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Die vorliegende Erfindung betrifft ein pneumatisches Ventil sowie ein Verfahren zum Steuern eines derartigen Ventils. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Verstellvorrichtung zum Verstellen einer Kontur einer Sitzanlagefläche eines Fahrzeugsitzes, die ein derartiges pneumatisches Ventil aufweist.
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In einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten werden zur Steuerung von Fluidströmen pneumatische Ventile eingesetzt. Dabei ist es bekannt, zur Betätigung solcher Ventile sogenannte SMA-Elemente aus einer Formgedächtnislegierung (shape memory alloy = SMA), beispielsweise einer NiTi-Legierung, zu verwenden. Die Formgedächtnislegierungselemente werden durch Beaufschlagen mit elektrischer Energie, insbesondere elektrischem Strom, und dem damit verbundenen Energieeintrag erwärmt, wodurch sich die Formgedächtnislegierungselemente verformen. Nach einer anschließenden Abkühlung erreichen die Formgedächtnislegierungselemente wieder ihre ursprüngliche Form.
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Häufig werden zum Betätigen von pneumatischen Ventilen Formgedächtnislegierungselemente in der Form von Drähten verwendet. In diesen Fällen führt eine Erwärmung der Formgedächtnislegierungselemente zu einer Längenänderung des Drahtes, die dazu verwendet werden kann, ein Stellelement des pneumatischen Ventils zu bewegen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich eine übermäßige Erwärmung des Formgedächtnislegierungselements bzw. ein übermäßiger Energieeintrag in das Formgedächtnislegierungselement nachteilig auf die Lebensdauer des Formgedächtnislegierungselements auswirken kann.
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Aus dem Dokument
DE 10 2016 219 342 A1 ist ein pneumatisches Ventil mit einer beweglichen Ventilklappe zum Öffnen und Schließen eines Luftanschlusses bekannt. Die Ventilklappe ist mechanisch an ein SMA-Element gekoppelt. Durch Zufuhr von elektrischer Energie wird das SMA-Element verkürzt, sodass die Ventilklappe den Luftanschluss öffnet. Bei einer Beendigung der Zufuhr von elektrischer Energie kehrt das SMA-Element in seine ursprüngliche Form zurück, sodass die Ventilklappe den Luftanschluss schließt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein über eine lange Lebensdauer arbeitendes pneumatisches Ventil mit einem Formgedächtnislegierungselement bereitzustellen. Ferner besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum Steuern eines derartigen Ventils sowie eine Verstellvorrichtung mit einem derartigen Ventil zum Verstellen einer Kontur einer Sitzanlagefläche eines Fahrzeugsitzes bereitzustellen.
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Diese Aufgaben werden durch ein pneumatisches Ventil gemäß dem Patentanspruch 1, ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 8 und eine Verstellvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein pneumatisches Ventil, insbesondere ein pneumatisches Ventil für eine Verstellvorrichtung zum Verstellen einer Kontur einer Sitzanlagefläche eines Fahrzeugsitzes, bereitgestellt. Das pneumatische Ventil umfasst ein Ventilgehäuse, das einen Fluidanschluss aufweist, ein Schließelement, das den Fluidanschluss schließt und bei Betätigung des Schließelements den Fluidanschluss öffnet. Das pneumatische Ventil umfasst ferner eine Betätigungseinheit, die das Schließelement betätigt, sowie ein Formgedächtnislegierungselement, das mit dem Ventilgehäuse und der Betätigungseinheit gekoppelt ist und sich bei Beaufschlagung mit elektrischer Energie bzw. durch Eintrag von elektrischer Energie derart verformt, dass die Betätigungseinheit bewegt wird. Das pneumatische Ventil umfasst ferner eine Kontakteinheit, die mit der Betätigungseinheit und dem Schließelement verbindbar ist zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes zwischen der Betätigungseinheit und dem Schließelement. Die Betätigungseinheit kann ferner bei Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements mit drei unterschiedlichen elektrischen Energien bzw. Energieeinträgen drei unterschiedliche Schaltstellungen einnehmen. Ein Eintrag von elektrischer Energie erfolgt beispielsweise dadurch, dass das Formgedächtnislegierungselement mit einer Leistung (die beispielsweise von einer Leistungselektronik bereitgestellt wird) über eine bestimmte Zeit beaufschlagt wird. In der ersten Schaltstellung der Betätigungseinheit betätigt die Betätigungseinheit das Schließelement derart, dass der Fluidanschluss geöffnet ist. In der zweiten Schaltstellung betätigt die Betätigungseinheit das Schließelement nicht, sodass der Fluidanschluss geschlossen ist, wobei der elektrische Kontakt zwischen Betätigungseinheit und dem Schließelement hergestellt ist. In der dritten Schaltstellung betätigt die Betätigungseinheit das Schließelement ebenfalls nicht, sodass der Fluidanschluss geschlossen bleibt, jedoch ist der elektrische Kontakt zwischen der Betätigungseinheit und dem Schließelement nicht hergestellt. Indem in der zweiten Schaltstellung der elektrische Kontakt zwischen der Betätigungseinheit und dem Schließelement hergestellt ist und in der dritten Schaltstellung der elektrische Kontakt zwischen der Betätigungseinheit und dem Schließelement nicht hergestellt ist, wird ein pneumatisches Ventil bereitgestellt, bei dem es möglich ist, das Formgedächtnislegierungselement wechselweise mit einer elektrischen Energie zu beaufschlagen (beispielsweise wenn der Kontakt hergestellt ist) bzw. nicht zu beaufschlagen (beispielsweise wenn der Kontakt nicht hergestellt ist). Dadurch kommt es zur wechselweisen Erwärmung bzw. Abkühlung des Formgedächtnislegierungselements, wodurch die Betätigungseinheit selbststätig zwischen der zweiten und der dritten Schaltstellung oszillieren kann. Diese Oszillationen der Betätigungseinheit zwischen der zweiten und der dritten Schaltstellung, die auch als Mikrozyklen bezeichnet werden können, haben zur Folge, dass das Formgedächtnislegierungselement nur kurzzeitig mit elektrischer Energie beaufschlagt wird, wodurch der Materialverschleiß des Formgedächtnislegierungselements verringert und damit die Lebensdauer des Formgedächtnislegierungselements bzw. des pneumatischen Ventils verlängert werden kann. Da die Betätigungseinheit zudem in der zweiten als auch in der dritten Schaltstellung das Schließelement nicht betätigt, sodass der Fluidanschluss sowohl in der zweiten als auch in der dritten Schaltstellung geschlossen ist, wird mit dem erfindungsgemäßen pneumatischen Ventil auch sichergestellt, dass trotz Oszillationen der Betätigungseinheit der Fluidanschluss zuverlässig geschlossen bleibt und keine unerwünschte Leckage an dem Fluidanschluss auftritt.
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Vorzugsweise ist das pneumatische Ventil derart eingerichtet, dass in der ersten Schaltstellung der Betätigungseinheit das Formgedächtnislegierungselement mit keinem elektrischen Energieeintrag beaufschlagt ist bzw. der elektrische Energieeintrag den Wert Null aufweist. Durch diese Ausgestaltung ist der Fluidanschluss des pneumatischen Ventils ohne Energiezufuhr zum Formgedächtnislegierungselement stets offen. Dadurch wird ein pneumatisches NO-Ventil (normally-open-Ventil) geschaffen, das über eine lange Lebensdauer zuverlässig arbeiten kann und trotz Mikrozyklen keine Leckage am Fluidanschluss aufweist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das pneumatische Ventil ein erstes vorgespanntes elastisches Federelement auf, das mit dem Ventilgehäuse und der Betätigungseinheit gekoppelt ist und derart eingerichtet ist, dass die Betätigungseinheit in der ersten Schaltstellung das Schließelement zum Öffnen des Fluidanschlusses betätigt. Beispielsweise kann das erste vorgespannte elastische Federelement eine Spiralfeder sein, die die Betätigungseinheit in der ersten Schaltstellung gegen das Schließelement drückt, sodass der Fluidanschluss geöffnet wird.
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Vorzugsweise weist das pneumatische Ventil ferner ein zweites vorgespanntes elastisches Federelement auf, das mit dem Ventilgehäuse und dem Schließelement gekoppelt ist und derart eingerichtet ist, dass das Schließelement den Fluidanschluss ohne Betätigung durch die Betätigungseinheit schließt. Beispielsweise kann das pneumatische Ventil eine zweite Spiralfeder aufweisen, die das Schließelement ohne Betätigung durch die Betätigungseinheit gegen den Fluidanschluss drückt, um den Fluidanschluss zu schließen. Es ist aber auch denkbar, dass das Schließelement selbst als zweites vorgespanntes elastisches Federelement ausgebildet ist. Beispielsweise kann das Schließelement eine Blattfeder sein, die ohne Betätigung durch die Betätigungseinheit den Fluidanschluss selbsttätig schließt.
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Weiter vorzugsweise ist dabei eine Federkraft des ersten vorgespannten elastischen Federelements größer als eine Federkraft des zweiten vorgespannten elastischen Federelements, sodass die Betätigungseinheit in der ersten Schaltstellung das Schließelement zum Öffnen des Fluidanschlusses betätigt. Dadurch kann auf relativ einfache und kostengünstige Weise ein NO-Ventil geschaffen werden, das in der ersten Schaltstellung der Betätigungseinheit den Fluidanschluss öffnet und in der zweiten und dritten Schaltstellung den Fluidanschluss jeweils zuverlässig schließt, wobei gleichzeitig Oszillationen der Betätigungseinheit zwischen der zweiten und dritten Schaltstellung möglich sind.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Betätigungseinheit an einem ersten Kopplungspunkt mit dem Ventilgehäuse gekoppelt und um den ersten Kopplungspunkt drehbar. Ferner ist das Schließelement an einem zweiten Kopplungspunkt mit dem Ventilgehäuse gekoppelt und um den zweiten Kopplungspunkt drehbar. Der erste Kopplungspunkt und der zweite Kopplungspunkt sind ferner derart angeordnet, dass beim Betätigen des Schließelements durch die Betätigungseinheit eine Drehung der Betätigungseinheit in eine Drehung des Schließelements umgewandelt wird und die Drehung der Betätigungseinheit und die Drehung des Schließelements die gleiche Drehrichtung aufweisen. Indem die Betätigungseinheit und das Schließelement die gleiche Drehrichtung aufweisen können Reibungsverluste beim Betätigen des Schließelements durch die Betätigungseinheit verringert werden. Gleichzeitig führt eine derartige Anordnung auch dazu, dass der erste Kopplungspunkt und der zweite Kopplungspunkt auf der gleichen Seite des pneumatischen Ventils bezüglich des Fluidanschlusses angeordnet sind. Dies hat zur Folge, dass die Baulänge des pneumatischen Ventils verringert und damit der Einbauraum des Ventils reduziert werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Kontakteinheit ein flexibles elektrisches Leitungselement auf, dessen erstes Ende mit der Betätigungseinheit verbunden ist und dessen zweites Ende mit dem Schließelement verbindbar ist. Alternativ ist es auch möglich, dass das erste Ende des flexiblen elektrischen Leitungselements mit dem Schließelement verbunden ist und dass das zweite Ende des flexiblen elektrischen Leitungselements mit der Betätigungseinheit verbindbar ist. Da die Kontakteinheit ein flexibles elektrisches Leitungselement aufweist, ist es möglich, dass die Betätigungseinheit in der zweiten Schaltstellung kleinere Bewegungen durchführen kann, ohne dass die Betätigungseinheit das Schließelement betätigt jedoch der elektrische Kontakt zwischen der Betätigungseinheit und dem Schließelement geschlossen bleibt. Derartige Bewegungen der Betätigungseinheit in der zweiten Schaltstellung treten beispielsweise durch Wärmeübertragungseffekt während des Abkühlens und Erwärmens des Formgedächtnislegierungselements auf.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern eines pneumatischen Ventils gemäß dem ersten Aspekt bzw. Ausgestaltungen davon offenbart. Das Verfahren umfasst den Schritt des Öffnens des Fluidanschlusses durch Beaufschlagen des Formgedächtnislegierungselements mit einer ersten elektrischen Energie bzw. mit einem ersten elektrischen Energieeintrag, wodurch die Betätigungseinheit die erste Schaltstellung einnimmt und durch Betätigen des Schließelements den Fluidanschluss öffnet. Das Verfahren umfasst ferner das Schließen des Fluidanschlusses durch Beaufschlagen des Formgedächtnislegierungselements mit einer zweiten oder einer dritten elektrischen Energie bzw. mit einem zweiten oder einem dritten elektrischen Energieeintrag, wodurch die Betätigungseinheit die zweite bzw. dritte Schaltstellung einnimmt, in der die Betätigungseinheit das Schließelement jeweils nicht betätigt, sodass der Fluidanschluss geschlossen ist, jedoch wechselweise der elektrische Kontakt zwischen der Betätigungseinheit und dem Schließelement hergestellt bzw. nicht hergestellt ist.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Verstellvorrichtung zum Verstellen einer Kontur einer Sitzanlagefläche eines Fahrzeugsitzes offenbart. Die Verstellvorrichtung umfasst eine Fluidkammer zum Verstellen der Kontur der Sitzanlagefläche und ein pneumatisches Ventil gemäß dem ersten Aspekt bzw. Ausgestaltungen davon, wobei der Fluidanschluss des pneumatischen Ventils ein erster Fluidanschluss ist, der mit der Umgebung verbunden ist, und das Ventilgehäuse ferner einen zweiten Fluidanschluss aufweist, der mit der Fluidkammer verbunden ist. Das pneumatische Ventil kann ferner einen dritten, insbesondere steuerbaren, Fluidanschluss aufweisen, der mit einer Fluidquelle verbunden ist.
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Im Folgenden sollen nun exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils, das eine Betätigungseinheit, die drei Schaltstellungen einnehmen kann, umfasst;
- 2 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils, dessen Betätigungseinheit in einer ersten Schaltstellung dargestellt ist, wobei das erfindungsgemäße pneumatische Ventil beispielhaft in einer Verstellvorrichtung zum Verstellen einer Kontur einer Sitzanlagefläche eines Fahrzeugsitzes verwendet wird;
- 3 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils, dessen Betätigungseinheit in einer zweiten Schaltstellung dargestellt ist; und
- 4 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils, dessen Betätigungseinheit in einer dritten Schaltstellung dargestellt ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils beschrieben, wobei das erfindungsgemäße pneumatische Ventil zum Befüllen und/oder Entleeren einer Fluidkammer in einer Verstellvorrichtung zum Verstellen einer Kontur einer Sitzanlagefläche eines Fahrzeugsitzes verwendet wird. Selbstverständlich können die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen auch für pneumatische Ventile verwendet werden, die in anderen Verwendungszwecken genutzt werden.
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Es sei zunächst auf 1 verwiesen, die eine schematische Ansicht eines pneumatischen Ventils PV zeigt. Das pneumatische Ventil PV umfasst ein Ventilgehäuse VG mit einem Fluidanschluss, ein Schließelement SE zum Öffnen und Schließen des Fluidanschlusses und eine Betätigungseinheit BE zum Betätigen des Schließelements SE, wie näher in Zusammenhang mit 2 bis 4 beschrieben wird.
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Das pneumatische Ventil PV umfasst ferner ein Formgedächtnislegierungselement SMA, das mit dem Ventilgehäuse VG und der Betätigungseinheit BE verbunden ist und sich bei Beaufschlagung mit elektrischer Energie, insbesondere elektrischem Strom, derart verformt, dass die Betätigungseinheit BE entlang einer vorbestimmten Bewegungsbahn bewegt wird. Wie in Zusammenhang mit 2 bis 4 deutlich wird, kann die Betätigungseinheit BE dabei in Abhängigkeit von drei unterschiedlichen elektrischen Energien bzw. Energieeinträgen drei unterschiedliche Schaltstellungen einnehmen.
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Es sei nun auf 2 verwiesen, die eine schematische Schnittansicht des pneumatischen Ventils PV von 1 entlang der Linie I-I zeigt, wobei die Betätigungseinheit BE in 2 in der ersten Schaltstellung gezeigt ist.
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Wie ferner in 2 exemplarisch dargestellt ist, wird das pneumatische Ventil PV in einer Verstellvorrichtung VV zum Verstellen einer Kontur K einer Sitzanlagefläche SAF eines Fahrzeugsitzes FZS verwendet.
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Das pneumatische Ventil PV weist dafür das Ventilgehäuse VG auf, das einen ersten Fluidanschluss FA1, einen zweiten Fluidanschluss FA2 und einen dritten, insbesondere steuerbaren, Fluidanschluss FA3 umfasst. Der erste Fluidanschluss FA1 ist mit der Umgebung des pneumatischen Ventils PV verbunden und kann über das Schließelement SE in Zusammenspiel mit der Betätigungseinheit BE geöffnet und geschlossen werden. Der zweite Fluidanschluss FA2 ist mit der Fluidkammer FK verbunden, die zur Verstellung der Kontur K dient. Der dritte Fluidanschluss FA3 ist ein steuerbarer Fluidanschluss, mit dem es möglich ist, ein unter Druck stehendes Fluid, dass von einer Fluidquelle FQ bereitgestellt wird, in das Innere des Ventilgehäuses VG gesteuert einzulassen.
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Durch diese Anordnung ist es beispielsweise möglich, ein unter Druck stehendes Fluid über den gesteuerten Fluidanschluss FA3 in das Innere des Ventilgehäuses VG einzulassen und bei einem geschlossenen Fluidanschluss FA1 das unter Druck stehende Fluid über den Fluidanschluss FA2 in die Fluidkammer FK einzulassen. Dadurch vergrößert sich ein Volumen der Fluidkammer FK, wodurch die Kontur K der Sitzanlagefläche SAF verändert werden kann. Ferner ist es möglich, das in der Fluidkammer befindliche Fluid FK über den geöffneten Fluidanschluss FA1 der Umgebung zuzuführen, sodass sich das Volumen der Fluidkammer FK wieder verkleinert.
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Im Folgenden soll nun insbesondere auf das Öffnen und Schließen des Fluidanschlusses FA1 mittels des Schließelements SE und der Betätigungseinheit BE eingegangen werden.
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Wie bereits in Zusammenhang mit 1 angesprochen wurde, kann die Betätigungseinheit BE drei unterschiedliche Schaltstellungen einnehmen, wobei 2 die erste Schaltstellung der Betätigungseinheit zeigt.
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In der ersten Schaltstellung der Betätigungseinheit BE ist der Fluidanschluss FA1 geöffnet. In der ersten Schaltstellung betätigt die Betätigungseinheit das Schließelement SE derart, dass ein Dichtelement DE des Schließelements SE vom Dichtsitz des Fluidanschlusses FA1 abhebt. Die Betätigungseinheit BE ist hierfür über ein erstes vorgespanntes elastisches Federelement FE1 mit dem Ventilgehäuse VG derart gekoppelt, dass die Betätigungseinheit BE gegen das Schließelement SE drückt und der Fluidanschluss FA1 geöffnet wird. Im konkreten Beispiel von 2 ist das erste vorgespannte elastische Federelement FE1 eine Spiralfeder, die auf die Betätigungseinheit BE drückt.
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Das pneumatische Ventil PV weist ferner ein zweites vorgespanntes elastisches Federelement FE2, wie beispielsweise eine Spiralfeder, auf, das mit dem Ventilgehäuse VG und dem Schließelement SE gekoppelt ist und ohne Betätigung durch die Betätigungseinheit BE den Fluidanschluss FA1 selbsttätig schließt. In anderen Ausführungsformen kann das Schließelement SE aber auch selbst als zweites vorgespanntes elastisches Federelement FE2 ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Schließelement SE als Blattfeder ausgebildet sein, die mit dem Ventilgehäuse VG gekoppelt und dazu eingerichtet ist, ohne Betätigung durch die Betätigungseinheit BE den Fluidanschluss FA1 selbsttätig zu schließen. Die Federkraft des ersten vorgespannten elastischen Federelements FE1 ist dabei stets größer als die Federkraft des zweiten vorgespannten elastischen Federelements FE2, sodass die Betätigungseinheit BE das Schließelement SE vom Dichtsitz des Fluidanschlusses FA1 wegdrücken kann und dadurch der Fluidanschluss FA1 geöffnet wird.
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Wie bereits angesprochen wurde, weist das pneumatische Ventil ferner ein Formgedächtnislegierungselement SMA in Form eines Drahtes auf, das mit der Betätigungseinheit BE und dem Ventilgehäuse VG gekoppelt ist. Im konkreten Beispiel von 2 ist in der ersten Schaltstellung der Betätigungseinheit BE das Formgedächtnislegierungselement SMA nicht mit elektrischer Energie bzw. elektrischem Strom beaufschlagt. Das heißt es erfolgt kein elektrischer Energieeintrag in das Formgedächtnislegierungselement SMA. In diesem Zustand weist das Formgedächtnislegierungselement eine Länge L1 auf, die derart bemessen ist, dass das vorgespannte elastische Federelement FE1 die Betätigungseinheit BE gegen das Schließelement SE drücken kann, sodass der Fluidanschluss FA1 geöffnet ist.
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Da in der ersten Schaltstellung der Betätigungseinheit BE dem Formgedächtnislegierungselement SMA keine elektrische Energie bzw. kein elektrischer Strom zugeführt wird, befindet sich das Ventil PV im unbestromten Zustand im geöffneten Zustand. Es handelt sich hierbei demnach um ein pneumatisches NO-Ventil (normally-open-Ventil).
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Wie ferner in 2 gezeigt ist, umfasst das pneumatische Ventil PV eine Kontakteinheit KE, die in der ersten Schaltstellung der Betätigungseinheit BE einen elektrischen Kontakt zwischen der Betätigungseinheit BE und dem Schließelement SE herstellt. Die Kontakteinheit ist im konkreten Beispiel von 2 als flexibles elektrisches Leitungselement ELE, insbesondere als flexibler elektrischer Leiter, ausgebildet, dessen erstes Ende mit der Betätigungseinheit BE verbunden ist und dessen zweites Ende mit dem Schließelement SE verbindbar ist. Das flexible elektrische Leitungselement ELE wird dazu verwendet, einen Energieeintrag in das Formgedächtnislegierungselement SMA bzw. eine Zufuhr von elektrischer Energie bzw. elektrischem Strom zu dem Formgedächtnislegierungselement SMA zu steuern. Dem Formgedächtnislegierungselement SMA wird dann elektrische Energie zugeführt, wenn ein elektrischer Kontakt zwischen der Betätigungseinheit BE und dem Schließelement SE hergestellt bzw. geschlossen ist und dem Formgedächtnislegierungselement SMA wird keine elektrische Energie zugeführt, wenn ein elektrischer Kontakt zwischen der Betätigungseinheit BE und dem Schließelement nicht hergestellt bzw. offen ist. Der elektrische Kontakt ist dann hergestellt, wenn das flexible elektrische Leitungselement sowohl die Betätigungseinheit BE als auch das Schließelement SE kontaktiert.
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Da wie im konkreten Beispiel von 2 gezeigt ist ein elektrischer Kontakt zwischen der Betätigungseinheit BE und dem Schließelement SE über das flexible elektrischer Leitungselement ELE hergestellt ist, wird das Formgedächtnislegierungselement SMA in der ersten Schaltstellung der Betätigungseinheit BE mit elektrischer Energie bzw. elektrischem Strom beaufschlagt. Durch diesen Energieeintrag kommt es zur Erwärmung des Formgedächtnislegierungselements SMA, wodurch sich die Form bzw. die Länge des Formgedächtnislegierungselement SMA ändert. Insbesondere verkürzt sich die Länge des Formgedächtnislegierungselements SMA bei Erwärmung des Formgedächtnislegierungselements SMA. Die Verkürzung hat zur Folge, dass sich die Betätigungseinheit BE entgegen der Federkraft des ersten vorgespannten elastischen Federelements FE1 bewegt.
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Wie ferner in 2 zu sehen ist, weist die Betätigungseinheit einen ersten Kopplungspunkt bzw. einen ersten Drehpunkt KP1 auf, der die Betätigungseinheit BE mit dem Ventilgehäuse koppelt. Die Betätigungseinheit BE ist ferner um den ersten Kopplungspunkt KP1 drehbar, sodass sich die Betätigungseinheit BE durch die Verkürzung des Formgedächtnislegierungselements SMA gegen den Uhrzeigersinn um den ersten Kopplungspunkt KP1 dreht.
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Es sei nun auf 3 verwiesen, in der das pneumatische Ventil PV von 2 gezeigt ist. Im Unterschied zu 2 wird in 3 die Betätigungseinheit BE in der zweiten Schaltstellung gezeigt.
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In der zweiten Schaltstellung betätigt die Betätigungseinheit BE das Schließelement SE nicht, sodass das Schließelement aufgrund der Federkraft des zweiten vorgespannten elastischen Federelements FE2 gegen den Dichtsitz des Fluidanschlusses FA1 drückt, wodurch das Dichtelement DE den Fluidanschluss FA1 schließt.
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Das Schließen des Fluidanschlusses FA1 ist dadurch erfolgt, dass das Formgedächtnislegierungselement SMA aufgrund der Erwärmung und der damit einhergehenden Verkürzung eine gegenüber der Länge L1 verringerte Länge L2 aufweist. Durch diese Verkürzung des Formgedächtnislegierungselements SMA dreht sich die Betätigungseinheit BE um den ersten Kopplungspunkt KP1 entgegen dem Uhrzeigersinn, sodass die Betätigungseinheit BE entgegen der Federkraft des ersten vorgespannten elastischen Federelements FE1 bewegt wird und von dem Schließelement SE abhebt. Da das Schließelement SE über einen zweiten Kopplungspunkt KP2 mit dem Ventilgehäuse VG gekoppelt ist und um diesen drehbar ist, kann das Schließelement SE sich nun seinerseits aufgrund der Federkraft des zweiten vorgespannten elastischen Federelements FE2 um den zweiten Kopplungspunkt KP2 entgegen dem Uhrzeigersinn drehen und so den Fluidanschluss FA1 über das Dichtelement DE schließen.
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Das Schließelement SE und die Betätigungseinheit BE bewegen sich somit in der gleichen Drehrichtung, wobei mit dem Begriff „Drehrichtung“ die in den 2 bis 4 dargestellte Drehung um die Kopplungspunkte KP1 bzw. KP2 gemeint ist.
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Wie ferner in 3 gezeigt ist, ist in der zweiten Schaltstellung der Betätigungseinheit BE der elektrische Kontakt zwischen der Betätigungseinheit BE und dem Schließelement SE hergestellt. Dies ist dadurch gezeigt, dass das erste Ende E1 des flexiblen elektrischen Leitungselements ELE die Betätigungseinheit BE kontaktiert und das zweite Ende E2 des flexiblen elektrischen Leitungselements ELE das Schließelement SE kontaktiert. Dadurch ist der elektrische Kontakt zwischen der Betätigungseinheit BE und dem Schließelement SE hergestellt, wodurch das Formgedächtnislegierungselement weiterhin mit elektrischer Energie beaufschlagt wird bzw. dem Formgedächtnislegierungselement SMA weiterhin elektrische Energie zugeführt wird. Dieser Energieeintrag führt zu einer weiteren Erwärmung des Formgedächtnislegierungselements SMA und einer damit einhergehenden weiteren Verkürzung des Formgedächtnislegierungselements SMA.
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Es sei nun auf 4 verwiesen, in der das pneumatische Ventil PV von 3 gezeigt ist. Im Unterschied zu 3 wird in 4 die Betätigungseinheit BE in der dritten Schaltstellung gezeigt.
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In der dritten Schaltstellung betätigt die Betätigungseinheit BE das Schließelement SE ebenfalls nicht, sodass der Fluidanschluss FA1 geschlossen bleibt. Allerdings besteht im Unterschied zu 3 kein elektrischer Kontakt zwischen der Betätigungseinheit BE und dem Schließelement SE. Dies ist dadurch gezeigt, dass zwar das erste Ende E1 des flexiblen elektrischen Leitungselements ELE die Betätigungseinheit BE kontaktiert, das zweite Ende E2 des flexiblen elektrischen Leitungselements ELE das Schließelement SE jedoch nicht kontaktiert. Dadurch ist der elektrische Kontakt zwischen der Betätigungseinheit BE und dem Schließelement SE unterbrochen.
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Die Unterbrechung des Kontakts ist dadurch erfolgt, dass durch den weiteren Energieeintrag das Formgedächtnislegierungselement SMA derart weiter verkürzt wird, bis das Formgedächtnislegierungselement SMA eine Länge L3 einnimmt, bei der sich die Betätigungseinheit BE gerade soweit um den ersten Kopplungspunkt KP1 gedreht hat, dass das zweite Ende E2 des flexiblen elektrischen Leitungselements ELE vom Schließelement SE abhebt und das Schließelement SE nicht mehr kontaktiert.
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Da in der dritten Schaltstellung der Betätigungseinheit BE kein elektrischer Kontakt zwischen der Betätigungseinheit BE und dem Schließelement SE hergestellt ist, wird das Formgedächtnislegierungselement SMA nicht mit elektrischer Energie bzw. elektrischem Strom beaufschlagt. Dadurch kommt es zu einer Abkühlung des Formgedächtnislegierungselements SMA, wodurch sich die Länge des Formgedächtnislegierungselements SMA von der Länge L3 zur Länge L2 verändert. Da sich das Formgedächtnislegierungselement SMA aufgrund der Abkühlung verlängert, kann die Betätigungseinheit BE nun mithilfe der Federkraft des ersten vorgespannten elastischen Federelements FE1 im Uhrzeigersinn um den ersten Kopplungspunkt KP1 drehen. Durch die Drehung der Betätigungseinheit BE im Uhrzeigersinn und damit in Richtung hin zum Schließelement SE kann das zweite Ende E2 des flexiblen elektrischen Leitungselements ELE das Schließelement SE kontaktieren ehe die Betätigungseinheit BE das Schließelement SE betätigt. Die Betätigungseinheit BE nimmt dadurch wieder die zweite Schaltstellung (3) ein.
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Da nun der elektrische Kontakt zwischen der Betätigungseinheit BE und dem Schließelement SE wieder hergestellt ist, wird das Formgedächtnislegierungselement SMA wiederum mit elektrischer Energie bzw. elektrischem Strom beaufschlagt, wodurch es zu einem erneuten Energieeintrag und damit zu einer erneuten Verkürzung des Formgedächtnislegierungselements SMA kommt (Länge L3) . Durch die Verkürzung hebt wiederum das zweite Ende E2 des flexiblen elektrischen Leitungselements ELE vom Schließelement SE ab und der Kontakt zwischen der Betätigungseinheit BE und dem Schließelement SE wird unterbrochen.
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Sobald der Kontakt zwischen der Betätigungseinheit BE und dem Schließelement SE unterbrochen ist, wird das Formgedächtnislegierungselement SMA nicht länger mit elektrischer Energie bzw. elektrischem Strom beaufschlagt, sodass das Formgedächtnislegierungselement SMA aufgrund der Abkühlung erneut die Länge L2 einnimmt und damit die Betätigungseinheit BE automatisch von der dritten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung zurückkehrt.
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Diese Anordnung ermöglicht somit, dass sich die Betätigungseinheit BE selbsttätig zwischen der zweiten Schaltstellung und der dritten Schaltstellung hin und her bewegt bzw. zwischen der zweiten und der dritten Schaltstellung oszilliert, wobei wechselweise ein Kontakt zum Zuführen von elektrischer Energie zu dem Formgedächtnislegierungselement SMA hergestellt oder nicht hergestellt ist. Die Oszillation zwischen der zweiten und dritten Schaltstellung erfolgt solange, bis die Energiezufuhr zu dem Formgedächtnislegierungselement SMA endgültig unterbrochen wird und damit das Formgedächtnislegierungselement SMA in seine ursprüngliche Länge L1 übergehen kann, wodurch die Betätigungseinheit BE die erste Schaltstellung (2) erreicht und der Fluidanschluss FA1 wieder geöffnet wird.
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Da das Oszillieren der Betätigungseinheit BE zwischen der zweiten und dritten Schaltstellung ferner nicht zu einer Betätigung des Schließelements führt bzw. das Oszillieren der Betätigungseinheit BE zwischen der zweiten und dritten Schaltstellung unabhängig von einer Betätigung des Schließelements SE erfolgt, wird der Dichtsitz des Dichtelements DE am Fluidanschluss FA1 nicht durch das Oszillieren der Betätigungseinheit BE beeinträchtigt. Dadurch tritt keine unerwünschte Leckage am Fluidanschluss FA1 auf.
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Da dem Formgedächtnislegierungselement SMA in der ersten Schaltstellung (2) der Betätigungseinheit ferner keine elektrische Energie bzw. kein elektrischer Strom zugeführt wird und sich das pneumatische Ventil PV damit in einem offenen Zustand befindet, wird mit dem hier offenbarten pneumatischen Ventil PV ein NO-Ventil bereitgestellt, mit dem es möglich ist, Mikrozyklen beim Formgedächtnislegierungselement SMA bzw. der Betätigungseinheit BE durchzuführen, ohne die Dichtigkeit des Fluidanschlusses FA1 zu beeinträchtigen.
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Im Folgenden soll nun noch kurz auf ein Verfahren zum Steuern des pneumatischen Ventils PV eingegangen werden.
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Wie bereits in Zusammenhang mit 2 erläutert wurde, wird zum Öffnen des Fluidanschluss FA1 des pneumatischen Ventils PV das Formgedächtnislegierungselements SMA mit einer ersten elektrischen Energie bzw. mit einem ersten elektrischen Energieeintrag beaufschlagt, sodass die Betätigungseinheit BE die erste Schaltstellung (2) einnimmt und durch Betätigen des Schließelements SE den Fluidanschluss FA1 öffnet. Da es sich im konkreten Beispiel des pneumatischen Ventils PV um ein NO-Ventil handelt, ist für die erste Schaltstellung der Betätigungseinheit BE kein Energieeintrag notwendig bzw. weist der Energieeintrag den Wert Null auf. Das pneumatische Ventil PV befindet sich somit ohne Energieeintrag automatisch im offenen Zustand.
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Soll nun der Fluidanschluss FA1 des pneumatischen Ventils PV geschlossen werden, wird bei einer zum Formgedächtnislegierungselement SMA gehörenden Leistungselektronik eine Leistung angelegt. Dadurch wird das Formgedächtnislegierungselement SMA mit elektrischer Energie bzw. elektrischem Strom beaufschlagt, wodurch die Betätigungseinheit BE die zweite bzw. dritte Schaltstellung einnimmt, in der die Betätigungseinheit BE das Schließelement SE jeweils nicht betätigt, sodass der Fluidanschluss FA1 jeweils geschlossen ist, jedoch wechselweise der elektrische Kontakt zwischen der Betätigungseinheit BE und dem Schließelement SE hergestellt bzw. nicht hergestellt ist. Beim hergestellten Kontakt wird das Formgedächtnislegierungselement SMA derart verformt bzw. erwärmt, dass die Betätigungseinheit BE von der zweiten Schaltstellung in die dritte Schaltstellung wechselt, und beim nicht hergestellten Kontakt wird das Formgedächtnislegierungselement SMA derart verformt bzw. (durch die Umgebung) gekühlt, dass die Betätigungseinheit BE von der dritten in die zweite Schaltstellung wechselt. Dadurch oszilliert die Betätigungseinheit BE zwischen der zweiten und der dritten Schaltstellung solange eine elektrische Leistung von der Leistungselektronik zur Verfügung gestellt wird.
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Soll nun der Fluidanschluss FA1 erneut geöffnet werden, wird die Leistungselektronik abgeschaltet. Dadurch wird die Leistungszufuhr zu dem Formgedächtnislegierungselement SMA beendet, sodass die Betätigungseinheit BE von der dritten Schaltstellung über die zweite Schaltstellung zur ersten Schaltstellung zurückkehren kann und der Fluidanschluss FA1 automatisch geöffnet wird.
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Mit dieser Anordnung ist es möglich, auf einfache Weise eine Mikrozyklen-Steuerung bei einem NO-Ventil durchzuführen, ohne die Dichtigkeit des Fluidanschlusses zu beeinträchtigen.
