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Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Ventil sowie eine Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes, welche ein oder mehrere pneumatische Ventile umfasst.
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In eine Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten werden zur Steuerung von Luftströmen pneumatische Ventile verwendet. Beispielsweise kommen pneumatische Ventile in Verkehrsmitteln zur Sitzverstellung zum Einsatz. Dabei werden die Ventile zur Steuerung der Befüllung von elastischen Luftblasen zur Formung von Sitzkonturen genutzt.
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Zur Betätigung von pneumatischen Ventilen werden u.a. sog. SMA-Elemente aus einer Formgedächtnislegierung, wie z.B. einer NiTi-Legierung, verwendet (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.
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Um den Bauraum sowie die Herstellungskosten von pneumatischen Ventilen zu reduzieren, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Ansätze bekannt.
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In dem Dokument
DE 10 2013 220 557 A1 ist eine elektromagnetische Ventilanordnung mit zumindest einem Ventil beschrieben, wobei ein kompakter Bauraum des Ventils dadurch erreicht werden kann, dass eine Längsachse der Spule eines elektromagnetischen Stellelements und eine Längsachse des Ventils im senkrechten Winkel zueinander angeordnet sind.
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In dem Dokument
EP 2 361 800 B1 ist eine pneumatische Einstellvorrichtung für einen Sitz mit einer Ventilanordnung beschrieben, wobei eine Fluiddruckquelle und die Ventilanordnung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Die Ventilanordnung dieses Dokuments zeigt ferner 3/2-Schaltventile mit vorgelagerten Rückschlagventilen. Die Schaltventile und Rückschlagventile sind dabei eigenständige Komponenten, die durch zusätzliche Verbindungsbauteile miteinander gekoppelt werden.
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In dem Dokument
DE 103 59 293 A1 ist eine Ventilanordnung, insbesondere zur Einstellung der Heizmittel-/Kühlmittelströmung in einem Kraftfahrzeug, offenbart, umfassend ein erstes Ventilorgan, das in Abhängigkeit von einer zwischen einer ersten Leitung und einer zweiten Leitung vorherrschenden Druckdifferenz zwischen einer ersten Verbindungsstellung und einer zweiten Verbindungsstellung verstellbar ist, sowie ein zweites Ventilorgan, das temperaturabhängig die Durchströmbarkeit des ersten Ventilorgans verändert.
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Aus dem Dokument
DE 44 46 152 A1 ist ein nach Art eines Heizkörpers wirkender Wärmetauscher offenbart, der über einen fluidischen Wärmeträgerkreislauf, insbesondere Wasserkreislauf, thermisch mit einer ersten Wärmequelle und/oder einer zweiten Wärmequelle thermisch gekoppelt werden kann. Durch thermische Stellelemente kann bei der Steuerung des Wärmeträgerkreislaufes zusätzlich zu anderen Parametern auch die Temperatur der ersten Wärmequelle berücksichtigt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein pneumatisches Ventil mit Aktor und integriertem Rückschlagventil zu schaffen, das kompakt aufgebaut ist und kostengünstig hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch das pneumatische Ventil gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Das erfindungsgemäße pneumatische Ventil umfasst eine Luftkammer mit einem Zufuhranschluss zur Zufuhr von Druckluft in die Luftkammer und einem oder mehreren Abfuhranschlüssen zur Abfuhr von Druckluft aus der Luftkammer. Ferner ist in dem Ventil ein Aktor mit einem beweglichen Schließelement und mit einem SMA-Element aus einer Formgedächtnislegierung (z.B. einer NiTi-Legierung) vorgesehen, wobei sich das SMA-Element durch Zufuhr von elektrischem Heizstrom verformt und hierdurch eine Aktivierung des Aktors durch Bewegung des Schließelements bewirkt. Bei aktiviertem Aktor ist das Schließelement in einer Sperrstellung angeordnet, in der die Zufuhr von Druckluft über den Zufuhranschluss gesperrt ist. Bei deaktiviertem Aktor (d.h. ohne Zufuhr von Heizstrom) ist das Schließelement in einer Freigabestellung angeordnet, in der die Zufuhr von Druckluft über den Zufuhranschluss ermöglicht ist.
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Der Aktor des erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils ist derart ausgestaltet, dass das Schließelement bei Deaktivieren des Aktors mittels einer Rückstellkraft in die Freigabestellung bewegt wird. Am Zufuhranschluss ist ferner ein Rückschlagventil mit einem elastischen Mittel vorgesehen, wobei die elastische Kraft des elastischen Mittels in der Freigabestellung des Schließelements einen Rückfluss von Druckluft aus der Luftkammer in den Zufuhranschluss bei fehlender Zufuhr von Druckluft am Zufuhranschluss verhindert. Vorzugsweise ist in diesem Ventil der durch den Aktor ausgeübte Druck auf den Zufuhranschluss in der Sperrstellung höher und insbesondere deutlich höher als der in der Freigabestellung durch das Rückschlagventil ausgeübte Druck, der dem Öffnungsdruck des Rückschlagventils entspricht.
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Das erfindungsgemäße pneumatische Ventil zeichnet sich dadurch aus, dass die Rückstellkraft zur Bewegung des Schließelements in die Freigabestellung durch das elastische Mittel des Rückschlagventils erzeugt wird. Mit anderen Worten übernimmt das elastische Mittel eine Doppelfunktion, indem es sowohl die Rückstellkraft des Aktors als auch die elastische Kraft des Rückschlagventils erzeugt. Dies gewährleistet einen kompakten Aufbau mit geringen Kosten, da nur noch ein einzelnes elastisches Mittel für zwei Funktionen benötigt wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Ventil einen ersten und einen zweiten Abfuhranschluss, wobei in der Freigabestellung des Schließelements bei Zufuhr von Druckluft ein Durchfluss der Druckluft von dem Zufuhranschluss zu dem ersten Abfuhranschluss ermöglicht wird und gleichzeitig eine Sperrung des zweiten Abfuhranschlusses bewirkt wird. Demgegenüber wird in der Sperrstellung des Schließelements eine Verbindung zwischen dem ersten Abfuhranschluss und dem zweiten Abfuhranschluss über die Luftkammer hergestellt. Vorzugsweise stellt der erste Abfuhranschluss dabei einen Abfuhranschluss hin zu einem pneumatischen Verbraucher, wie z.B. einer Luftblase, dar. Demgegenüber ist der zweite Abfuhranschluss vorzugsweise ein Entlüftungsanschluss. Mittels dieser Variante der Erfindung wird eine einfache Realisierung eines 3/2-Schaltventils ermöglicht.
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In einer bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform ist der Querschnitt des Zufuhranschlusses größer und vorzugsweise mindestens doppelt so groß wie der Querschnitt des zweiten Abfuhranschlusses. Durch den großen Querschnitt wird die Öffnungskraft über Druckluft am Zufuhranschluss erhöht und damit ein einfaches Öffnen des Zufuhranschlusses in der Freigabestellung erreicht. Demgegenüber wird aufgrund des kleinen Querschnitts des zweiten Abfuhranschlusses ein ruckartiges Öffnen dieses zweiten Abfuhranschlusses vermieden. Hierdurch wird die Geräuschentwicklung beim Entlüften gering gehalten, sofern der zweite Abfuhranschluss als Entlüftungsanschluss fungiert.
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In einer weiteren Variante umfasst das elastische Mittel des Rückschlagventils zumindest eine Feder und diese Feder ist vorzugsweise eine Schrauben- bzw. Spiralfeder und/oder eine Blattfeder.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils hat das Schließelement des Aktors auch die Funktion eines Schließbauteils des Rückschlagventils, wobei in der Freigabestellung das Schließelement in seiner Funktion als Schließbauteil den Zufuhranschluss bei fehlender Zufuhr von Luftdruck am Zufuhranschluss sperrt und bei Zufuhr von Druckluft öffnet. Durch die Funktion des Schließelements sowohl als Bestandteil des Aktors als auch Bestandteil des Rückschlagventils wird ein besonders kompakter Aufbau des pneumatischen Ventils erreicht.
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In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Schließelement eine verkippbare Ventilklappe, welche bei deaktiviertem Aktor und ohne Zufuhr von Druckluft am Zufuhranschluss in einer vorgegebenen Lage angeordnet ist. Demgegenüber ist die Ventilklappe bei aktiviertem Aktor um eine erste Achse gegenüber der vorgegebenen Lage verkippt, wodurch eine Dichtfläche der Ventilklappe gegen einen Dichtsitz des Zufuhranschlusses drückt. Im Unterschied hierzu ist die Ventilklappe bei deaktiviertem Aktor und gleichzeitiger Zufuhr von Druckluft am Zufuhranschluss um eine zweite Achse gegenüber der vorgegebenen Lage verkippt, wodurch die Dichtfläche von dem Dichtsitz des Zufuhranschlusses abgehoben ist. Die Drehrichtung der Verkippung um die erste Achse ist entgegengesetzt zur Drehrichtung der Verkippung um die zweite Achse. Die zweite Achse ist eine andere Achse als die erste Achse. Beide Achsen verlaufen vorzugsweise parallel zueinander. Ferner ist die erste Achse vorzugsweise an einem Ende der Ventilklappe angeordnet, das dem Zufuhranschluss gegenüberliegt. Durch die soeben beschriebene Ausführungsform wird eine einfache konstruktive Realisierung der Ventilbetätigung nach Art einer Wippe erreicht.
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In einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung, in der neben der oben beschriebenen verkippbaren Ventilklappe auch ein erster und ein zweiter Abfuhranschluss vorgesehen sind, drückt sowohl in der vorgegebenen Lage der Ventilklappe als auch bei der Verkippung der Ventilklappe um die zweite Achse eine weitere Dichtfläche der Ventilklappe an einen Dichtsitz des zweiten Abfuhranschlusses. Demgegenüber ist bei der Verkippung der Ventilklappe um die erste Achse das weitere Dichtelement von dem Dichtsitz des zweiten Abfuhranschlusses abgehoben. Auf diese Weise kann die Ventilklappe das Öffnen und Schließen sowohl des Zufuhranschlusses als auch des zweiten Abfuhranschlusses bewirken. Vorzugsweise ist die zweite Achse dabei an einem Ende der Ventilklappe angeordnet, das dem zweiten Abfuhranschluss gegenüberliegt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Krafteintrag des elastischen Mittels in die Ventilklappe an einer Position zwischen der ersten und zweiten Achse, wobei die Position vorzugsweise einen geringeren Abstand zur zweiten Achse als zur ersten Achse aufweist. Durch den größeren Hebel hin zu ersten Achse kann eine geringere Schließkraft des Rückschlagventils erreicht werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird ein Hub des SMA-Elements, der durch dessen Verformung bewirkt wird, in einen Hub des Schließelements gewandelt, der größer als der Hub des SMA-Elements ist. Demzufolge wird zur Betätigung des Ventils eine geringere Verformung des SMA-Elements benötigt, wodurch dessen Lebensdauer erhöht wird. Die Vergrößerung des Hubs wird vorzugsweise über eine Hebelanordnung erreicht.
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In einer besonders bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform ist der Hub des Schließelements und insbesondere der obigen Ventilklappe gegenüber dem Hub des SMA-Elements umgelenkt. Vorzugsweise liegt der Winkel, um den der Hub des Schließelements gegenüber dem Hub des SMA-Elements umgelenkt wird, zwischen 50° und 130°, insbesondere zwischen 70° und 100° und besonders bevorzugt bei 90°, wobei sich die angegebenen Winkel auf den kleineren Winkel zwischen den Richtungen der beiden Hübe beziehen. Hierdurch kann ein kompakter Aufbau des erfindungsgemäßen Ventils erreicht werden.
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In einer weiteren, besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Ventils ist das SMA-Element ein Draht, der sich vorzugsweise im Wesentlichen in einer Ebene erstreckt. Der Draht wird durch Zufuhr des elektrischen Heizstroms kontrahiert und bewirkt hierdurch eine Bewegung des Schließelements. Nichtsdestotrotz besteht auch die Möglichkeit, dass das SMA-Element eine andere Form aufweist, z.B. kann es ggf. auch als eine Feder, wie z.B. als Spiralfeder, ausgestaltet sein.
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Wird als SMA-Element ein sich in einer Ebene erstreckender Draht verwendet, verläuft dieser Draht vorzugsweise im Wesentlichen parallel zum Schließelement (vorzugsweise zur Ventilklappe) in einem vorgegebenen Abstand von diesem. Über diesen vorgegebenen Abstand kann ein kurzer Hebel zum Angriff des SMA-Elements erreicht werden, um hierdurch den Hub zu vergrößern.
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In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform weist der das SMA-Element bildende Draht zwei gerade verlaufende Abschnitte mit einem dazwischen liegenden gebogenen Abschnitt auf, wobei der Hub des Drahts über den gebogenen Abschnitt auf das Schließelement übertragen wird. Vorzugsweise dreht der gebogene Abschnitt die Erstreckungsrichtung des Drahts um 180°. Der gebogene Abschnitt kann z.B. an einem Vorsprung des Schließelements angreifen. Mit dieser Variante der Erfindung wird eine einfache mechanische Kopplung des Drahts an das Schließelement gewährleistet.
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Neben dem oben beschriebenen Ventil betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes in einem Verkehrsmittel, wobei die Vorrichtung mehrere Luftblasen umfasst, durch deren Befüllen und Entleeren die Verstellung des Sitzes bewirkt wird. Jeder Luftblase ist ein getrennt schaltbares erfindungsgemäßes Ventil zugeordnet, wobei alle Ventile über ihren jeweiligen Zufuhranschluss an eine gemeinsame Druckluftzufuhr angeschlossen sind und jede Luftblase mit einem Abfuhranschluss des ihr zugeordneten Ventils verbunden ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die obige pneumatische Sitzverstellung mit der oben beschriebenen Variante des erfindungsgemäßen Ventils kombiniert, welche einen ersten und einen zweiten Abfuhranschluss umfasst. Dabei ist der erste Abfuhranschluss ein Arbeitsanschluss, an dem eine jeweilige Luftblase zum Befüllen mit Druckluft aus der Druckluftzufuhr angeschlossen ist. Demgegenüber ist der zweite Abfuhranschluss ein Entlüftungsanschluss zum Entlüften der jeweiligen Luftblase. In dieser Sitzverstellung kann bei entsprechender Auslegung der Ventile ein Teil der Ventile in die Sperrstellung (d.h. die Entlüftungsstellung) geschaltet werden, wohingegen ein anderer Teil der Ventile befüllt wird.
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In einer bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform ist der Aktor jedes Ventils derart ausgestaltet, dass der Aktor in der Sperrstellung des Schließelements einen Druck auf den Zufuhranschluss ausübt, der um den maximal zulässigen Befülldruck der Luftblasen im Vergleich zum Druck auf den Zufuhranschluss erhöht ist, den das Rückschlagventil auf den Zufuhranschluss in der Freigabestellung des Schließelements bei fehlender Zufuhr von Druckluft am Zufuhranschluss ausübt. In einer Schaltstellung, in der ein Teil der Luftblasen befüllt wird und zumindest eine Luftblase entlüftet wird, kann mit dieser Variante durch das Ventil der gerade entlüfteten Luftblase ein Überdruckventil bzw. Druckbegrenzungsventil geschaffen werden. Überschreitet der Befülldruck der Luftblasen nämlich den maximal zulässigen Befülldruck, geht das Ventil der entlüfteten Luftblase in die Freigabestellung über und verhindert somit ein Bersten der gerade befüllten Luftblasen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 ein Schaltdiagramm einer pneumatischen Sitzverstellung, in der erfindungsgemäße Ventile verwendet werden;
- 2 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils in der Freigabestellung ohne Zufuhr von Druckluft;
- 3 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf das Ventil der 2;
- 4 eine Schnittansicht des Ventils aus 2 in der Freigabestellung bei Zufuhr von Druckluft;
- 5 eine Schnittansicht des Ventils aus 2 in der Sperrstellung;
- 6 eine Draufsicht auf die Blattfeder des in 2 bis 5 gezeigten Ventils; und
- 7 eine Detailansicht der Ventilklappe des Ventils aus 2 bis 5.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines pneumatischen Ventils erläutert, welches in einer Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes in einem Kraftfahrzeug mittels Luftblasen verwendet wird. Nichtsdestotrotz kann das erfindungsgemäße Ventil auch in beliebigen anderen pneumatischen Anwendungen zum Einsatz kommen.
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1 zeigt ein Schaltdiagramm einer entsprechenden pneumatischen Sitzverstellung eines Kraftfahrzeugsitzes. Die pneumatische Sitzverstellung enthält eine Druckluftzufuhr 2 in der Form eines Kompressors, der über Druckluftleitungen und zwischengeschaltete Ventile 1 mit zwei Luftblasen 3 und 4 verbunden ist. Die Luftblasen sind dabei in dem Kraftfahrzeugsitz integriert und dienen beispielsweise als Lordosenstütze. Jedes Ventil 1 umfasst ein Rückschlagventil 5 sowie ein weiteres 3/2-Ventil mit einem Zuluftanschluss 6, einem zur Luftblase führenden Arbeitsanschluss 7 sowie einem Entlüftungsanschluss 8. In dem Entlüftungsanschluss ist dabei ein Dämpfer 9 integriert. Der in 1 gezeigte pneumatische Aufbau ist zwar an sich bekannt, jedoch werden die Funktionalitäten des Rückschlagventils und des 3/2-Ventils nunmehr auf spezielle Art und Weise in einem einzelnen pneumatischen Ventil 1 integriert, wie weiter unten näher erläutert wird.
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In der pneumatischen Sitzverstellung der 1 können die beiden 3/2-Ventile separat voneinander geschaltet werden. In der Sperrstellung des jeweiligen 3/2-Ventils, in der die Luftblase 3 bzw. 4 entlüftet wird, wird durch dieses Ventil ein Druck auf den Zuluftanschluss 6 ausgeübt, der höher ist als der Druck, den das Rückschlagventil 5 gegen die Druckluft der Druckluftzufuhr 2 ausübt, wenn sich das 3/2-Ventil in der Freigabestellung befindet, d.h. wenn der Zuluftanschluss 6 mit dem Arbeitsanschluss 7 verbunden ist.
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Durch diese Wahl der Drücke wird erreicht, dass eine Luftblase befüllt werden kann, während die andere Luftblase entlüftet wird. Hierzu wird das 3/2-Ventil der zu befüllenden Luftblase in die Freigabestellung geschaltet, was zur Druckluftzufuhr zur Luftblase durch Überwindung der Schließkraft des Rückschlagventils führt. Demgegenüber befindet sich das 3/2-Ventil der zu entlüftenden Luftblase in der Sperrstellung, welche sich dadurch auszeichnet, dass die Druckluft der Druckluftzufuhr das 3/2-Ventil nicht öffnen kann, sofern ein vorgegebener maximaler Befülldruck nicht überschritten wird. Demzufolge kann der Entlüftungsvorgang der entsprechenden Luftblase parallel zum Befüllvorgang der anderen Luftblase ablaufen.
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils 1 erläutert, welches in der Sitzverstellung der 1 zum Einsatz kommen kann. Dabei wird die Funktion des 3/2-Ventils in der Schaltanordnung der 1 mittels eines SMA-Aktors erreicht, der einen SMA-Draht aus einer Formgedächtnislegierung umfasst. Dieser Draht wird durch Zufuhr von Heizstrom kontrahiert und bewirkt hierdurch die Aktivierung des SMA-Aktors.
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Gemäß der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform der 2 bis 7 umfasst das pneumatische Ventil 1 ein luftdichtes Gehäuse, durch das eine Luftkammer 10 gebildet wird. Das Gehäuse umfasst ein Bodenteil 12, in das eine Grundplatte 11 eingesetzt ist, welche in 1 schraffiert dargestellt ist. Darüber hinaus umfasst das Gehäuse einen Deckel 13, der die Grundplatte 11 von oben abdeckt. Der Deckel 13 kann mit der Grundplatte 11 verklebt oder verschweißt sein. Die Grundplatte besitzt umlaufende Wände und enthält einen senkrecht zur Blattebene der 2 verlaufenden Luftkanal 18, der zu einem Anschluss 28 (siehe 3) führt. Dieser Anschluss wird über eine entsprechende Leitung mit einer Druckluftzufuhr, wie z.B. der Druckluftzufuhr 2 aus 1, verbunden. An der Oberseite des Luftkanals 18 befindet sich ein Luftanschluss 6 in der Form einer zylindrischen Öffnung, wobei der Rand der Öffnung einen Dichtsitz 6a bildet.
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Durch die Grundplatte 11 wird der Innenraum des Ventils in die bereits erwähnte Luftkammer 10 sowie in einen von der Luftkammer separierten Bereich aufgeteilt, in dem sich eine Leiterplatte 22 mit elektronischen Bauteilen befindet. Die Luftkammer 10 ist gegenüber der Ventilumgebung und dem Bereich, der die Leiterplatte 22 enthält, druckdicht abgeschlossen. Die Leiterplatte ist somit gegenüber den durch die Luftkammer 10 geführten Luftstrom geschützt. Die Grundplatte 11 des Ventils der 2 enthält ferner den Arbeitsanschluss 7, an dem eine entsprechende Luftblase zu deren Befüllen angeschlossen wird. Darüber hinaus ist ein Entlüftungsanschluss 8 in der Form einer vertikal verlaufenden Bohrung vorgesehen, wobei der obere Rand der Bohrung einen Dichtsitz 8a bildet. Der Entlüftungsanschluss 8 führt über den Dämpfer 9 und einer entsprechenden (nicht gezeigten) Öffnung in dem Bodenteil 12 nach außen, um Druckluft aus der ausgeschlossenen Luftblase abzuführen.
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Der Aktor des Ventils der 2 ist ein sog. SMA-Aktor, der einen SMA-Draht 21 aus einer an sich bekannten Formgedächtnislegierung umfasst. Dieser Draht verläuft in der Darstellung der 2 in horizontaler Richtung. Der Draht 21 ist an der Grundplatte 11 durch Crimpen mittels metallischer Crimp-Elemente 23 befestigt. Die genaue Crimp-Verbindung ist dabei für die Erfindung nicht wesentlich und ist somit in 2 bis 5 nicht im Detail wiedergegeben. Über Kontaktpins 24 wird dem SMA-Draht 21 elektrischer Heizstrom zugeführt. Die Kontaktpins 24 sind hierzu mit der Leiterplatte 22 im unteren Bereich des Gehäuses verbunden. Über entsprechende elektronische Bauteile auf der Leiterplatte 22 wird dabei die Zufuhr der elektrischen Heizleistung zu dem SMA-Draht 21 gesteuert, wobei die Spannung zur Zufuhr der Heizleistung z.B. vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs stammt.
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Die Kontaktpins 24 werden über entsprechende Durchführungen in der Grundplatte 11 geführt. Die Grundplatte besitzt dabei auch die Aufgabe, die durchgeführten Kontaktpins abzudichten. Dies kann durch Einspritzen der entsprechenden Pins, durch Einpressen (ggf. durch eine elastische Dichtung hindurch) oder durch Verkleben dieser Pins geschehen. Da die elektronischen Bauteile des Ventils auf der separaten Leiterplatte 22 sitzen, benötigt die Grundplatte 11 keine elektrischen Leiterbahnen, so dass sie aus Kunststoff gefertigt werden kann. Insbesondere stellt sie ein Spritzgussbauteil dar, wodurch die integrale Ausbildung der Luftanschlüsse 6, 7 und 8 in der Grundplatte ermöglicht wird. Als Material für die Grundplatte wird vorzugsweise ein verzugsarmer und verwindungssteifer Kunststoff verwendet, ggf. kann im Bereich der Dichtsitze der einzelnen Luftanschlüsse auch ein Einsatz vorgesehen sein oder der Kunststoff an diesen Stellen aus einem anderen Material gebildet sein. Zum Beispiel kann der Bereich die Dichtsitze aus einem Kunststoff ohne Faserverstärkung hergestellt werden, wohingegen der Rest der Grundplatte solche Fasern zur Erhöhung ihrer Stabilität enthält. Durch die Verwendung von nicht verstärktem Kunststoff im Bereich der Dichtsitze kann die Abdichtung bei verschlossenen Anschlüssen verbessert werden.
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Der SMA-Aktor umfasst neben dem SMA-Draht 21 eine Ventilklappe 14, die einen Ventilkörper 15, eine metallische Blattfeder 16 sowie zwei Dichtpads bzw. Dichtelemente 17a und 17b zur Abdichtung der Luftanschlüsse 6 bzw. 8 umfasst. Die Blattfeder wird dabei in einer Hinterschneidung 27 am linken Ende des Ventilkörpers 15 gehalten. Die Dichtelemente 17a und 17b sind an der Unterseite der Blattfeder 16 angebracht. Die Blattfeder 16 liegt im Bereich der Dichtelemente 17a und 17b mit ihrer Oberseite an jeweilige zylindrische Wölbungen 15a und 15b des Ventilkörpers 15 an. Auf der Oberseite des Ventilkörpers 15 ist ferner ein Umlenkelement 19 in der Form eines halbkreisförmigen Vorsprungs mit darin integrierter Rille 19a vorgesehen, wobei in der Rille der SMA-Draht 21 aufgenommen ist. Darüber hinaus steht aus der Oberseite des Ventilkörpers 15 ein kreuzförmiger Vorsprung 25 hervor, der zur Führung einer Schrauben- bzw. Spiralfeder 20 dient, die zwischen der Oberseite des Ventilkörpers 15 und der Unterseite des Deckels 13 angeordnet ist.
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In der Grundplatte 11 sind ferner zwei vertikal verlaufende Dorne 26 ausgebildet, welche in entsprechende Öffnungen 16a der Blattfeder 16 eingesetzt sind, wie aus der Ansicht der 3 ersichtlich wird. Die Dorne bewirken eine Führung der Ventilklappe 14 in vertikaler Richtung. Über die Blattfeder 16 wird dabei eine Verkippung der Ventilklappe 14 um zwei imaginäre Achsen A1 und A2 ermöglicht. Diese Achsen verlaufen in der Darstellung der 2 senkrecht zur Blattebene. Die Achse A1 ist gegenüberliegend zu dem Zuluftanschluss 6 angeordnet, wohingegen die Achse A2 gegenüberliegend zum Entlüftungsanschluss 8 positioniert ist. Die beiden Achsen A1 und A2 sind parallel zueinander. Durch den beschriebenen Aufbau wird eine Ventilbetätigung nach Art einer Wippe bewirkt, welche je nach Ventilstellung eine Verkippung um die imaginäre Achse A1 oder die imaginäre Achse A2 ermöglicht, wie weiter unten noch näher erläutert wird.
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Aus der Schnittansicht der 3 ergibt sich die Führung des SMA-Drahts 21. Wie man erkennt, ist der Draht an seinen rechten Enden über jeweilige Crimp-Elemente 23 am Gehäuse befestigt. Der Draht erstreckt sich in 3 ausgehend von einem oberen Crimp-Element 23 und einem oberen Kontaktpin 24 zunächst als gerader Abschnitt 21a in Richtung hin zu der Ventilklappe. Dort wird er als gebogener Abschnitt 21b in der Rille 19a der Umlenkung 19 herumgeführt. Anschließend mündet der Draht wieder in einen geraden Abschnitt 21c, der zu einem weiteren Crimp-Element 23 und einem entsprechenden Kontaktpin 24 führt. Die Umlenkung 19 ist integraler Bestandteil des aus Kunststoff bestehenden Ventilkörpers 15. Wie bereits erwähnt, befindet sich um den kreuzförmigen Vorsprung 25 eine Spiralfeder 20, welche die Ventilklappe nach unten vorspannt. Aus 3 erkennt man ferner, dass die Breite der Blattfeder 16 größer als die Breite des Ventilkörpers 15 ist. Die beiden Öffnungen 16a sind dabei an einem Randbereich der Blattfeder ausgebildet, der nicht von dem Ventilkörper abgedeckt ist.
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Der genaue Aufbau der Blattfeder 16 ist nochmals aus 6 ersichtlich, welche die Blattfeder in Alleinstellung als Draufsicht zeigt. Wie man erkennt, umfasst die Blattfeder einen U-förmigen Abschnitt 16b, wobei die Öffnungen 16a an den jeweiligen Enden des U-förmigen Abschnitts 16b ausgebildet sind. Der U-förmige Abschnitt ist über einen Steg 16c mit einem geraden Abschnitt 16d verbunden. In 6 sind ferner die Positionen der Dichtelemente 17a und 17b angedeutet. Wie man erkennt, ist das Dichtelement 17a mittig auf dem geraden Abschnitt 16d angeordnet, während sich das Dichtelement 17b am unteren Ende des U-förmigen Abschnitts 16b befindet. Mittels der in 6 dargestellten Formgebung wird eine geeignete Biegung der metallischen Blattfeder ermöglicht, wie im Folgenden noch näher beschrieben wird.
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Ein wesentlicher Aspekt der hier beschriebenen Ausführungsform besteht darin, dass die Ventilklappe 14 mit der Blattfeder 16 sowie die Spiralfeder 20 neben der Funktion des Öffnens und Sperrens der Luftanschlüsse 6 und 8 auch die Funktion eines Rückschlagventils 5 für den Zuluftanschluss 6 übernehmen. Die Spiralfeder 20 in Kombination mit der Blattfeder 16 stellt dabei eine Ausführungsform eines elastischen Mittels des Rückschlagventils im Sinne des Anspruchs 1 dar. Die elastische Kraft dieses elastischen Mittels wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel hauptsächlich durch die Spiralfeder 20 und nur zu einem sehr geringen Anteil durch die Blattfeder 16 bewirkt. In abgewandelten Ausgestaltungen kann die Funktion des elastischen Mittels auch nur rein durch die Spiralfeder 20 bewirkt werden, wobei in diesem Fall auf die Blattfeder verzichtet werden kann. Dabei muss jedoch sichergestellt werden, dass eine geeignete Verkippung der Ventilklappe durch entsprechendes Spiel gewährleistet ist. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass die Funktion des elastischen Mittels nur durch die Blattfeder 16 bewirkt wird. In diesem Fall muss durch geeignete Vorbiegung der Blattfeder sichergestellt werden, dass eine ausreichend große elastische Kraft für das Rückschlagventil bereitgestellt wird.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise des Ventils anhand der 2, 4, 5 und 7 beschrieben. 2 zeigt die Freigabestellung des Ventils ohne Zufuhr von Druckluft über den Luftkanal 18. In dieser Freigabestellung wird dem SMA-Draht kein Heizstrom zugeführt, d.h. der Aktor ist im deaktivierten Zustand. In dieser Schaltstellung ist der Entlüftungsanschluss 8 über das Dichtelement 17b geschlossen. Das Dichtelement 17b wird dabei mittels der Federkraft der Spiralfeder 20 gegen den Dichtsitz 8a gedrückt. Gleichzeitig übt die Spiralfeder 20 auch einen Druck auf das Dichtelement 17a aus, der jedoch geringer ist als der Druck auf das Dichtelement 17b. Dies ist nochmals aus den in 7 wiedergegebenen Hebelverhältnissen ersichtlich.
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In 7 ist die Ventilklappe 14 zusammen mit der Spiralfeder 20 im Detail gezeigt. Durch den Kreis C1 ist dabei der Angriffspunkt des SMA-Drahts 21 an der Umlenkung 19 hervorgehoben. Analog ist durch den Kreis C2 die Anlenkung des Hebelarms bei der Verkippung um die Achse A2 wiedergegeben. Der Hebelarm bei der Drehung um die Achse A2 weist dabei die Länge L auf. Demgegenüber hat der Hebelarm in vertikaler Richtung eine wesentlich geringere Länge, die durch die Höhe H zwischen dem Kreis C1 und der Unterseite der Ventilklappe 14 gegeben ist. Dies führt zu einer deutlichen Vergrößerung des Hubs bei Aktivierung des SMA-Aktors, wie weiter unten noch näher erläutert wird.
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Aus 7 wird ferner ersichtlich, dass der Krafteintrag der Spiralfeder 20 einen Abstand L1 vom Mittelpunkt des Dichtelements 17b und einen Abstand L2 vom Mittelpunkt des Dichtelements 17a hat, wobei L1 deutlich kleiner als L2 ist. Dies hat zur Folge, dass die in der Schaltstellung der 2 auf den Dichtsitz 8a wirkende Kraft deutlich größer ist als die auf den Dichtsitz 6a wirkende Kraft. Diese Kraftaufteilung ist auch erwünscht, denn in der Schaltstellung der 2 fungiert die Ventilklappe 14 als Rückschlagventil, welches ein Anheben des Dichtelements 17a bei Zufuhr von Druckluft am Zuluftanschluss 6 zulassen soll und lediglich einen Rückfluss von Druckluft von dem Arbeitsanschluss 7 zum Zuluftanschluss 6 bei Beendigung der Druckluftzufuhr verhindern soll.
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4 zeigt die Freigabestellung des Ventils aus 2, wobei nunmehr jedoch über den Luftkanal 18 Druckluft zu dem Zuluftanschluss 6 geführt wird. Aufgrund des Krafteintrags der Spiralfeder 20 mit einem relativ großen Abstand zum Dichtelement 17a wird bei geringem Druck eine Verkippung der Ventilklappe 14 um die imaginäre Achse A2 und damit ein Eindringen von Druckluft in die Luftkammer 10 bewirkt, wie durch die Pfeile P angedeutet ist. Gleichzeitig wird der Entlüftungsanschluss 8 über das Dichtelement 17b verschlossen. In der Schaltstellung der 4 wird somit Druckluft über den Zuluftanschluss 6, die Luftkammer 10 und den Arbeitsanschluss 7 zu der angeschlossenen Luftblase geführt.
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5 zeigt die Sperrstellung des Ventils aus 2 bzw. 4, wobei in der Sperrstellung dem SMA-Draht 21 Heizstrom über die Kontaktpins 24 zugeführt wird. Der Heizstrom bewirkt eine Kontraktion des Drahts 21 mit der Folge, dass die Ventilklappe nunmehr um die imaginäre Achse A1 verkippt wird. Die Spiralfeder 20 und die Blattfeder 16 haben dabei die Funktion, eine Rückstellkraft bereitzustellen, welche bei einer späteren Deaktivierung des Aktors durch Unterbrechung des Heizstroms eine Rückbewegung der Ventilklappe in die Freigabestellung der 2 bewirkt. Aufgrund der in 7 angedeuteten Hebelverhältnisse mit kleinem Hebelarm H und großem Hebelarm L wird der Hub des SMA-Drahts 21 in einen wesentlich größeren Hub der Ventilklappe 14 umgesetzt.
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Durch die Verkippung um die Achse A1 wird ein Öffnen des Dichtsitzes 8a und ein gleichzeitiges Verschließen des Dichtsitzes 6a bewirkt. Demzufolge wird in der Schaltstellung der 5 ein Entlüften der Luftblase über den Arbeitsanschluss 7 und den Entlüftungsanschluss 8 bewirkt, wie durch den Pfeil P' angedeutet ist. In der Schaltstellung der 5 wirkt die Kraft der Spiralfeder 20 nur noch auf das Dichtelement 17a und damit auf den Zuluftanschluss 6. Der Schließdruck des Dichtelements 17a ist somit in dieser Schaltstellung wesentlich höher als der Schließdruck, der in der Schaltstellung der 2 vorliegt, in der die Ventilklappe die Funktion eines Rückschlagventils übernimmt.
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Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, wird zum Befüllen einer am Arbeitsanschluss 7 angeschlossenen Luftblase die Freigabestellung der 2 bzw. 4 genutzt, bei der der Aktor nicht aktiviert ist. Die Druckluft gelangt dabei über den Zuluftanschluss 6 durch Anheben des Dichtelements 17a in die Luftkammer 10 und von dort zur Luftblase. Ist die Luftblase ausreichend befüllt, wird die Druckluftzufuhr abgeschaltet. Aufgrund der Funktion der Ventilklappe 14 als Rückschlagventil schließt die Spiralfeder 20 den Zuluftanschluss 6 ab, so dass die Luft aus der Luftblase nicht zurück in den Luftkanal 18 strömen kann. Der Druck im Inneren des Ventilgehäuses bewirkt dabei eine zusätzliche Schließkraft für das Rückschlagventil. Zum Entlüften wird der Aktor durch Kontraktion des SMA-Drahts aktiviert, woraufhin der Zuluftanschluss 6 über das Dichtelement 17a verschlossen wird, wohingegen der Entlüftungsanschluss 8 freigegeben wird, so dass die Druckluft aus der Luftblase über den Entlüftungsanschluss nach außen strömen kann.
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Wie bereits oben erwähnt, können mehrere der im Vorangegangenen beschriebenen Ventile in der pneumatischen Sitzverstellung der 1 zum Einsatz kommen. Dabei ist der benötigte Öffnungsdruck am Zuluftanschluss in der Sperrstellung des jeweiligen Ventils deutlich höher als der Öffnungsdruck in der Freigabestellung, in der die Ventilklappe als Rückschlagventil wirkt. In einer bevorzugten Variante sind die Ventile 1 dabei derart ausgelegt, dass beim Übergang in die Sperrstellung durch Zufuhr von Heizstrom zum SMA-Draht der Druck auf den entsprechenden Dichtsitz des Zuluftanschlusses um den maximal zulässigen Befülldruck der Luftblasen erhöht wird. Mit anderen Worten wird bei Aktivierung des Ventils der Öffnungsdruck des Rückschlagventils um den maximal zulässigen Befülldruck der Luftblasen heraufgesetzt. Dies hat besondere Vorteile im Falle, dass in der Sitzverstellung der 1 eine Luftblase befüllt wird, wohingegen die anderen Luftblase gerade entlüftet wird. In diesem Fall wirkt das Rückschlagventil der gerade entlüfteten Luftblase, welches sich in der Sperrstellung befindet, als Überdruckventil bzw. Druckbegrenzungsventil. Wird dabei der maximal zulässige Befülldruck der gerade befüllten Luftblase überschritten, führt dies zur Freigabe des Zuluftanschlusses des Ventils der anderen Luftblase, wodurch ein Bersten der gerade befüllten Luftblase verhindert wird.
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Wie oben erläutert, wird die beschriebene Variante des erfindungsgemäßen Ventils in einer pneumatischen Anordnung eingesetzt, welche zwei Luftblasen umfasst. Nichtsdestotrotz kann die Anordnung auch weitere Luftblasen enthalten, wobei jede Luftblase über ein entsprechendes erfindungsgemäßes Ventil angesteuert wird. Sofern beim Befüllen der Luftblasen dabei zumindest eine Luftblase entlüftet wird, wird auch in einer solchen Anordnung bei geeigneter Auslegung der Ventile der obige Vorteil erreicht, wonach das Ventil der gerade entlüfteten Luftblase als Überdruckventil bzw. Druckbegrenzungsventil wirkt.
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Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann durch die Doppelfunktion eines elastischen Mittels zur Bereitstellung einer Rückstellkraft eines 3/2-Schaltventils und einer Schließkraft eines Rückschlagventils ein kompakter Aufbau des Ventils erreicht werden und Kosten bei der Herstellung eingespart werden. Darüber hinaus kann durch entsprechende Auslegung der Ventile in einer pneumatischen Sitzverstellung ein geeigneter Überdruckschutz realisiert werden. Ferner kann das erfindungsgemäße Ventil aufgrund seiner platzsparenden Ausgestaltung leichter als herkömmliche Schaltventile montiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventil
- 2
- Druckluftzufuhr
- 3, 4
- Luftblasen
- 5
- Rückschlagventil
- 6
- Zuluftanschluss
- 6a
- Dichtsitz
- 7
- Arbeitsanschluss
- 8
- Entlüftungsanschluss
- 8a
- Dichtsitz
- 9
- Dämpfer
- 10
- Luftkammer
- 11
- Grundplatte
- 12
- Bodenteil
- 13
- Deckel
- 14
- Ventilklappe
- 15
- Ventilkörper
- 16
- Blattfeder
- 16a
- Löcher in der Blattfeder
- 16b
- U-förmiger Abschnitt der Blattfeder
- 16c
- Steg der Blattfeder
- 16d
- gerader Abschnitt der Blattfeder
- 17a, 17b
- Dichtelemente
- 18
- Luftkanal
- 19
- Umlenkung
- 20
- Spiralfeder
- 21
- SMA-Draht
- 21a, 21c
- gerade Abschnitte des SMA-Drahts
- 21b
- halbkreisförmiger Abschnitt des SMA-Drahts
- 22
- Leiterplatte
- 23
- Crimp-Elemente
- 24
- Kontaktpins
- 25
- kreuzförmiger Vorsprung
- 26
- Dorne
- 27
- Hinterschneidung
- 28
- Luftkanal-Anschluss
- A1, A2
- Achsen
- P, P'
- Pfeile
- C1, C2
- Kreise
- H
- Höhe
- L, L1, L2
- horizontale Längen
