ein elektroaktiver Polymeraktor ist. Der Polymeraktor ist in der gezeigten Ausführungsform als Stapelaktor ausgebildet.
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Demnach weist der als Stapelaktor ausgebildete Aktor 24 mehrere Polymer- bzw. Membranschichten auf, die jeweils zwischen zwei Elektroden angeordnet sind, welche einer unterschiedlichem Polarität zugeordnet sind. Bei Beaufschlagung des Aktors 24 mit einer Spannung ziehen sich die einer Membranschicht zugeordneten Elektroden unterschiedlicher Polarität an, wodurch die dazwischenliegende Membranschicht in elektrischer Feldrichtung zusammengedrückt wird. Die Membranschichten sind generell aus einem inkompressiblen Material ausgebildet, weshalb sie sich aufgrund der Stauchung in Richtung des elektrischen Feldes und ihrer Inkompressibilität senkrecht zur elektrischen Feldrichtung ausdehnen. Die Stauchung wird genutzt, um das Ventilelement 22 translatorisch zu verstellen.
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Je mehr Membranschichten der Stapelaktor aufweist, desto größer sind der Verstellhub und die Kraft des Aktors 24, die auf das Ventilelement 22 wirken.
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Um die Bewegung und die Kraft vom Aktor 24 auf das Ventilelement 22 zu übertragen, ist ein Verstärkungselement 26 vorgesehen, das zwischen einem Ende des Aktors 24 und dem Ventilelement 22 angeordnet ist. Das Verstärkungselement 26 ist plattenförmig ausgebildet und weist in etwa die Größe des Ventilelements 22 auf.
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Da das Ventilelement 22 flexibel ausgebildet ist, dient das Verstärkungselement 26 dazu, dass das Ventilelement 22 zumindest im Bereich des Ventilsitzes 20 gleichmäßig und homogen translatorisch vom Aktor 24 verstellt wird. Das Verstärkungselement 26 versteift demnach das flexible Ventilelement 22.
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Hierdurch ist sichergestellt, dass der Ventilsitz 20 vom Ventilelement 22 dicht verschlossen wird und ein Durchfluss wirksam verhindert wird, wenn das Sitzventil 10 sich im geschlossenen Zustand befindet.
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Ferner weist das Sitzventil 10 einen Deckel 28 auf, der auf dem Ventilkörper 12 in einem Flanschbereich 30 des Ventilkörpers 12 angeordnet ist.
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Im Flanschbereich 30 ist zudem ein Dichtungsring 32 zwischen dem Ventilkörper 12 und dem Deckel 28 vorgesehen, sodass der Innenraum des Sitzventils 10 von der äußeren Umgebung zuverlässig abgedichtet ist.
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Zudem ist ein elektrischer Anschluss 34 im Deckel 28 ausgebildet, welcher mit dem Aktor 24 elektrisch gekoppelt ist, sodass der Aktor 24 mit einer Spannung über den elektrischen Anschluss 34 beaufschlagt werden kann.
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Wenn nur ein Kontaktstift vorgesehen ist, dient das Gehäuse bzw. der Ventilkörper 12 des Ventils 10 als Masseanschluss. Es ist auch möglich, zwei Kontaktstifte zu verwenden, um die Elektroden mit Spannung zu beaufschlagen.
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Der Deckel 28 weist ferner im Flanschbereich 30 des Ventilkörpers 12 einen umlaufenden Bund 36 auf, der senkrecht vom Deckel 28 absteht. Der Bund 36 dient zur Befestigung des Randes des flexiblen Ventilelements 22.
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Hierzu wird der Rand des Ventilelements 22 zum einen gegen eine Schulter am Ventilkörper 12 geklemmt.
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Zusätzlich ist auf der Außenseite des Bundes 36 eine Nut 37 vorgesehen, so dass ein Hinterschnitt gebildet ist, in dem ein Wulst 38 am Außenrand des Ventilelements 22 eingreift. Hierdurch wird der Halt der Ventilmembran 22 zwischen Deckel 28 und Ventilkörper 12 verbessert.
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In der in 1 dargestellten ersten Schaltstellung des Sitzventils 10 befindet sich dieses in seiner Schließstellung. Der elektroaktive Polymeraktor 24 ist hierbei nicht mit einer Spannung beaufschlagt, sodass es sich bei dem Sitzventil 10 um ein NC-Ventil („Normally Closed“-Ventil) handelt. Das Ventilelement 22 kann hierzu mechanisch vorgespannt sein, z.B. durch eine hier nicht gezeigte Feder. Eine mechanische Vorspannung des Polymeraktors 24 kann auch dadurch erreicht werden, dass der Polymeraktor bei der Montage zwischen dem Deckel 28 und dem Ventilelement 22 unter Spannung zusammengedrückt eingebaut wird.
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In 2 ist das Sitzventil 10 aus 1 in seiner zweiten Schaltstellung, der Offenstellung, gezeigt, in der der Aktor 24 mit einer Spannung beaufschlagt ist.
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Aufgrund der angelegten Spannung werden die einzelnen Membranschichten des als Stapelaktor ausgebildeten Polymeraktors 24 in Richtung des elektrischen Feldes zusammengedrückt. Der Aktor 24 hebt das Ventilelement 22 vom Ventilsitz 20 translatorisch und linear an.
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Aufgrund des zwischengeschalteten, plattenförmigen Verstärkungselements 26 wird das flexibel ausgebildete Ventilelement 22 gleichmäßig vom Ventilsitz 20 angehoben.
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In der in 2 dargestellten Stellung kann ein Medium nun über den Eingang 14, durch den Durchgang 18 und über den Ausgang 16 durch das Sitzventil 10 strömen.
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Ferner ist ein Kanalabschnitt 39 im Bereich des Ventilsitzes 20 ausgebildet, der mit dem Ausgang 16 strömungsverbunden und insbesondere oberhalb des Ausgangs 16 angeordnet ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass keine Reste des Mediums im Sitzventil 10 verbleiben, nachdem der Durchfluss durch das Sitzventil 10 wieder gesperrt worden ist. Der Kanalabschnitt 39 ist insbesondere ringförmig ausgebildet.
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In 3 ist ein erfindungsgemäßes Sitzventil 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform in seiner ersten Schaltstellung gezeigt.
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Wie aus der 3 hervorgeht, handelt es sich bei dem Sitzventil 10 um ein NO-Ventil, also ein „Normally Open“-Ventil, sodass seine erste Schaltstellung die Offenstellung des Sitzventils 10 ist.
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Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform, die in den 1 und 2 gezeigt ist, ist der Aktor 24 gemäß der zweiten Ausführungsform nicht als Stapelaktor sondern als Membranaktor ausgebildet, insbesondere als dielektrischer Elastomeraktor.
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Demnach weist der Aktor 24 eine Membranschicht auf, die flexibel ausgebildet ist, wodurch der Aktor 24 einen entsprechenden Verstellhub generieren kann.
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Das Ventilelement 22 ist weiterhin flexibel ausgebildet und wirkt mit dem Verstärkungselement 26 zusammen, welches das Ventilelement 22 versteift. Zudem ist so sichergestellt, dass das Ventilelement 22 gleichmäßig translatorisch verstellt wird.
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Der Aktor 24 ist in dieser Ausführungsform als Membranaktor ausgebildet, der zudem ringförmig ist und eine zentrale Öffnung aufweist. In dieser zentralen Öffnung ist das Ventilelement 22 aufgenommen, welches scheibenförmig ist. Der Aktor 24 umschließt das Ventilelement 22 demnach in seiner Ausgangsstellung im Wesentlichen in einer Ebene wie aus 3 hervorgeht. Das Ventilelement 22 und der Aktor 24 bilden somit zusammen eine integrale Einheit, die als aktive Ventilmembran bezeichnet werden kann, da sie gleichzeitig den Durchfluss des Mediums steuert bzw. regelt und direkt elektrisch angesteuert werden kann.
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Insbesondere kann das Ventilelement 22 mit dem Aktor 24 einstückig ausgebildet sein.
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Der Aktor 24 kann dabei vollflächig und ohne zentrale Öffnung ausgebildet sein, sodass der Aktor 24 und das Ventilelement 22 aus einem einheitlichen Material ausgebildet sind. In diesem Fall kann der Aktor 24, wie oben beschrieben, durch eine Beschichtung oder Folie vor unerwünschten Einflüssen eines Mediums geschützt werden.
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Alternativ können auch weitere geometrische Formen vorgesehen sein, beispielsweise zwei Rechtecke, wobei der Aktor 24 das Ventilelement 22 im Wesentlichen in einer Ebene randseitig umgibt.
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Aus 3 geht ferner hervor, dass der Aktor 24 zumindest teilweise in einer Nut 40 im Flanschbereich 30 des Ventilkörpers 12 angeordnet ist. Der Aktor 24 ist hierzu mit seinem Rand in der Nut 40 angeordnet.
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Insbesondere kann die Nut 40 umlaufend ausgebildet sein, sodass der Aktor 24 mit seinem kompletten Rand in der Nut 40 aufgenommen ist.
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Zudem ist der Aktor 24 randseitig mit einem Rahmen 42 gekoppelt, der als Träger für den flexiblen Membranaktor fungiert. Der Rahmen 42 ist im Flanschbereich 30 des Ventilkörpers 12 angeordnet und liegt zwischen dem Deckel 28 und dem Ventilkörper 12 derart, dass er vom Deckel 28 fixierend gehalten ist. Der Ventilkörper 12 weist insbesondere eine Aufnahmeausnehmung 43 für den Rahmen 42 auf.
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Alternativ können zwei Rahmen 42 vorgesehen sein, zwischen denen der Membranaktor 24 gehalten wird.
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Im Rahmen 42 und somit im Flanschbereich 30 ist zudem der elektrische Anschluss 34 für den Aktor 24 vorgesehen, sodass der Aktor 24 mit einer Spannung beaufschlagt werden kann. Die Spannung wird über den Anschluss 34 an zwei Elektroden (nicht dargestellt) angelegt, zwischen denen die Membranschicht angeordnet ist.
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Des Weiteren unterscheidet sich die zweite Ausführungsform von der ersten Ausführungsform dahingehend, dass eine Feder 44 vorgesehen ist, die sich mit einem Ende am Deckel 28 und mit ihrem anderen End am Verstärkungselement 26 abstützt.
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Das Ventilelement 22 ist von der Feder 44 mechanisch vorgespannt.
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Alternativ oder ergänzend kann die Feder 44 zur Dämpfung der Bewegung des Ventilelements 22 eingesetzt werden, wenn dieses über den Aktor 24 verstellt wird.
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In 4 ist das Sitzventil 10 aus 3 in seiner zweiten Schaltstellung gezeigt, bei der der Aktor 24 mit einer Spannung beaufschlagt ist.
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Die Membranschicht des Aktors 24, die aus einem inkompressiblen Material ausgebildet ist, wird wegen der Spannung in Richtung des elektrischen Feldes gestaucht und dehnt sich aufgrund ihrer Inkompressibilität senkrecht zum elektrischen Feld aus.
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Aufgrund der Vorspannung durch die Feder 44 wird dadurch das Ventilelement 22 translatorisch verstellt, sodass das Ventilelement am Ventilsitz anliegt und diesen verschließt. Die Verstellrichtung des Ventilelements 22 ist senkrecht zur Ebene E des Ventilsitzes 20.
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In der in 4 gezeigten Stellung befindet sich das Sitzventil 10 in einer Schließstellung, sodass ein Durchfluss durch den Durchgang 18 gesperrt ist.
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Wird in dieser Stellung die von außen angelegte Spannung weggenommen, verbleibt das Ventilelement 22 in dieser Stellung, da der Aktor 24 die vormals angelegte Spannung wie ein Kondensator speichert. Lediglich eventuelle Leckströme des Aktors 24 müssen von außen ausgeglichen werden, weshalb ein besonders energieeffizientes Sitzventil 10 geschaffen ist.
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Das Sitzventil 10 wird aus der in 4 gezeigten, angeregten bzw. zweiten Schaltstellung in seine Ausgangsstellung oder seine erste Schaltstellung überführt, indem die Spannung im Aktor 24 aktiv abgebaut wird. Hierdurch wird das elektrische Feld abgebaut, und die inkompressible Membranschicht entspannt sich wieder, so dass sich die Membranschicht "verkürzt". Hierdurch kehrt das Ventilelement 22 entgegen der Wirkung der Feder 44 in die Ausgangsstellung von 3 zurück, und das Ventil ist wieder geöffnet.
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In den 5 und 6 ist eine dritte Ausführungsform des Sitzventils 10 gezeigt, die ähnlich zur zweiten Ausführungsform ausgebildet ist.
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Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dahingehend, dass sowohl der das Ventilelement 22 ringförmig umgebende Aktor 24 als auch das Ventilelement 22 selbst eine Beschichtung 46 aufweisen. Somit ist die gesamte aktive Ventilmembran beschichtet. Die Beschichtung 46 ist auf der vom Deckel 28 wegweisenden Seite des Aktors 24 bzw. des Ventilelements 22 aufgebracht. Demnach ist die Beschichtung 46 auf der Seite des Aktors 24 bzw. des Ventilelements 22 aufgebracht, die zum Medium gerichtet ist, das durch das Sitzventil 10 strömt.
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Bei der Beschichtung 46 kann es sich um eine Schutzschicht handeln, die sowohl den Aktor 24 als auch das Ventilelement 22 vor dem durch das Sitzventil 10 strömenden Medium schützt. Dieses ist insbesondere dann von Vorteil, wenn mit dem erfindungsgemäßen Sitzventil 10 Medien geschaltet werden sollen, die aggressiv sind.
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Die Beschichtung 46 kann generell auch bei den anderen Ausführungsformen vorgesehen sein.
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In 7 ist eine vierte Ausführungsform des Sitzventils 10 gezeigt, bei der das Sitzventil 10 ein NC-Ventil ("normally closed"-Ventil, also im Ausgangszustand geschlossenes Ventil) ist, wie aus der 7 hervorgeht, in der das Sitzventil 10 in seiner ersten Schaltstellung, also der unbestromten Stellung, gezeigt ist.
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In der gezeigten Ausführungsform ist der Deckel 28 zweiteilig ausgebildet, da er ein erstes hülsenartiges Deckelelement 28a sowie ein plattenförmiges Deckelelement 28b aufweist.
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Der Aktor 24 ist ferner in analoger zur zweiten und dritten Ausführungsform als Membranaktor ausgebildet und über seinen Rand mit dem Rahmen 42 gekoppelt, welcher wiederum im Flanschbereich 30 zwischen dem Ventilkörper 12 und dem Deckel 28 angeordnet ist.
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Allerdings ist der Aktor 24 und das Ventilelement 22 im Vergleich zur zweiten und dritten Ausführungsform andersherum orientiert im Sitzventil 10 angeordnet, sodass der Rand des Aktors 24 in einer Nut 40‘ im Deckel 28 angeordnet ist, die insbesondere im hülsenartigen Deckelelement 28a vorgesehen ist.
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Ferner ist in dem plattenförmigen Deckelelement 28b eine Formfeder 48 vorgesehen, die mit dem Verstärkungselement 26 zusammenwirkt, das wiederum am flexiblen Ventilelement 22 angeordnet ist.
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Die Formfeder 48 fungiert als Zugfeder, sodass sie das Ventilelement 22 vom Ventilsitz 20 anhebt, wenn der Aktor 24 mit einer Spannung beaufschlagt ist und sich entsprechend ausdehnt.
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Das Sitzventil 10 wird aus der in 7 dargestellten ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung überführt, welche in 8 dargestellt ist, wenn der Aktor 24 über den elektrischen Anschluss 34 mit einer Spannung beaufschlagt wird, der im Rahmen 42 angeordnet ist.
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Der Aktor 24 dehnt sich daraufhin aus, sodass das mit dem Aktor 24 gekoppelte Ventilelement 22 von der als Zugfeder ausgebildeten Formfeder 48 vom Ventilsitz 20 translatorisch angehoben wird.
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In 9 ist ein Schnitt durch das plattenförmige Deckelelement 28b dargestellt, um die Ausbildung der Formfeder 48 zu verdeutlichen.
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In den 10 und 11 ist eine fünfte Ausführungsform des Sitzventils 10 beispielhaft gezeigt.
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Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Aktor 24, der als Membranaktor ausgebildet ist und mit seinem Rand an dem Rahmen 42 angeordnet ist, in zwei unterschiedlichen Einbaupositionen im Sitzventil 10 eingebaut werden kann. Demnach kann das Sitzventil 10 durch ein einfaches Drehen des Aktors 24 von einem NO-Ventil zu einem NC-Ventil umgebaut werden.
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Dies ist dadurch möglich, dass ein Ringelement 50 vorgesehen ist, das als Abstandselement dient. Das Ringelement 50 wird je nach Einbauposition des Aktors 24 bzw. des Rahmens 42 zwischen dem Ventilkörper 12 und dem Rahmen 42 angeordnet (10) oder zwischen dem Rahmen 42 und dem Deckel 28 (11).
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Der Ventilkörper 12 weist hierzu eine entsprechende Aufnahme 52 auf, um sowohl den Rahmen 42 als auch den Ringkörper 50 aufzunehmen. Die Aufnahme 52 bildet zudem zumindest teilweise einen seitlichen Anschlag für den Rahmen 42 und den Ringkörper 50, sodass eine Bewegung in Radialrichtung verhindert ist. Die Aufnahme 52 kann dazu insbesondere teilkreisförmig ausgebildet sein.
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Ausgehend von der in 10 gezeigten Einbauposition, wird der Deckel 28 vom Flanschbereich 30 des Ventilkörpers 12 gelöst. Anschließend kann der Aktor 24 samt dem Rahmen 42 sowie das Ringelement 50 aus dem Sitzventil 10 entnommen und um 180° gedreht werden. Nach der Drehung kann der Aktor 24 mit dem Rahmen 42 sowie das Ringelement 50 wieder im Flanschbereich 30 in den Ventilkörper 12 eingesetzt werden. Der Rahmen 42 mit dem Aktor 24 sowie das Ringelement 50 können hierzu eine Vormontageeinheit bilden, sodass deren Relativpositionen eindeutig festgelegt sind.
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Anschließend wird der Deckel 28 auf den Flanschbereich 30 gesetzt, sodass das Sitzventil 10 wieder verschlossen ist. Der Aktor 24 befindet sich dann in der zweiten Einbauposition (siehe 11).
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In den 10 und 11 ist das Sitzventil 10 jeweils im nichtbestromten Zustand gezeigt, woraus hervorgeht, dass das Sitzventil 10 schnell und einfach von einem NC-Ventil (10) zu einem NO-Ventil (11) umgebaut werden kann.
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Hierzu muss allerdings auch die Feder 44 gewechselt werden, wobei im konkreten Beispiel die Druckfeder (10) durch eine Zugfeder (11) ersetzt werden muss. Dies kann entweder dadurch geschehen, dass ein Deckel 28 mit Zugfeder anstellte eines Deckels 28 mit Druckfeder für die zweite Einbauposition vorgesehen ist oder dadurch, dass derselbe Deckel 28 verwendet wird und nur die Feder 44 ausgetauscht wird.
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Diese Ausführungsform wurde am Beispiel eines Sitzventils 10 gezeigt, das ähnlich zur zweiten Ausführungsform ausgebildet ist. Generell ist dies jedoch auch mit den anderen Ausführungsformen möglich, insbesondere der dritten und der vierten Ausführungsform des Sitzventils 10.
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Das erfindungsgemäße Sitzventil 10 kann aufgrund des elektroaktiven Polymeraktors ohne ferromagnetische Bauteile ausgebildet sein, wodurch sich das Sitzventil 10 für Hochmagnetfeldanwendungen wie MRT eignet. Hierzu sind der Ventilkörper 12 sowie der Deckel 28 aus einem nichtferromagnetischen Material hergestellt, beispielsweise aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Spritzgussmaterial.
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Des Weiteren kann die Feder 44 ebenfalls aus einem nichtferromagnetischen Material hergestellt sein.
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Das Ventilelement 22 kann generell aus einem Elastomermaterial ausgebildet sein, sodass es sich um eine Elastomerdichtung handelt.
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Erfindungsgemäß ist somit ein Sitzventil 10 geschaffen, das eine besonders geringe Energieaufnahme aufweist und zudem für Anwendungen bei starken Magnetfeldern geeignet ist.
