DE102018112065A1

DE102018112065A1 - Ventil mit Aktuator aus einer Formgedächtnislegierung in flacher Geometrie

Info

Publication number: DE102018112065A1
Application number: DE102018112065.6A
Authority: DE
Inventors: Hinnerk Oßmer; Christof Megnin; Marcel Gültig; Christoph Wessendorf
Original assignee: Memetis GmbH
Current assignee: Memetis GmbH
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2019-11-21
Also published as: US10935152B2; US20190353269A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Schalten von Medien, insbesondere von Flüssigkeiten oder Gasen, wobei das Ventil mittels eines Aktuators (1), der aus einer Formgedächtnislegierung hergestellt ist, zu öffnen, zu schließen oder in eine definierten Zwischenzustand versetzbar ist, wobei der wenigstens eine Aktuator (1) in Abhängigkeit von dessen Bestromung auf wenigstens eine in einem Kernelement (2) aufgenommene Ventilkugel (8) oder einen Ventilstößel derart einwirkt, dass der Durchfluss eines Mediums durch ein unterhalb des Kernelementes (2) unter Zwischenlage einer mediendichten Membran (4) angeordnetes Fluidteil (5) geregelt oder gesteuert eröffnet, unterbrochenen oder teilweise eröffnet ist, wobei das Kernelement (2) aus einem mechanisch steifen und thermisch gut leitenden Material (50) hergestellt ist, oberseitig elektrische Leiterbahnen für die elektrische Anbindung des Aktuators an eine Stromversorgung aufweist, sowie mehrere jeweils mit einem Gewinde versehene Durchlöcher (31) zur unterseitigen Verbindung mit dem Fluidteil (5) und der Membran (4) und /oder zur oberseitigen Verbindung mit dem Aktuator (1) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit Aktuator aus einer Formgedächtnislegierung in flacher Geometrie zum Beschalten von Medien, insbesondere von Flüssigkeiten oder Gasen, wobei das Ventil mittels eines Aktuators, der aus einer Formgedächtnislegierung, im weiteren kurz FGL genannt, hergestellt ist, zu öffnen und/oder zu schließen ist und/oder in einen definierten Zwischenzustand zwischen geöffnet und geschlossen versetzbar ist.
Hierzu ist aus der DE 199 63 499 A1 eine Ventilanordnung mit einem Kugelventil vorbekannt, bei der eine Auslösung und eine Rückstellung des Kugelventils mittels eines FGL-Aktuators erfolgt. Gemäß der vorbekannten Lösung kann der FGL-Aktuator durch Beaufschlagung mit Wärme über eine dem Aktuator zugelenkte Heizung so ausgelenkt werden, dass ein Ventilstößel auf einen Ventilsitz gepresst wird (normal-geöffnetes Ventil). Alternativ kann das Ventil auch so ausgeführt sein, dass sich der Ventilkörper durch Beaufschlagung des FGL-Aktuators mit Wärme von einem Ventilsitz abhebt (normal-geschlossenes Ventil). In letzterem Fall ist dem Aktuator eine Schließfeder als Rückstellelement zugeordnet.
Aus der DE 10 2004 059 188 A1 ist ebenfalls ein Aktuator aus einem FGL-Material in einer Ventilfunktion vorbekannt, wobei auch hier der bzw. die Aktuator/ -en auch aus einem FGL-Flachmaterial gefertigt ist, allerdings in einem Stapel im Sinne einer „Ziehharmonika“ angeordnet sind, wobei zusätzliche elektrische Anschlüsse zur Bestromung erforderlich sind. ,
Auch ist es aus diesem Stand der Technik bekannt, mehrere Aktuatoren anzuordnen, wobei diese auch als Gegenspieler eingesetzt werden können, um andere Aktuatoren zurückzusetzen. Dieser Stand der Technik wird allerdings nicht zum Schalten von Fluiden eingesetzt.
Aus der DE 10 2010 015 447 A1 ist wiederum der Einsatz von zwei gegeneinander geschalteten FGL-Aktuatoren bekannt, um Stellbewegungen auszuführen.
Außerdem ist es aus der US 6,691,977 B2 , sowie aus der US 5325880 bekannt, einen Flachform-Aktuator aus einer FGL-Legierung als Ventilstößel einzusetzen, der zunächst durch eine Feder niedergehalten wird, wobei durch die Bestromung, also durch die Erwärmung des FGL-Aktuators, die Feder gestaucht und der Ventilstößel angehoben, also das Ventil geöffnet wird.
Außerdem ist es aus der DE 198 21 841 C1 vorbekannt, extrem flach aufgebaute FGL-Aktuatoren, die als Filmelemente ausgebildet sind, in Form kreisförmig angeordneter Biegebalken auszubilden.
Im Übrigen ist es aus dem Stand der Technik bekannt, ein FGL-Mikroventil aufzubauen, wobei die Aktuatoren mittels in einem Gehäuse mittels Klebefolie befestigt sind (Johannes Barth, Christoph Megnin und Manfred Kohl, Journal of Mikroelectromechanical System, Vol. 21, No. 1. February 2012).
Ferner ist es aus der DE 10 2008 027 325 B4 bekannt, FGL-Flachform-Aktuatoren mit aus der Ebene heraus ausgelenkten Brückenarmen einzusetzen, sowie mäanderförmige FGL-Aktuatoren, die als Antagonisten in der Ebene wirken.
Ausgehend von diesem Stand der Technik schlägt die Erfindung vor, einer in einem Kernelement aufgenommenen Ventilkugel oder einem in diesem Kernelement aufgenommenen Ventilstößel wenigstens einen Aktuator so zuzuordnen, dass bei Bestromung des Aktuators, also bei dessen Erwärmung, die damit verbundene Ausdehnung des Aktuators eine Anpresskraft bewirkt, die die Ventilkugel oder den Ventilstößel in den Ventilsitz presst, so dass hierdurch eine unterhalb des Ventilstößels oder der Ventilkugel angeordnete Membran den Durchfluss eines unterhalb des Kernelementes angeordneten Fluidteils unterbricht und anschließend bei Unterbrechung der mit dem Aktuator verbundenen Stromversorgung die Ventilkugel oder der Ventilstößel den Ventilsitz wieder freigibt, mithin der Durchfluss eines Mediums durch besagtes Fluidteil wieder eröffnet ist.
Dabei bildet das Kernelement einen zentralen Bestandteil des Ventils. Es dient sowohl der Führung des Ventilstößels bzw. der Ventilkugel in einer geeigneten zentralen Öffnung, als auch der elektrischen Kontaktierung des direkt aufliegenden FGL-Flachformaktuators mittels auf der Oberfläche des Kernelements angeordneten und gegen dieses elektrisch isolierter Leiterbahnen, der effektiven Wärmeabfuhr des Aktuators nach Ausschalten des Stromes über ein geeignetes hoch wärmeleitfähiges Kernmaterial, sowie auch der mechanischen Befestigung aller weiteren Ventilkomponenten mittels Schrauben, die in Gewinden im Kernelement greifen.
Die unterhalb der Ventilkugel oder des Ventilstößels angeordnete Membran bewirkt, dass das durch das Fluidteil geführte Medium ausschließlich innerhalb des Fluidteils verbleibt, also sowohl bei geöffnetem wie bei verschlossenem Ventilsitz, sowie in allen denkbaren Zwischenstellungen. Die mittels der Ventilanordnung geschalteten Medien sind also vollständig von der Ventilanordnung entkoppelt, so dass durch diese gas- und flüssigkeitsdichte Separierung der zu schaltenden Medien sich zusätzliche Anwendungen für diese Mikroventilanordnungen ergeben, wie beispielsweise im medizinischen Bereich oder im Falle des Einsatzes dieser Technik in kritischen Umgebungen.
Aufgrund des dem FGL-Aktuator innewohnenden Formgedächtnisses kann die unterbrochene Strömungsverbindung durch das Fluidteil in einfacher Weise dadurch wieder eröffnet werden, dass die Bestromung des Aktuators unterbrochen wird, mithin der Ventilsitz wieder freigegeben wird und somit das Ventil geöffnet, also der Durchfluss durch das Fluidteil eröffnet ist.
In konkreter Anwendung in der normal-geöffneten Ventilvariante verhält es sich so, dass bei Stromfluss der Aktuator sich in Richtung seiner flachen Gedächtnisform verformt und somit die Ventilkugel oder den Ventilstößel auf die Membran und diese wiederum auf den Ventilsitz presst, damit das Ventil schließt und damit den Mediendurchfluss durch das Fluidteil bestimmungsgemäß unterbricht, wohingegen das Ventil bei Unterbrechung der Stromzufuhr den Ventilstößel oder die Ventilkugel freigibt, damit das Ventil öffnet und damit den Mediendurchfluss durch das Fluidteil bestimmungsgemäß zulässt.
In abermals vorteilhafter alternativer Ausbildung als normal-geschlossenes Ventil ist dem Aktuatorelement ein Rückstellelement, vorzugsweise eine Rückstellfeder zugeordnet, die derart zwischen dem Deckelelement und dem Aktuator eingespannt ist, dass die Federkraft im stromlosen Zustand des Aktuators genügt, um die Ventilkugel oder den Ventilstößel auf die Membran und diese wiederum auf den Ventilsitz zu pressen, damit das Ventil schließt und damit den Mediendurchfluss durch das Fluidteil bestimmungsgemäß unterbricht. Sobald hingegen der Aktuator bestromt wird, verformt er sich gegen die Federkraft in Richtung seiner flachen Gedächtnisform, staucht damit die Rückstellfeder und gibt somit die Ventilkugel oder den Ventilstößel frei, so dass ein Medienfluss durch den Ventilsitz/die Medienkammer erfolgen kann.
In konkreter Ausgestaltung ist das Kernelement oberseitig von einem Deckelelement unter Zwischenlage des bereits erwähnten Aktuators übergriffen, wobei das Kernelement unterseitig von einem Fluidteil untergriffen ist, wobei dieses Fluidteil einen Medienzufluss und einen Medienabfluss aufweist, wobei die durch das Fluidteil eröffnete Strömungsverbindung mittels des Aktuators wie eingehend erläutert unterbrechbar, freigebbar oder auch hinsichtlich der Durchflussmenge in einer Zwischenstellung einstellbar ist.
In weiterer Ausgestaltung ist das Deckelelement mit dem Kernelement mittels wenigstens zwei voneinander beabstandeter Schrauben unter Zwischenlage des Aktuators und der wenigstens einen Ventilkugel oder des wenigstens einen Ventilstößels verschraubt. Dies eröffnet die Möglichkeit, entweder zu Reparaturzwecken oder aber auch zum Austausch des unterhalb des Deckelelementes angeordneten Aktuators das Deckelelement abzunehmen. Insbesondere können aber unterschiedlichste Aktuatoren in der ansonsten gleichen Baugruppe, bestehend aus dem Deckelelement, dem Kernelement und dem unterseitig angeordneten Fluidteil, im Sinne eines Bausatzes ausgetauscht werden und in Anpassung an die jeweiligen Anforderungen an die Ventilanordnung konfiguriert werden.
Gemäß der Ausbildung des Erfindungsgegenstandes nach dem geltenden Anspruch 5 mündet der Medienzufluss in einer Fluidkammer des Fluidteils, an die sich in Strömungsrichtung des zugeführten Mediums ein Medienabschluss ebenfalls innerhalb des Fluidteils anschließt. Dabei ist innerhalb dieser Fluidkammer der Ventilsitz angeordnet, dem entweder eine Ventilkugel oder ein Ventilstößel derart zugeordnet ist, dass unter Einwirkung des bestromten Aktuators die Ventilkugel bzw. der Ventilstößel an den Ventilsitz angepresst wird, und zwar unter Zwischenlage einer unterhalb des Kernelementes angeordneten Membran, die den Mediendurchfluss durch das Fluidteil so lange unterbricht, wie der Aktuator bestromt ist. Nachdem diese Membran flüssigkeitsdicht ausgebildet ist, bedeutet dies, dass die durch das Fluidteil geführten Medien ausschließlich mit dem Fluidteil in Verbindung bzw. in Kontakt treten, so dass also eine ständige Trennung zwischen Kernelement und Deckelelement einerseits und dem unterseitig angeordneten Fluidteil andererseits gegeben ist. Dies bedeutet, dass etwa bei medizinischen Anwendungen des erfindungsgemäßen Ventils, das Kernelement und Deckelelement beispielsweise nicht steril ausgebildet sein müssen bzw. dass im Falle der Schaltung von kritischen Medien eine Verunreinigung dieser genannten Bestandteile des erfindungsgemäßen Ventils durch die Membran ausgeschlossen ist.
In weiterer Ausgestaltung ist das Fluidteil mit dem Deckelteil lösbar verbunden, wobei diese Verbindung in einfacher Weise mittels um die Medienkammer des Fluidteils verteilt angeordneten Schrauben erfolgt, die mit korrespondierenden Gewindelöchern des Kernelementes verschraubt werden, so dass diese Verbindung etwa zum Austausch einzelner Elemente lösbar ausgebildet ist.
In zusätzlicher Absicherung zur Meidung des Austritts der durch die erfindungsgemäß ventilgeschalteten Medien kann das Fluidteil oberseitig also im Bereich seiner, dem Kernelement zugewandten, Oberkante mit einer umlaufenden Dichtlippe zur vollständigen Abdichtung der Membran gegenüber dem Fluidteil versehen sein, wobei es in diesem Zusammenhang gegebenenfalls sinnvoll sein kann, dass auch das Kernelement selbst unterseitig mit einer umlaufenden Dichtlippe versehen ist, die sich dann zu einer vollständigen Abdichtung dieses Anschlussbereiches ergänzt.
In alternativer Ausgestaltung kann das Fluidteil mit dem Kernelement auch unter Zwischenlage eines Dichtelementes, anstelle einer fest verbauten Dichtlippe, das in der Einbaulage oberhalb der Membran angeordnet ist, dichtend verbunden sein.
In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Ventil hat es sich bewährt, wenn die besagten Dichtelemente und/oder die zur Schaltung des Medienflusses vorgesehene Membran zwischen Kernelement und Fluidelement aus einem elastischen Material hergestellt sind, wobei sich die Materialien PDMS und EPDM als besonders geeignet erwiesen haben, insbesondere i.V.m. medizinischen Anwendungen.
In weiterer Konkretisierung des Erfindungsgegenstandes ist das Dichtelement derart gestaltet, dass dieses aus einem dehnbaren Material wie einem Elastomer (z.B. PDMS, EPDM) gefertigt ist.
Dabei kann das Dichtelement eine zentrale Dichtscheibe umfassen, die an voneinander beabstandet angeordneten Stegen befestigt ist, die sich von einem umlaufenden Rahmen oder einer inneren umlaufenden Struktur des Dichtelementes nach innen erstrecken, so dass die Dichtscheibe unter Einwirkung der mittels des Aktuators beweglichen Ventilkugel oder des Ventilstößels derart in Richtung zum Fluidteil oder von diesem weg bewegbar ist, dass der Durchfluss des zu schaltenden Mediums durch das Fluidteil unterbrochen oder freigegeben ist, wobei hierzu die elastischen Stege zur Aufhängung der Dichtscheibe bedarfsweise gedehnt werden oder sich selbsttätig derart verkürzen, dass die Dichtscheibe in ihre Ausgangslage zurückbewegt wird. Die Dichtscheibe verstärkt die Membran über den Ventilsitz und bildet somit faktisch einen zwischengeschalteten Stößel. Dies sorgt wiederum für eine gleichmäßigere Verteilung der einwirkenden Aktuatorkraft über den Ventilsitz und macht das Ventil weniger störanfällig im Falle geringfügiger Verschiebungen der Ventilkugel aus der Mittelachse des Führungskanals heraus.
In weiter verbesserter Ausführung ist zusätzlich der oberhalb des Kernelementes und unterhalb des Deckelelements angeordnete Aktuator unter Zwischenlage eines Ausgleichselementes zwischen Aktuator und Deckelelement, das ebenfalls aus einem elastischen Material gefertigt ist, eingepresst, wobei Kernelement und Deckel unter Zwischenlage des besagten Ausgleichelementes miteinander verschraubt sind. Dabei liegt der Aktuator direkt auf den Leiterbahnen des Kernelementes auf, d.h. der elektrische Kontakt wird durch Anpressen des Aktuators an die Leiterbahnen des Kernelementes hergestellt, wobei das Ausgleichselement die Funktion einer flexiblen Klemm-Matte erfüllt, die ihrerseits ebenfalls aus einem Elastomer hergestellt ist und somit für eine gleichmäßige Kraftverteilung und den Ausgleich von etwaigen Unebenheiten sorgt.
In abermals vorteilhafter Weiterbildung können die oberseitig des Kernelementes angeordneten Leiterbahnen im Interesse eines verbesserten Kontaktwiderstands mit Gold oder einem anderen gut leitfähigen, jedenfalls nicht oxidierenden, Material beschichtet sein.
Um einen besonders kleinteiligen Aufbau des Ventils zu gewährleisten, ist auch der Aktuator selbst aus einem flachen Material hergestellt, wobei der Aktuator derart aufgebaut ist, dass zwischen zwei Kontaktflächen, die von einem äußeren Rahmen stabilisierend zusammengehalten werden können eine variable Anordnung von Aktuatorstegen aufgehängt ist. Der Aktuator ist in seiner Gesamtheit aus einer FGL in flacher Geometrie (Film, Folie, Platte, Band) hergestellt und ist, wie erwähnt, bestrombar innerhalb des Deckelelements aufgenommen. Mit den unterschiedlichen Anordnungen von Aktuatorstegen kann das erfindungsgemäße Ventil unter Berücksichtigung des jeweiligen Einsatzgebietes und -zweckes in einfacher Weise dadurch angepasst werden, dass innerhalb des Rahmens jeweils an den jeweiligen Einsatzzweck angepasste Anordnungen der Aktuatorenstege vorgesehen sind. Insbesondere kann (bei gleichbleibender Dicke der FGL) durch Erhöhung der Anzahl und/oder der jeweiligen Breite der Aktuatorstege die Kraft des Aktuators und damit der schaltbare Druckbereich des Ventils erhöht werden.
Konkret können also für unterschiedliche Anwendungen unterschiedlich ausgeführte flache Aktuatoren eingesetzt werden. Dabei kann der übrige Aufbau des Ventils, sowie die Ausgestaltung einiger oder aller Komponenten mit Ausnahme des Aktuators, beibehalten werden, bzw. das Ventil durch den Austausch des Aktuatorelementes an die jeweilige Anwendung angepasst werden.
Dabei werden das Aktuatorelement und das Ausgleichselement in Anlage zueinander zwischen Deckelelement und Kernelement derart befestigt, dass das Ausgleichselement eine definierte Kontaktfläche des Aktuators abdeckt, gleichzeitig aber Aussparungen aufweist, die eine freie Bewegung der Aktuatorstege ermöglicht.
Das Kernelement ist, wie bereits erwähnt, auf seiner dem Aktuatorelement zugewandten Oberseite mit wenigstens zwei voneinander getrennten Leiterbahnen, vorzugsweise bestehend aus Kupfer und/oder mit einer Oberflächenvergütung, aus Gold, Nickel, Silber oder anderen gut leitenden Materialien versehen und ermöglicht somit die elektrische Kontaktierung bzw. die elektrisch leitende Verbindung mit dem Aktuator, wobei das Kernelement über zwei außerhalb des Ventils angeordneten Anschlusspole mit einer steuer- oder regelbaren Stromzufuhr verbunden ist. Das Kernelement selbst kann aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen - in diesem Fall ist zwischen dem eigentlichen Kern und den oberflächlichen Leiterbahnen eine elektrisch isolierende, aber möglichst gut wärmeleitfähige bzw. dünne Zwischenschicht vorzusehen.
In weiterer Verbesserung des Erfindungsgegenstandes hat es sich bewährt, wenn die Aktuatorstege so dimensioniert sind, dass deren Länge zumindest annähernd, also von einer Kontaktfläche zur anderen, gleich lang ist und die Leiterbreite möglichst gleichmäßig ist, so dass hierdurch ein gleichmäßiger Stromfluss durch alle Stege des Aktuators gewährleistet ist. Ferner hat es sich bewährt, die elektrischen Kontaktflächen und deren Zuleitungen auf der Oberseite des Kernelements dergestalt anzuordnen, dass ein Stromfluss durch den FGL-Aktuator möglichst symmetrisch erfolgt.
In konkreter Ausgestaltung ist dieses Rückstellelement in Form einer Schraubenfeder realisiert, die um eine mit dem Kernelement verschraubte Stellschraube angeordnet ist, so dass die Rückstellkraft der Spiralfeder mittels dieser Stellschraube einstellbar ist.
Anders ausgedrückt, kann also durch die Einstellung dieser Stellschraube die Schließkraft des Ventils erhöht oder gemindert werden, bzw. an die konkreten Anforderungen angepasst werden.
Wie bereits erwähnt, ist eine weitere Anpassung an die jeweiligen an das Ventil gestellten Anforderungen dadurch ermöglicht, dass die Aktuatorstege des Aktuators jeweils in flacher Bauweise ausgeführt sind, aber unterschiedliche geometrische Ausführungen, Raumformen, geometrische Gestalt besitzen können. Die einfachste Form der Anordnung ist eine kreuzweise bzw. sternförmige Anordnung von geraden Aktuatorstegen. Es ist aber auch denkbar, die Aktuatorstege spiralförmig, kirigamiförmig, mäanderförmig oder Biegebalken in Abhängigkeit von der jeweiligen Anforderung vor Ort anzuordnen.
Bei weiterer Ausgestaltung dieser Anpassungsmöglichkeiten der Aktuatorstege ist es auch denkbar, Aktuatorstege vorzusehen, die infolge der Bestromung nicht nur eine eindimensionale Bewegung, also eine Verkürzung oder Verlängerung erfahren, sondern auch eine Bewegung in einer zweiten Dimension, also beispielsweise in Form einer Biegung nach oben oder unten ausführen.
Schließlich ist es im Rahmen der Erfindung auch denkbar, zwei oder mehrere Ventilsitze in ein Ventil zu integrieren und die ihnen zugeordneten Aktuatoren elektrisch in Serie zu schalten, indem dem Kernelement und dem unterhalb des Kernelementes angeordneten Fluidteil wenigstens zwei von der Membran überspannte Ventilsitze zugeordnet sind, denen dann jeweils wenigstens eine Ventilkugel oder wenigstens ein Ventilstößel zugeordnet sind
Dementsprechend können mehrere Aktuatoreinheiten und mehrere, diesen jeweils zugeordnete, Ventilsitze in einem einzigen erfindungsgemäßen Ventil vereint sein, mithin mehrere auch unterschiedliche Medien mittels des erfindungsgemäßen Ventils in einem einzigen Bauteil geschaltet werden.
Hierzu ist es je nach Anwendung sinnvoll, mehrere Aktuatoreinheiten in dem Ventil einander parallel oder in Serie zu schalten, wobei diese Einheiten gemeinsam oder einzeln ansteuerbar sind.
In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung ist sämtlichen innerhalb eines solchen Ventils angeordneten Aktuatorelementen eine gemeinsame Elektrode zugeordnet, so dass bei unabhängig voneinander ansteuerbaren Aktuatoren n+1 Anschlüsse erforderlich sind. In diesem Zusammenhang hatte sich bewährt, mehrere Aktuatorelemente in einer Zeilen-, Matrix-, Stern-oder sonstigen Anordnung in einem einzigen Ventil zusammenzufassen.
In abermaliger Weiterbildung können einem solchen Ventil weitere elektronische Komponenten wie Batterien, Kondensatoren, Transistoren, sowie weitere elektrotechnische Steuer- oder Regelungseinheiten zugeordnet sein, die ebenfalls innerhalb des erfindungsgemäßen Ventils verbaut sind. Zu diesem Zweck erfolgt die Anbringung der elektronischen Komponenten vorteilhafterweise direkt auf dem Kernelement (z.B. um den FGL-Aktuator herum), welches mit geeigneten elektrischen Leiterbahnen und Kontaktflächen ausgeführt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung nur beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1: ein Ventil in normal-geöffneter Ausführung in einer Explosionsdarstellung,
2: ein Ventil in normal-geschlossener Ausführung in einer Explosionsdarstellung,
3 unterschiedliche Ausführungen des im Ventil eingesetzten Kernelements, sowie unterschiedliche Anordnungen für Ventile mit zwei oder mehr Aktuatorelementen in einer Zeilen-, Matrix- oder sonstigen Anordnung,
4: unterschiedliche Ausführungen der in diesem Ventil eingesetzten Aktuatoren,
5: unterschiedliche Ausführungen von Flachformfedern für den Einsatz in normal-geschlossenen Ventilen,
6: eine Ausführungsvariante einer Flachformfeder mit einstellbarer Federvorspannung
7: eine Variante des normal-geöffneten Ventils mit Medienzu- und -abfluss auf gegenüberliegenden Seiten,
8: eine 3/2 Wege-Variante mit zwei in Serie geschalteten Aktuatorelementen einer Explosionsdarstellung,
9: eine Schnittansicht des Kernelementes des Ventils in einer Ausführung mit zusätzlichen Komponenten,
10: eine Variante des Ventilaufbaus mit einem austauschbaren Fluidteil in einer Schnittansicht,
11: verschiedene Ausführungsvarianten der Medienkammer bzw. mehrerer verbundener Medienkammern in einem Fluidteil.

1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht den Aufbau eines Ventils zum Schalten von Medien, vorzugsweise Flüssigkeiten oder Gasen mit einem Aktuator 1 in Flachform, der aus einer Formgedächtnislegierung, kurz FGL, hergestellt ist. Das Wirkprinzip dieser Aktuatoren 1 wird als bekannt vorausgesetzt.
Dabei zeigt 1 ein normal-geschlossenes Ventil. Im Wesentlichen besteht das Ventil aus einem Kernelement 2, das oberseitig von einem Deckelelement 7 übergriffen ist und unterseitig von einem so genannten Fluidteil 5 untergriffen ist.
Dabei ist das Deckelelement 7 über mehrere Verbindungsschrauben 12, 12' mit dem Kernelement 2 verschraubt.
Im Einzelnen ist das Deckelelement 7 unter Zwischenlage eines Ausgleichselements in Form einer Aktuatormatte 14 aus einem flexiblen Material, vorzugsweise einem Elastomer, sowie des Aktuators 1 selbst, sowie einer Ventilkugel 8 mit dem Kernelement 2 verschraubt.
Unterseitig ist das Kernelement 2 von dem bereits erwähnten Fluidteil 5 untergriffen, das seinerseits über weitere Verbindungsschrauben 15 mit dem Kernelement 2 unter Zwischenlage einer mediendichten Membran 4, sowie in der Einbaulage eines oberhalb dieser Membran 4 angeordneten flachen Abstandhalters, der außenseitig von einem Klemmring 17 begrenzt ist, verbunden ist.
Dabei bilden das Fluidteil 2 und die Membran 4 eine Einheit, durch die im geöffneten Zustand das zu schaltende Medium geleitet wird. Dabei wird diese Einheit nicht durch Klebung, sondern allein durch Verklemmung und/oder Verschraubung hergestellt. Dementsprechend sind diese beiden Komponenten auch die einzigen, die mit dem zu schaltenden Medium in Berührung kommen. In konkreter Ausgestaltung hat das Fluidteil 2 einen Medienzufluss 35, der in einen Ventilsitz 37 innerhalb einer Medienkammer 38 mündet, sowie einen Medienabfluss 36, durch den das Medium aus der Medienkammer 38 abfließt. Die erwähnte Medienkammer 38 ist oberseitig durch die Membran 4 abgeschlossen, welche durch eine Verklemmung zwischen der Oberseite des Fluidteils 5 und der Unterseite des Kernelements 2 in seiner bestimmungsgemäßen Lage fixiert ist. Die Klemmung wird durch die bereits erwähnten Verbindungschrauben 15 bewirkt, die um die Medienkammer 38 herum angeordnet sind. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich dabei um vier derartige Verbindungsschrauben, die mit korrespondierenden Gewinde-Durchlöchern 31 des Kernelementes 2 verschraubt werden. Für die Befestigung des Ventils auf einer fluidischen Platte mittels Schraubverbindung, enthält das Fluidteil mindestens zwei Befestigungslöcher 39, 39'.
Zur Verbesserung bzw. vollständigen Abdichtung des Fluidteils 5 gegenüber dem Kernelement 2 ist das Fluidteil 2 oberseitig und/oder das Kernelement 2 unterseitig jeweils mit einer umlaufenden, in der Zeichnung nicht weiter dargestellten Dichtlippe versehen. Alternativ kann auch zusätzlich ein Dichtelement 3 zwischen Kernelement 2 und Membran 4, wahlweise auch zwischen Membran 4 und Fluidteil 5, angeordnet sein.
Es versteht sich dabei, dass sowohl die Membran 4 als auch das Dichtelement 3 jeweils aus einem mediendichten, vorzugsweise elastischen Material gefertigt sind. Hier hat sich insbesondere eine Herstellung aus einem Elastomer, etwa aus PDSM oder EPDM, bewährt. Das erwähnte Dichtelement 3 kann optional so ausgestaltet sein, dass es mit einer jeweils an dünnen Stegen gehaltenen Dichtscheibe 34 versehen ist, welche über dem Ventilsitz angeordnet ist und somit beim Schließen des Ventils eine gleichmäßigere Verteilung der von dem Aktuator 1 eingebrachten Schließkraft bewirkt.
Der erwähnte Aktuator 1 ist, wie erwähnt, zwischen dem Kernelement 2 und dem Deckelelement 7 eingelegt und ebenfalls über eine an sich herkömmliche Schraubenverbindung mittels der Schrauben 12, 12' fest mit dem Kernelement 2 verbunden. Die Schrauben 12, 12' werden dabei durch geeignete Durchlöcher 28 in den Kontaktflächen 27 des Aktuators 1 geführt, um die Anpresskraft optimal auf die Kontaktflächen 27 zu verteilen. Dabei ist gemäß 1 zwischen den Aktuator 1 und dem Deckelelement 7 ein Ausgleichselement in Form einer so genannten Aktuatormatte 14, die die Funktion eines Ausgleichelementes erfüllt, eingelegt, wobei diese Aktuatormatte 14 ebenfalls aus einem elastischen Material gefertigt ist. Diese Aktuatormatte 14 bedeckt teilweise die Kontaktflächen des Aktuators 1, lässt aber bestimmungsgemäß geeignete Aussparungen frei, um die freie Beweglichkeit der im vorliegenden Fall kreuzweise ausgebildeten Aktuatorstege 26, 26' zu gewährleisten.
Dabei stellt das Kernelement 2 in Verbindung mit dem Aktuator 1 den funktionalen Bestandteil des Ventils dar. Das Kernelement 2, dessen Ausführung in 3A dargestellt wird, ist im Wesentlichen aus einem mechanisch steifen und thermisch gut leitenden Material 50 hergestellt und erfüllt innerhalb des Ventils gleich mehrere Funktionen. Zum einen enthält das Kernelement 2 die mit Gewinde versehenen Durchlöcher 31 zur mechanischen Befestigung der mit dem Kernteil verbundenen Komponenten, also insbesondere des Deckelelements 7 und des Fluidteils 5, aber auch der Membran 4, des Dichtelements 3 sowie oberhalb des Kernelementes des Aktuators 1 und der Aktuatormatte 14.
Im Übrigen erfüllt das Kernelement 2 die Funktion einer thermischen Senke für den elektrisch beheizten FGL-Aktor 1, die wiederum notwendig ist, um im Falle der Unterbrechung der Stromversorgung (d.h. im stromlosen Normalzustand des Ventils) die schnelle Rückstellung des Aktuators zu gewährleisten, wobei die Funktion der Wärmesenke je nach eingesetztem Material auch durch das Deckelelement 7 ergänzt bzw. unterstützt sein kann. Schließlich wird über das Kernelement 2 die elektrische Kontaktierung des Aktuators 1 sichergestellt. Hierzu weist das Kernelement wenigstens zwei voneinander getrennte elektrische Leiterbahnen 30 auf, welche mit geeigneten Kontaktschnittstellen 52, 52' für die Kontaktflächen 27, 27' des Aktuators versehen sind. Die Leiterbahnen 30 bestehen aus einem elektrisch gut leitenden Material 48, typischerweise Kupfer, und können eine Oberflächenvergütung aufweisen, um den elektrischen Kontakt zum Aktuator 1 zu verbessern und diesen vor Oxidation und anderen chemischen Einflüssen zu schützen. Für den Fall, dass das Kernmaterial 50 ebenfalls elektrisch leitfähig ist, ist zwischen dem Kernmaterial 50 und der Leiterbahnschicht 48 eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 49 vorzusehen. Schließlich weist das Kernelement 2 weitere Kontaktflächen 44, 44', die wahlweise als Stege, Pins oder sonstige Anschlüsse gestaltet oder mit solchen verbunden sein können, auf, um eine externe Stromversorgung für den Aktuator 1 an das Kernelement 2 anzuschließen.
Im Übrigen erfüllt das Kernelement die Funktion eines Führungselementes für die exakte Führung der Ventilkugel 8 oder des Ventilstößels relativ zum Ventilsitz 37. Hierzu ist das Kernelement 2 mit einer Durchgangsöffnung oder Stößelführung 51 versehen, die eine exakte Führung des Ventilstößels oder der Ventilkugel 8 ermöglicht, wobei diese Führung mit einer ausreichenden Toleranz versehen ist, um eine reibungsarme Bewegung der vorstehend bezeichneten Ventilelemente durch die Führung hindurch, in Bezug zu dem unterhalb des Kernelementes 2 angeordneten Ventilsitz 37, zu gewährleisten. Um eine gleichmäßige Kraftübertragung zu gewährleisten, ist die Durchgangsöffnung des Kernelementes 2 in Bezug zu den Stegen 26 des Aktuators 1 mittig angeordnet.
Im aufgebauten Ventil in normal-geöffneter Ausführung sind die Stege 26 des Aktuators 1 durch die Ventilkugel 8 vom Kernelement 2 weg, d.h. aus der Ebene des Flachformaktuators heraus nach oben ausgelenkt. Um eine solche Auslenkung zuzulassen, enthält das Deckelelement 7 auf seiner Unterseite eine geeignete, hier nicht weiter dargestellte Tasche. Bei Bestromung ziehen die Aktuatorstege 26 in die Ebene des Flachformaktuators zurück und wirken gegen die Ventilkugel 8.
Eine Ausführungsvariante des Ventils mit normal-geschlossener Funktionalität ist in 2 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Die genaue Ausführung des Kernelementes ist zusätzlich in einer Vergrößerung in 3B gezeigt. Das normal-geschlossene Ventil unterscheidet sich vom normal-geöffneten Ventil dadurch, dass es zusätzlich ein Rückstellelement 9 enthält, gegen welches der Aktuator 1 im bestromten Zustand wirkt. Zu diesem Zwecke werden die Stege 26 des Aktuators im unbestromten Zustand durch das Rückstellelement 9 in Richtung des Ventilsitzes, das heißt in das Kernelement hinein nach unten ausgelenkt. Um eine solche Auslenkung zuzulassen, enthält das Kernelement 2 für ein normal-geschlossenes Ventil geeignete Taschen 45.
Wie oben bereits für das normal-geöffnete Ventil beschrieben, überträgt eine in einer Stößelführung 51 des Kernelements 2 geführte Ventilkugel 8 die Kraft des Aktuators 1 (bzw. auch des Rückstellelements 9) auf die Membran 4 und diese wiederum auf den Ventilsitz 37. Sobald ein Stromfluss durch den Aktuator 1 erfolgt, zieht sich dieser in seine flache Form zurück und entlastet dadurch die Ventilkugel 8 von der Kraft des Rückstellelementes 9.
In einfacher Ausführung (hier nicht dargestellt) kann das Rückstellelement 9 in eine hier nicht näher dargestellte Tasche im Deckelelement eingelegt werden. Die Vorspannung des Rückstellelementes ist in diesem Fall durch die Höhe des Rückstellelementes im unbelasteten Zustand sowie die Tiefe der Tasche vorgegeben und fixiert.
In vorteilhafter Ausführung kann das Ventil alternativ so gestaltet sein, dass die Vorspannung der Rückstellkraft veränderbar und an die jeweilige Anwendung anpassbar ist. Für diesen Zweck wird das Rückstellelement 9 in Form einer Schraubenfeder zwischen dem Aktuator 1 und einem Vorspannelement 13, z.B. ausgeführt als Madenschraube, in einer geeigneten Öffnung im Deckelelement geführt, welche zumindest am oberen Ende ein Gewinde enthält. Durch Hineindrehen oder Herausdrehen des Vorspannelementes 13 kann somit das Rückstellelement 9 gestaucht oder entlastet werden. Um die Torsionskräfte einer Drehbewegung beim Einstellen des Vorspannelementes nicht auf den Aktuator 1 zu übertragen und damit dessen Beschädigung zu riskieren, kann zwischen Rückstellelement 9 und Aktuator 1 eine zusätzliche Ausgleichskugel 41 eingebracht werden.
Die in 2 dargestellte Ausführung des Ventils unterscheidet sich von der Darstellung in 1 durch folgende Details, die als optional zu betrachten sind, d.h. es sind beliebige Kombinationen der Ausführungsvarianten aus 1 und 2 denkbar.
Anstatt das Fluidteil 5 und das Deckelelement 7, wie oben geschildert, jeweils gesondert mit dem Kernelement 2 zu verschrauben, wird das Deckelelement 7 über geeignete Durchlöcher und Gewindebohrungen direkt mit dem Fluidteil 5 verschraubt und alle weiteren Komponenten somit zwischen diesen beiden eingeklemmt. Hierzu enthält das Kernteil 2 anstatt Gewindebohrungen 31, 31' gewindefreie Durchlöcher 72, 72'. Der Vorteil dieser Variante ist, dass die Anzahl der notwendigen Verbindungsschrauben 12, 12' auf zwei reduziert wird (d.h. die zusätzlichen Schrauben 15, 15'... werden eingespart). Der Nachteil ist, dass der Fluidteil 5 und das Deckelelement 7 nicht mehr gesondert voneinander (z.B. für Wartung, Reparatur, Reinigung) abgenommen bzw. ausgetauscht werden können.
Als weitere Alternativlösung wird zur Abdichtung der Membran 4 auf dem Fluidteil 5 anstatt eines Dichtelementes 3 aus elastischem Material ein Klemmring 40 aus steifem Material verwendet. Dieser wird zwischen Membran 4 und Kernelement 2 eingelegt und enthält eine umlaufende Dichtlippe 10.
In den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsvarianten münden Medienzufluss 35 wie auch Medienabfluss 36 auf der Unterseite des Ventils. Für bestimmte Anwendungen (z.B. Befüllen/Belüften einer Kammer mit Ventil in der Außenwand) kann es jedoch Sinn ergeben, Zufluss und Abfluss auf gegenüberliegenden Seiten zu platzieren. Eine Ausführung eines entsprechenden Ventils ist in 7 gezeigt. In diesem Fall ist der Medienabfluss nicht als Kanal durch das Fluidteil 5 nach unten hindurch geführt, sondern wird nach oben umgeleitet, wobei Kernelement 2 und Deckelelement 7 jeweils eine Kanalöffnung 46, 46' enthalten. Die folgenden Elastomerelemente Membran 4, Dichtelement 3 sowie das Ausgleichselement 14 enthalten jeweils an der entsprechenden Stelle eine Durchgangsöffnung und dienen als Dichtring 47, 47', 47" für den Kanal 46.
Die vorstehend erläuterten einzelnen Ventilkomponenten sind so ausgeführt, dass sie sich bei der Montage selbst ausrichten bzw. aufgrund der Ausformung der einzelnen Ventilkomponenten eine fehlerhafte Montage so gut wie ausgeschlossen ist. Die exakte Ausrichtung der einzelnen Komponenten, insbesondere zwischen Aktuator 1 und Kernelement 2, sowie zwischen der als Führung wirkenden Durchgangsöffnung 51 und dem unterhalb der Durchführung angeordneten Ventilsitz 37 des Fluidteils, der im geschlossenen Zustand den Medienzufluss 35 verschließt, eine reibungslose Funktion des Ventils 1 unbedingt zu gewährleisten.
Die korrekte Ausrichtung der Einzelteile kann dabei durch an sich bekannte zentrierte Stifte, Schrauben oder sonstige Strukturen innerhalb des Ventils, wie aber auch eine geeignete Formgebung der Außenwände des Deckelelements 7 und/oder des Fluidteils 5 gewährleistet sein.
Als Ausführungsbeispiel ist in 2 ein Deckelelement 7 mit einem unterseitigen Kragen 42 gezeigt, welcher sich exakt an einem oberseitigen Absatz 43 des Fluidteils 5 ausrichtet und darüber hinaus auch alle dazwischenliegenden, gestapelten Komponenten ausrichtet.
Die exakte Ausrichtung der einzelnen Bestandteile des Ventils stellt gleichzeitig einen zusätzlichen Schutz gegenüber Umwelteinflüssen dar, so dass beispielsweise das Eindringen von Flüssigkeiten oder eine Verschmutzung des Ventils hierdurch weitgehend ausgeschlossen ist.
4 zeigt unterschiedliche Ausführungsvarianten des Aktuators 1. Dabei wird der Aktuator 1, wie bereits erwähnt, aus einer Formgedächtnislegierung wie z.B. aus NiTi oder aus NiTiCu in Flachform gefertigt, welche bei der in Abhängigkeit von der jeweiligen erwarteten Einsatztemperatur der gewünschten Form-Gedächtniseffekt, wahlweise auch den gegebenenfalls eingeprägten Zweiweg-Formgedächtniseffekt, aufweist. Als Halbzeug wird jeweils ein Flachmaterial verwendet, wobei es sich wahlweise um gewalzte Folien, Bänder, Flachdrähte, durch Schmelzschleudern (engl. melt spinning) gewonnene Bänder oder geputterte Filme handeln kann. Der Einsatz derartiger Flachmaterialien hat zunächst den Vorteil, dass sie im Vergleich zum eingesetzten Volumen eine große Oberfläche besitzen, in Abgrenzung zu ebenfalls als Aktuatormaterial eingesetzten runden Drähten mit gleicher Querschnittsfläche. Dies wiederum hat den Vorteil, dass dies eine schnellere Wärmeabgabe an die Umgebung ermöglicht und somit eine schnellere Rückstellung des eingesetzten Aktuators nach der Unterbrechung der Stromzufuhr erfolgt. Das Ventil besitzt dementsprechend kürzere Schaltzeiten.
Die in 2 dargestellten Aktuatorelemente haben gemeinsam, dass sie jeweils mindestens zwei Kontaktflächen 27, 27' besitzen, die gleichzeitig der mechanischen Befestigung und dem elektrischen Anschluss dienen, wobei diese Kontaktflächen jeweils durch mindestens einen Steg 26, gemäß 4A miteinander verbunden sind. In der Einbaulage sind die Kontaktflächen dauerhaft befestigt und die Stege oder der Steg 26 im unbestromten Zustand, aus der Ebene heraus in Richtung der aus dieser Darstellung nicht ersichtlichen Ventilkugel 8 oder Ventilstößels, oder aber in die entgegengesetzte Richtung ausgelenkt, je nachdem ob es sich um ein normal-geschlossenes oder normal-geöffnetes Ventil handelt. Bei der angestrebten flachen Geometrie des Steges 26 resultiert dies (trotz der Auslenkung aus der Ebene heraus) zumindest nahezu vollständig in einer reinen Zugbelastung entlang der eingesetzten Stege 26.
In verbesserten Ausführungen, wie in den 4B - 4D gezeigt, ist der Aktuator 1 nicht mit einem, sondern mit mehreren, sich jeweils in der Mitte kreuzenden Stegen 26, 26', gemäß den 4B - 4F bestückt. Dies bewirkt eine erhöhte Stabilität des Aktuatorelementes 1, in Relation zur Ventilkugel 8, bzw. zum hier nicht dargestellten Ventilstößel. Gemäß der Ausführungen nach 4A - 4D und 4F sind die Kontaktflächen 27, 27' jeweils mit einem Durchloch 28, 28' versehen, welches das Durchführen einer Schraube, einer Niete, eines zentrierten Stiftes oder einer sonstigen Struktur zum Ausrichten und Befestigen des Aktuators 1 ermöglichen. Außerdem kann der Aktuator 1 mit einem zentralen Duchloch bzw. Orientierungsloch 53 in der Mitte der Aktuatorstege 26 versehen sein, welches der Ausrichtung und/oder Befestigung eines Ventilstößels dient.
Im Falle von Ausführungen des Ventils, die beispielsweise zum Schalten von größeren Medienflüssen geeignet sind, ist es erforderlich, Aktuatoren 1 einzusetzen, die einen größeren Stellweg besitzen, als ein Aktuator 1 mit geradlinigen Stegen 26 gemäß den 4A - 4F innerhalb des limitierten Bauraumes vor dem Hintergrund, dass Ventile mit einer möglichst kleinen Grundfläche erwünscht sind, bereitstellen kann.
Deshalb kann die effektive Aktuatorlänge bei gleichbleibender Grundfläche des Aktuators 1 dadurch vergrößert werden, dass die Stege als Mäanderstege 55 gemäß 4H, in Kirigamistruktur 54 gemäß 4G oder als Spiralarme 56 gemäß 4I ausgeführt werden. Unter Kirigamistruktur wird hier (in Anlehnung an die Japanische Kunst des Kirigami) verstanden, dass die zweidimensionale Fläche eines FGL-Aktuators aus einem flachen Halbzeug durch das Anbringen geeigneter Schnitte in eine oder mehrere, die Kontaktflächen 27 verbindende, Leiterbahnen 54 mit in etwa gleichbleibendem Querschnitt unterteilt wird, wobei der durch die Schnitte bedingte Materialverlust so gering wie möglich gehalten wird. Bei diesen Ausführungen wird über diese Stege 55 nicht mehr nur eine (näherungsweise) reine Zugkraft übermittelt, sondern auch Biegungs- und Torsionskräfte. Die Stege 26, 54, 55 und 56 sind dabei so ausgeführt, dass sie eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen 27, 27' herstellen und dabei einen gleichmäßigen Leiterquerschnitt aufweisen, um eine gleichmäßige mechanische Belastung, verbunden mit einer gleichmäßigen Eigenerwärmung bei Stromfluss, der Aktuatorstege 26 zwischen den Kontaktflächen zu gewährleisten.
Um bei der Montage, sowie im Gebrauch möglichen Beschädigungen der Aktuatorelemente vorzubeugen, können die Kontaktflächen 27, 27' zusätzlich durch Stützstege 29 verbunden sein, welche somit gemeinsam mit den Kontaktflächen 27, 27' einen umlaufenden Rahmen formen. Nach der Montage müssen dann diese Stützstege 29 vor Inbetriebnahme des Aktuators durchtrennt werden, da ansonsten der Steuerstrom an den Aktuatorstegen vorbeigeleitet würde.
Sowohl die mechanische Befestigung als auch die elektrische Kontaktierung und thermische Anbindung des Aktuators erfolgt über eine Verpressung des Aktuators zwischen dem Kernelement 2 und dem Deckelelement 7. Dabei hat es sich bewährt, wenn zwischen Deckelelement 7 und Aktuator 1 eine sogenannte Aktuatormatte 14, die ebenfalls aus einem elastischen Material gefertigt ist, als Ausgleichselement eingelegt wird.
Zur Stromversorgung des Aktuators 1 ist das Kernelement 2 gemäß 3 oberseitig mit mindestens zwei voneinander getrennten Leiterbahnen 30 aus einem gut leitenden Material versehen, die in geeigneter Weise über die Kontaktflächen 44, 44' mit zwei Polen einer äußeren Stromzuführung elektrisch leitend in Verbindung stehen. In einfachster Ausführung wird eine leitfähige Oberflächenbeschichtung 48 des Kernelements 2 mittels einer durchgehenden Unterbrechung in zwei Teilflächen, nämlich die Leiterbahnen 30, 30', geteilt. In einer vorteilhaften Weiterbildung können die Leiterbahnen 30 so angelegt werden, dass der Weg durch alle Stege 26 von Kontaktfläche 27 zu Kontaktfläche 27' zumindest im Wesentlichen gleich lang ist, wobei die Kontaktflächen 27, 27' des Aktuators 1 jeweils genau auf den Kontaktflächen 52, 52' des Kernelementes 2 aufliegen, so dass ein gleichmäßiger Stromfluss durch alle Stege 26 sichergestellt ist. Im Übrigen stellen die Leiterbahnen 30, 30' auf dem Kernteil 2 die Schnittstelle des Aktuators 1 zu einer äußeren Stromversorgung dar und münden daher jeweils in geeignete Anschlussflächen 44, 44'.
Wie nachstehend noch deutlich werden wird, können im Rahmen der Erfindung auch Mehrweg- oder multifunktionale Ventilvarianten derart realisiert werden, dass mehrere Aktuatoreinheiten 1 einem einzigen Bauteil vereint werden. Hierbei ist es von Vorteil, wenn diese mittels eines einzigen gemeinsamen Kernelementes 2 realisiert werden können. In diesem Zusammenhang können die einzelnen Akuatoreinheiten 1 in einer Parallelschaltung gemäß 3F, Serienschaltung gemäß 3E oder einer sonstigen Schaltung miteinander verbunden sein bzw. auch einzeln ansteuerbar sein. In diesem Zusammenhang bietet sich an, wenigstens eine Kontaktfläche 27 eines jeden Aktuators 1 zu einer gemeinsamen Elektrode zusammenzulegen, so dass bei N unabhängig voneinander ansteuerbaren Aktuatoreinheiten lediglich n + 1 externe Stromzuführungen 44, 44', anstelle von 2 x n Stromzuführungen benötigt werden. Dabei kann Material und Bauraum dadurch eingespart werden, dass mehrere Aktuatoren 1 in einer Zeilen-, Matrix-, Stern-oder sonstigen Anordnung zu einem einzigen Bauteil mit zumindest einer geteilten Kontaktfläche 27 zusammengefasst werden, wie beispielhaft in 3G und 4J ausgeführt.
3D zeigt in diesem Zusammenhang einen Ventilaufbau mit zwei in Serie geschalteten Aktuatoren, wie sie etwa für eine 3/2-Wege-Variante eines Ventils einsetzbar ist, wobei 3D die zwei in Serie geschalteten Aktuatoren 1, 1' in einer perspektivischen Draufsicht mit dem darunter angeordneten Kernelement 2 zeigt.
Der Gesamtaufbau eines solchen Ventils ist in einer Ausführung für ein 3/2-Wege-Ventil in 8 dargestellt. Dabei ist der Grundaufbau wie vorstehend beschrieben, also ein Deckelelement 2 übergreift unter Zwischenlage einer Aktuatormatte 14 und zweier Aktuatoren 1, 1', das Kernelement 2, das seinerseits unter Zwischenlage von Membran 4 und Dichtelement 40 von dem Fluidteil 5 untergriffen ist.
Die Besonderheit dieses Ventils besteht nun darin, dass mehrere Ventilsitze 37, 37' und mehrere Aktuatoreinheiten 1, 1' in das Ventil integriert sind, und im Übrigen auch das Fluidteil 5 zwei Medienzuflüsse 35 aufweist, die in jeweils einer separaten Medienkammer, 38, 38' münden, der jeweils auch ein separater Ventilsitz zugeordnet ist. Beide Medienkammern 38, 38' sind durch einen horizontalen Kanal verbunden, in dessen Mitte ein gemeinsamer Medienabfluss 36 angeordnet ist.
Dabei sind die Medienkammern 38 und 38' durch die Membran 4 abgedichtet. Das Kernelement 2 ist dementsprechend mit zwei separaten Durchgangsöffnungen/Kugelführungen 51, 51' für die Ventilkugeln 8, 8' bzw. Ventilstößel versehen.
Auf dem Kernelement 2 sind die in 4 im Detail dargestellten Aktuatoren 1, 1' angeordnet. Das Ventil ist dementsprechend für die Anwendung als Wechselventil geeignet, wobei hierzu einer der Aktuatoren 1 oder 1' für eine normal geschlossene Ventilvariante ausgelegt und dafür in nicht weiter dargestellter Weise mit einem Rückstellelement versehen, während der andere Aktuator 1'oder 1 für eine normal geöffnete Ventilvariante ausgelegt ist.
Dementsprechend ist nur einer der Medienzuflüsse 5a oder 5a' mit dem Auslass verbunden, wenn beide Aktuatoren stromlos sind. Sobald dann beide Aktuatoren 1, 1' bestromt werden, wird dieser Medienzufluss 5a oder 5a' mittels der Membran 4 abgedichtet und der jeweils andere Medienzufluss 5a oder 5a' geöffnet. Ein solches Ventil kann als Wechselventil eingesetzt werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Aktuatoren 1, 1' elektrisch in Serie zu Schalten und zu diesem Zweck jeweils eine der Kontaktflächen 52' eines jeden Aktuators mittels einer Leiterbahn 30 zu verbinden und die jeweils andere Kontaktfläche 52 mit der externen Stromversorgung über den Kontakt 44, 44' zu verbinden. (Vgl. 3C,D,E). Dadurch werden beide Aktuatoren 1, 1' immer gleichzeitig aktiviert bzw. deaktiviert. Die Wechselventilfunktion ergibt sich daraus, dass ein Ventilsitz normal-geöffnet, der andere normal-geschlossen ausgeführt wird.
In einer alternativen Ausführung gemäß 3F wird die Leiterbahn 30 mit einem zusätzlichen elektrischen Anschluss 65 verbunden, der als gemeinsame Erde-Elektrode (engl. Common Ground) dient. Auf diese Weise kann jeder Aktuator 1 separat mit einem Steuerstrom versorgt werden. Bei gleichzeitiger Bestromung nur eines der Aktuatoren 1 oder 1' lassen sich somit beide Medienzuflüsse 35, 35' gleichzeitig öffnen oder schließen. Ein solches Ventil eignet sich als Proportional-Mischventil, zum Dosieren, Regeln und Verteilen von Medien wie Flüssigkeiten oder Gasen.
Dabei ist es im Rahmen der Erfindung auch denkbar, komplexere Aufgaben etwa i.V.m. Medikamentenmischern, biologischen Zellkultursystemen oder i.V.m. dem Einsatz von Vakuumsaugplatten beliebig viele Ventile in einer Zeilen- oder Matrixanordnung (vgl. 3G) zu einem einzigen Bauteil also in einem Ventilsystem zusammenzufassen.
Gemäß 9 können nicht nur mehrere Aktuatorelemente in einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung integriert sein, sondern auch weitere elektronische Komponenten, wie etwa Batterien oder Kondensatoren zur Ladungsspeicherung, Transistoren zur Realisierung von Schaltlogiken, Vorwiderstände zur Strom-/Spannungs-Anpassung bzw. als Überlastungsschutz, Sensoren zur Überwachung der Ventilfunktionalität und des jeweils zu schaltenden Mediums, etwa betreffend dessen Temperatur, pH-Wert, Durchfluss, Viskosität usw. Die Besonderheit in Abgrenzung zum Stand der Technik ist, dass die Anbringung direkt auf dem Kernelement 2 im Inneren des Ventils erfolgen kann, anstatt auf einer externen Leiterplatte. Somit werden neben den Leiterbahnen auf dem Kernelement keine weiteren elektrischen Verbindungen benötigt, so dass die Anzahl der elektrischen Schnittstellen so gering wie möglich gehalten wird. Dabei ist auch die Integration von Mikrocontrollern 25 zur Steuerung, etwa im Rahmen einer Pulsweitenmodulation, und zur Regelung des Ventils direkt auf dem Kernelement denkbar, die somit ebenfalls in dem Ventilgehäuse angeordnet sind.
Dabei können diese zusätzlichen elektronischen Komponenten auf beiden Seiten (d.h. Ober- und Unterseite) des Kernelementes 2 angeordnet sein, wobei diese dann mittels entsprechender Durchkontakte 67 („Vias“), die durch das Kernelement 2 geführt sind, miteinander verbunden sowie an die Stromversorgung bzw. elektrischen Schaltkreise angeschlossen werden. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Ausführung des Ventils, welche z.B. in mobilen Feldgeräten, implantierbaren Geräten oder in der Point-of-Care Diagnostik benötigt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein kalorimetrischer Durchfluss-Sensor 24, der an der Unterseite des Kernelementes 2 angeschlossen ist und durch eine geeignete Öffnung in der Membran 4 in den Kanal des Medienauslasses 36 geführt ist, bestromt und ausgelesen. Oberseitig ist ein Mikrocontroller 25 mit Leiterbahnen auf dem Kernelement 2 verbunden. Der Medienzufluss 35 wird über die Ventilkugel 8, die über den Aktuator 1 betätigt wird, geschaltet. Dabei ist der Medienfluss durch das Fluidteil 5 so geführt, dass der Medienstrom an dem Durchfluss-Sensor 24 vorbeigeleitet wird.
5 zeigt in verschiedenen Ausführungsvarianten zweidimensionale Rückstellfederstrukturen, die aus einem Flachmaterial hergestellt sind. Grundsätzlich kann das Rückstellelement 9, das im stromlosen Zustand des Aktuators 1, die Ventilkugel 8 bzw. den Ventilstößel gegen den Ventilsitz 37 derart presst, dass der Medienzufluss 35 mittels der Membran 4 verschlossen ist, in Form einer Feder ausgeführt sein. Dabei ist diese Feder so auszulegen, dass diese einerseits in der Lage ist, das Ventil gegen den anliegenden Differenzdruck am Eingang (Medienzufluss 35) in die Medienkammer 38 zu schließen, aber umgekehrt auch so dimensioniert ist, dass diese Federkraft durch den bestromten Aktuator 1, sobald dieser sich in Richtung seiner flachen Gedächtnisform verformt, überwindbar ist.
Neben dieser grundsätzlichen Dimensionierung sind auch Ausführungen denkbar, bei denen die Rückstellkraft so eingestellt ist, dass sich ab einem definierten kritischen Differenzdruck das Ventil öffnet und somit das Ventil mit einer Überdruck-Schutzfunktion versehen ist.
Grundsätzlich ist in diesem Zusammenhang jede Federvariante als Rückstellelement geeignet. Gemäß 5 ist das Rückstellelement 23 als flaches, zweidimensionales Bauteil realisiert.
Dabei ist es denkbar, dass dieses Rückstellelement 23 aus Federstahl oder aus einer geeigneten Legierung, einem geeigneten Polymer oder Elastomer hergestellt ist. Die Federkraft des Rückstellelementes 23 wird durch die gewählte Geometrie (Länge, Breite und Anzahl der Federstege 58), die Stärke des gewählten Materials, das Material selbst, sowie die Vorauslenkung der Flachformfeder und die jeweilige zweidimensionale Geometrie bestimmt. 5 zeigt unterschiedliche Ausführungsvarianten dieses Rückstellelementes 23. Danach kann es sich dabei um Rückstellelemente 23 mit Biegebalken 61 gemäß 5B, 5C, eine Kombination aus mehreren Stegen 58 und Biegebalken gemäß 5A, kirigamiartige Strukturen 59 gemäß den 5D, 5E und 5F, sowie Mäanderstrukuren 60 gemäß den 5G und 5H, bzw. um Spiralarme 62 gemäß 51 handeln. Die soeben beschriebenen Federstrukturen sind jeweils von einem Rahmen 57 umfasst, welcher als Auflagefläche der Befestigung im Ventil mittels Klemmung dient. Optional kann das Rückstellelement 23 mittig ein Orientierungsloch 63 aufweisen, welches die Befestigung bzw. Ausrichtung eines Ventilstößels oder einer Ventilkugel 8 erleichtert.
Eine weitere konkrete Ausführungsvariante für ein derartiges zweidimensional ausgebildetes Rückstellelement 23 in Form einer Rückstellfeder, die aus einem flachen Material hergestellt ist, ist in 6 dargestellt. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Schließkraft des Rückstellelementes 23 nach dessen Einbau nachträglich, d.h. reversibel verstellbar ist.
Dementsprechend kann die Schließkraft an die jeweilige Anwendung, den zu schaltenden Druck und an das jeweilige Aktuatorelement 1 nachträglich angepasst werden bzw. das immer gleiche Rückstellelement 23 für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel liegt der Rahmen des Rückstellelementes 23 an zwei gegenüberliegenden Seiten 57, 57' auf geeigneten Auflageflächen des Kernelementes 2 auf und zwei freistehende Stege oder Vorspannfedern 64, die die eben genannten Teile 57, 57' des Rahmens verbinden, sind über eine geeigneten Tasche im Kernelement 2 geführt und enthalten jeweils ein Durchloch für ein Vorspannelement 13 (in Form einer Stellschraube). Mittels der beschriebenen Anordnung kann durch das Anziehen der Vorspannelemente 13, 13' die Referenzebene 66 des Rückstellelementes 23 in Bezug auf das Kernelement 2 verändert werden, indem die Biegung des als Vorspannfeder 64 ausgeführten Teils des Rahmens 57 verstellt wird, also durch die Stellschrauben 13, 13' die Vorspannung durch die bewirkte vertikale Verschiebung der Referenzebene 66 in Richtung des Kernelementes 2 eingestellt wird. Wie ebenfalls aus 6 ersichtlich, ist innerhalb des Rahmens 57 der Aktuator 1 angeordnet, wobei diese Ausführung selbstverständlich nicht auf diese eine spezielle Ausführung des Aktuators 1 beschränkt ist.
In abermals vorteilhafter Weiterbildung kann der Erfindungsgegenstand so ausgebildet sein, dass das Fluidteil 5 gemäß 10 austauschbar ist. Gemäß der Darstellung in 10 wird dabei das Kernelement 2 in eine Klemmpassung 71 der Art eingesetzt, dass die von dem Aktuator 1 übergriffene Ventilkugel 8 auf den Ventilsitz 37 so aufgesetzt wird, dass mittels der Ventilkugel 8 der Medienzufluss 35 derart schaltbar ist, das im stromlosen Zustand der Medienzufluss 35 durch die Ventilkugel 8 unter Zwischenlage der Membran 4 unterbrochen, bzw. im bestromten Zustand freigegeben ist, so dass der Übertritt des zu schaltenden Mediums durch die Medienkammer 38 in den Medienabfluss 36 eröffnet ist. Dies bedeutet, dass mit dieser Zeichnung deutlich wird, dass lediglich das Fluidteil 5 mit dem zu schaltenden Medium in Verbindung gelangt, so dass das Kernelement 2 wahlweise auch ausgewechselt werden kann bzw. i.V.m. anderen Medien eingesetzt werden kann. Demzufolge können das Fluidteil 5 und Aktuatorelement 1 unabhängig voneinander ausgetauscht werden.
Verschiedene Ausgestaltungen der Medienkammer 38 des Fluidteils 5 sind in 11 dargestellt. Gemäß 11A kann der Ventilsitz 37 als umlaufender Kragen um den Medienzufluss 35 innerhalb der Medienkammer 38 ausgeführt sein. Gemäß 11 B kann alternativ der Ventilsitz durch den Boden der Medienkammer selbst gebildet werden. Dies erleichtert die Spülbarkeit / Reinigung des Ventils nach Benutzung. Eine weitere Verbesserung der Spülbarkeit wird durch Abrunden oder Anfasen der Seitenwände der Medienkammer gemäß 11C erreicht. Für ein Mehrwegeventil können gemäß 11D mehrere Ventilsitze 37, 37' in einer gemeinsamen Medienkammer 38 angeordnet sein. Gemäß 11 E können mehrere getrennte Medienkammern 38, 38' mit jeweils zugeordneten Ventilsitzen nebeneinander angeordnet sein und über einen Abflusskanal 73 mit einem gemeinsamen Medienabfluss 36 verbunden sein. Der Abflusskanal 73 kann bei geeigneter Ausführung als Mischer für zwei oder mehr durch das Ventil zu schaltende Medien dienen.
Die Erfindung beschreibt somit ein aktuatorbetriebenes Ventil in extrem flacher Bauweise, das in einer Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen einsetzbar ist und sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass es durch dessen einfachen Aufbau an unterschiedliche Anwendungen im Sinne eines Baukastens in einfacher Weise angepasst werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Aktuator
2: Kernelement
3: Dichtelement
4: Membran
5: Fluidteil
7: Deckelelement
8: Ventilkugel
9: Rückstellelement
10: Dichtlippe
12: Verbindungsschraube
13: Vorspannelement
14: Aktuatormatte
15: Verbindungsschraube
17: Klemmring
23: Flachform-Rückstellelement
24: Durchflusssensor
25: Mikrocontroller
26: Aktuatorsteg
27: Kontaktfläche
28: Durchloch
29: Stützsteg
30: Leiterbahnen
31: Durchloch mit Gewinde
34: Dichtscheibe
35: Medienzufluss
36: Medienabfluss
37: Ventilsitz
38: Medienkammer
39: Befestigungsloch
40: Klemmring
41: Ausgleichskugel
42: Kragen
43: Absatz
44: Elektrischer Anschluss
45: Tasche
46: Kanal
47: Dichtring
48: Leitfähige Schicht
49: Isolationsschicht
50: Kernmaterial
51: Stößelführung
52: Kontaktfläche
53: Zentrales Durchloch
54: Aktuatorsteg: Kirigami-Ausführung
55: Aktuatorsteg: mäanderförmig
56: Aktuatorsteg: Spiralarm
57: Rahmen
58: Federarm
59: Federarm: Kirigami-Ausführung
60: Federarm: Mäander
61: Federarm: Biegebalken
62: Federarm: Spiralarm
63: Orientierungsloch
64: Vorspannfeder
65: Elektrischer Anschluss: Common Ground / Erde
66: Referenzebene
67: Elektrischer Durchkontakt (Via)
68: Stromzuführung
69: Abschlussplatte
70: Stößelrückhaltekragen
71: Klemmpassung
72: Durchloch (ohne Gewinde)
73: Abflusskanal / Mischer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19963499 A1 [0002]
DE 102004059188 A1 [0003]
DE 102010015447 A1 [0005]
US 6691977 B2 [0006]
US 5325880 [0006]
DE 19821841 C1 [0007]
DE 102008027325 B4 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Johannes Barth, Christoph Megnin und Manfred Kohl, Journal of Mikroelectromechanical System, Vol. 21, No. 1. February 2012 [0008]

Claims

Ventil zum Schalten von Medien, insbesondere von Flüssigkeiten oder Gasen, wobei das Ventil mittels wenigstens eines Aktuators (1), der aus einer Formgedächtnislegierung, im weiteren kurz FGL genannt, hergestellt ist, zu öffnen und/oder zu schließen ist und/oder in einen definierten Zwischenzustand zwischen geöffnet und geschlossen versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine in einem Kernelement (2) aufgenommene Ventilkugel (8) oder ein in diesem Kernelement (2) aufgenommener Stößel von wenigstens einem aus einer FGL hergestellten Aktuator (1) derart übergriffen ist, dass die Ventilkugel (8) oder der Stößel derart höhenverstellbar ist, dass hierdurch eine unterhalb der Ventilkugel (8) oder des Ventilstößels angeordnete mediendichte Membran (4) den Durchfluss eines Mediums durch ein unterhalb der Membran (4) angeordnetes Fluidteil (5) eröffnet, unterbrochenen oder teilweise eröffnet ist, wobei bestromtem Aktuator (1) der Aktuator (1) sich in Richtung seiner flachen Gedächtnisform verformt und somit die Ventilkugel (8) oder den Ventilstößel freigibt, so dass das Ventil geöffnet ist, wohingegen bei Unterbrechung der Stromzufuhr der Aktuator (1) den Ventilstößel oder die Ventilkugel (8) gegen den Ventilsitz (37) presst und somit das Ventil geschlossen ist und wobei das Kernelement (2) aus einem mechanisch steifen und thermisch gut leitenden Material (50) hergestellt ist, sowie mehrere jeweils Durchlöcher (31) zur unterseitigen Verbindung mit dem Fluidteil (5) und der Membran (4) aufweist und /oder zur oberseitigen Verbindung mit dem Aktuator (1) und Deckelelement (7).
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkugel (8) oder der Stößel bei Bestromung des Aktuators (1) geschlossen ist, sowie bei unterbrochener Stromversorgung geöffnet ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (2) oberseitig von einem Deckelelement (7) unter Zwischenlage des Aktuators (1) unter Ausbildung einer Klemmverbindung übergriffen ist, wobei das Kernelement (2) seinerseits unterseitig von einem Fluidteil (5) untergriffen ist, das einen Medienzufluss (35, 35') und einen Medienabfluss (36) aufweist, wobei die Strömungsverbindung zwischen Medienzufluss (35, 35') und Medienabfluss (36) mittels wenigstens einer in dem Kernelement (2) aufgenommenen Ventilkugel (8) oder wenigstens einem in dem Kernelement (2) aufgenommenen Ventilstößel derart zu verschließen ist, dass die wenigstens eine Ventilkugel (8) oder der wenigstens ein Ventilstößel unter Einwirkung des Aktuators (1) derart auf die Membran (4) gepresst wird, dass hierdurch der Strömungsweg innerhalb des Fluidteils (5) unterbrochen ist.
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelelement (7) mit dem Kernelement (2) mittels wenigstens zwei voneinander beabstandeter Schrauben unter Zwischenlage des Aktuators (1) verschraubt ist.
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienzufluss (35) über einen Ventilsitz (37) in eine Medienkammer (38) mündet, an die sich in Strömungsrichtung der Medienabfluss (36) innerhalb des Fluidteils (5) anschließt, wobei innerhalb der Medienkammer (38) ein Ventilsitz (37) derart angeordnet ist, dass der Zufluss in die Medienkammer (38) derart unterbrechbar ist, dass die unterhalb des Kernelementes (2) angeordnete Membran (4) den Zufluss und/oder den Abfluss der Medien unterbricht oder freigibt, indem die Membran unter Einwirkung der Ventilkugel (8) oder des Stößels in den Ventilsitz (37) gepresst wird oder diesen freigibt.
Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidteil (5) mit dem Kernelement (2) lösbar mittels um die Medienkammer (38) des Fluidteils (5) verteilt angeordneter Schrauben mit den hierzu mit einem Gewinde versehen Durchlöchern (31) des Kernelementes (2) unter Zwischenlage einer Membran (4) und einer Ventilkugel (8) bzw. eines Ventilstößels verschraubt und damit lösbar verbunden ist.
Ventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidteil (5) oberseitig und/oder das Kernelement (2) unterseitig mit einer umlaufenden Dichtlippe (10) zur vollständigen Abdichtung der Membran (4) gegenüber dem Fluidteil (5) versehen ist.
Ventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das unterseitige Fluidteil (5) mit dem Kernelement (2) unter Zwischenlage eines , vorzugsweise mediendichten, Dichtelementes (3), das aus einem weichen Material hergestellt ist, in der Einbaulage oberhalb der Membran (4) angeordnet ist, dichtend verbunden ist.
Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) und/oder die Membran (4) aus einem Elastomer hergestellt sind, vorzugsweise aus PDMS oder EPDM, hergestellt sind.
Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) eine zentrale Dichtscheibe (34) umfasst, die an dünnen, voneinander beabstandet angeordneten Stegen befestigt ist, die sich von einem umlaufenden Rahmen oder einer inneren umlaufenden Struktur des Dichtelementes (3) nach innen derart erstrecken, dass diese Dichtscheibe (34) in Richtung des Ventilsitzes (37) und/oder von diesem weg bewegbar in dem Rahmen oder der inneren umlaufenden Struktur des Dichtelementes (3) aufgehängt ist.
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator oberhalb des Kernelementes (2) und unterhalb des Deckelelements (7), vorzugsweise unter Zwischenlage einer aus einem elastischen Material gefertigten Aktuatormatte (14) zwischen Deckelelement (7) und Aktuator (1) eingesetzt ist, wobei Kernelement (2) und Deckelelement (7) unter Zwischenlage des Aktuators (1) miteinander verschraubt sind.
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (1) aus einem Flachmaterial aus einer FGL hergestellt ist, wobei er mindestens zwei voneinander getrennte elektrische Kontaktflächen (27) enthält, die durch eine zwischen diesen Kontaktflächen gelegene variable Anordnung von Aktuatorstegen (26) leitend verbunden werden, und bestrombar innerhalb des Deckelelements (7) aufgenommen sind, wobei die Kontaktflächen (27) ein Durchloch (28) für die Durchführung einer Schraube oder Niete enthalten können.
Ventil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (2) definierte Kontaktflächen (27) des Aktuators (1) abdeckt, jedoch Aussparungen aufweist, die eine freie Bewegung der Aktuatorstege (26) zulässt.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (2) auf seiner dem Aktuatorelement (1) zugewandten Oberseite mit wenigstens zwei voneinander getrennten Leiterbahnen (30), vorzugsweise bestehend aus Kupfer oder Kupfer mit einer Oberflächenvergütung aus Gold, Nickel, Silber oder anderen gut leitenden und vorzugsweise nicht oxidierenden Materialien, versehen ist, und hierdurch die elektrische Kontaktierung des in leitender Verbindung mit diesen Leiterbahnen angeordneten, ggf. jeweils ein Durchloch (31) für eine Schraube oder Niete aufweisende, Kontaktflächen (27) des Aktuators (1) realisiert ist, wobei das Kernelement (2) über auf dem Kernelement (2) angeordneten elektrischen Kontakten (44, 44') mit zwei außerhalb des Ventils angeordneten Anschlusspolen einer Stromzufuhr (68) verbunden ist.
Ventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (27, 27') der Aktuatorstege (26) zum Anschluss an die elektrische Stromversorgung (68) so positioniert sind, dass die durch die Aktuatorstege (26, 54, 55 und 56) gebildeten Leiterlängen jeweils zumindest im Wesentlichen gleich lang sind und einen gleichmäßigen Querschnitt haben.
Ventil nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Aktuator (1) ein Rückstellelement (9), vorzugsweise eine Rückstellfeder zugeordnet ist, die derart zwischen dem Deckelelement (7) und der Ventilkugel (8) oder dem Ventilstößel eingespannt ist, dass deren Rückstellkraft, die der Wirkrichtung des Aktuators (1) entgegenwirkt, auf die Ventilkugel (8) oder den Ventilstößel übertragen wird und somit im unbestromten Zustand des Aktuators (1) den Strömungsweg des zu schaltenden Mediums verschließt.
Ventil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellfeder in Flachform ausgebildet ist, wobei die vor Spannung dieser Rückstellfeder über Stellschrauben anpassbar ist.
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorstege (26) des Aktuators (1) je nach Anwendung eine Kombination von mehreren, zwischen den Kontaktflächen (27) und ggf. innerhalb des Aktuatorrahmens, der vor der Inbetriebnahme des Aktuators (1) zu durchtrennen ist, angeordneten Aktuatorstegen (26) umfasst, die kreuzweise, sternförmig, spiralförmig (56), kirigamiförmig (54), mäanderförmig (55) oder als Biegebalken je nach Anwendung angeordnet sind und im unbestromten Zustand des Ventils stärker aus der Ebene heraus ausgelenkt sind, als im bestromten Zustand.
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidteil (5) drei Anschlüsse, nämlich zwei Medienzuflüsse (35, 35') und einen gemeinsamen Medienabfluss (36) aufweist, sowie zwei separate Medienkammern (38, 38'), die über einen Kanal bzw. über den Medienabfluss (36) miteinander verbunden sind, wobei jeder Medienkammer (38, 38') jeweils ein Ventilsitz (37, 37') und eine Ventilkugel (8) oder Ventilstößel sowie jeweils ein Aktuator (1, 1') zugeordnet ist.
Ventil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Aktuatoren (1) für eine normal geöffnete Ventilfunktion ausgelegt ist und der andere Aktuator (1') in Verbindung mit einem Rückstellelement (9) für eine normal-geschlossene Ventilfunktion ausgelegt ist, wobei die beiden Aktuatoren (1, 1') mittels einer auf dem Kernelement (2) angelegten leitenden Verbindung elektrisch in Serie geschaltet sind.
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Aktuatoren (1) und die diesen zugeordneten Ventilsitze (37) in einem einzigen Bauteil mit einem einzigen Kernelement (2) vereint sind.
Ventil nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Aktuatoren (1), die in dem Ventil angeordnet sind, elektrisch durch eine Parallelschaltung und/oder eine Serienschaltung oder sonstig miteinander verbunden sind bzw. einzeln ansteuerbar sind.
Ventil nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass sämtlichen Aktuatorelementen (1) eines Bauteils eine gemeinsame Elektrode (65) zugeordnet ist, so dass bei n unabhängig voneinander ansteuerbaren Aktuatoren n+1 Anschlüsse erforderlich sind, wobei vorzugsweise mehrere Aktuatorelemente in einer Zeilen-, Matrix-, Stern- oder sonstigen Anordnung zu einem einzigen Bauteil mit einer zumindest geteilten Kontaktfläche (27) zusammenlegbar sind.
Ventil nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich das Kernelement (2) mit weiteren elektronischen Komponenten, wie Batterien, Kondensatoren, Transistoren, Mikrocontrollern, Sensoren und weiteren elektrotechnischen Steuer- oder Regelungseinheiten, verbunden ist, die auf Leiterbahnen ein- oder beidseitig des Kernelementes (2) in dem Ventil angeordnet sind.