DE10257549B3

DE10257549B3 - Steuerbares Ventil

Info

Publication number: DE10257549B3
Application number: DE10257549A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Beyerlein; Markus Köpfer
Original assignee: Alfmeier Praezision AG Baugruppen und Systemlosungen
Current assignee: Alfmeier Praezision SE
Priority date: 2002-11-30
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2022-12-11

Abstract

Ein steuerbares Ventil enthält ein Absperrelement, das mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Das Absperrelement ist von einem Stellelement gegen die Wirkung eines Federelements bewegbar. Das Stellelement enthält ein Stellglied. Das Stellglied ist aus einer Formgedächtnislegierung gebildet. Das Stellglied ist ein Drahtabschnitt, der mit seinem einen Ende mittel- oder unmittelbar mit dem Absperrelementt antriebsmäßig verbunden ist. Das Ventil hat folgende Ausgestaltung: Das Stellelement umfasst einen Stapel aus parallel zueinander angeordneten Gleitschlitten, ein erster äußerer Gleitschlitten ist ortsfest fixiert, während die anderen Gleitschlitten in Richtung ihrer Längserstreckung verschiebbar sind, ein zweiter äußerer Gleitschlitten ist antriebsmäßig mit dem Absperrelement verbunden, und zwischen zwei benachbarten Gleitschlitten ist jeweils ein Drahtabschnitt angeordnet, der deren gegenüberliegenden Enden miteinander verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein steuerbares Ventil, insbesondere ein Pneumatikventil in einem Fahrzeugsitz. Solche Ventile werden zur Bereitstellung und Steuerung von Komfort- und Sicherheitsmerkmalen in Sitzen von Kraftfahrzeugen eingesetzt und enthalten im allgemeinen einen eine Ventilbohrung umgrenzenden Ventilsitz und ein Absperrelement, das im geschlossenen Zustand des Ventils am Ventilsitz dichtend anliegt. Zur Öffnung des Ventils wird das Absperrelement vom Ventilsitz weg bewegt und gibt so den Weg frei, dass ein Medium, z.B. Luft bei einem Pneumatikventil, durch die Ventilbohrung strömen kann.
In steuerbaren Ventilen wird als Stellglied in einem Stellelement oft ein Elektromagnet verwendet. Dieser bewegt das Absperrelement zwischen zwei Endstellungen, nämlich der dichtend am Ventilsitz anliegenden Position „Zu" und der den Ventilsitz bzw. die Ventilbohrung vollständig freigebenden Position „Auf" hin und her. Die Stellung „Zu" erlaubt keinen Volumenstrom durch das Ventil, die Stellung „Auf" den maximalen Volumenstrom. Eine Zwischenstellung, wie z.B. „30%" Volumenstrom" ist mit einem von einem Elektromagneten gesteuerten Ventil nicht realisierbar, da der Elektromagnet selbst nur zwischen zwei mechanischen Endpositionen hin und her schalten kann. Deshalb ist mit diesen Ventilen eine Volumenstromsteuerung nicht möglich.
Elektromagnete verursachen außerdem beim Wechsel zwischen ihren Endstellungen Anschlaggeräusche, die z.B. im Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs als störend empfunden werden. Weiterhin verursachen sie im steuernden Stromkreis durch die in ihnen enthaltenen elektrischen Spulen Spannungsspitzen oder andere teils unerwünschte Nebeneffekte wegen ihres induktiven elektrischen Charakters.
Als Alternative zu Elektromagneten finden elektrische Motoren in steuerbaren Ventilen Verwendung. Der Nachteil beim Einsatz eines sich drehenden Motors ist, dass teils aufwendige Mechanik, z.B. Getriebe und Zahnstangen, notwendig sind, um die Drehbewegung des Motors in eine Linearbewegung zur Verschiebung des Absperrelements umzusetzen. Elektrische Motoren verursachen außerdem wie Elektromagnete störende Geräusche und Vibrationen. Eine Verwendung von Linearmotoren hingegen bietet zwar den Vorteil einer möglichen direkten Ansteuerung des Dichtelements, jedoch sind die Kosten für einen Linearmotor für viele Ventilanwendungen, vor allem in der Massenfertigung, zu hoch.
Das Gewicht eines Ventils, das einen Elektromagneten oder Elektromotor enthält, ist wegen des Gewichts der Spulenwicklungen bzw. des Ankers im Motor bzw. Elektromagneten hoch.
Zwischenstellungen zwischen „Auf" und „Zu" bei Ventilen sind durch die Verwendung von Schrittmotoren möglich. Das Gewicht dieser Motoren ist im Vergleich zu anderen Motoren meist noch größer. Die Ansteuerung eines derartigen Motors ist nur mit erhöhtem schaltungstechnischen Aufwand möglich, was sich wiederum in höheren Kosten für das gesamte Ventil niederschlägt.
Die Ansteuerung von Ventilen mit Piezo-Keramik setzt meist ein kompliziertes und teueres Herstellungsverfahren voraus. Piezo-Elemente sind außerdem je nach Aufbau anfällig gegen äußere Belastungen wie Vibration, Stoß oder Druck auf das Ventilgehäuse. Zur Ansteuerung ist Hochspannung im Bereich über 100V notwendig, wodurch der Einsatz von Piezo-Elementen in vielen Anwendungen schon aus Sicherheitsgründen ausscheidet. Die Aktuatorkräfte eines Piezostellelements sind gering, wenn nicht großes Bauvolumen und Gewicht in Kauf genommen werden.

Aus der DE 199 63 499 A1 ist eine Ventilanordnung bekannt, bei der ein Ventilkörper über ein Formgedächtniselement betätigbar ist. Die Baulänge einer derartigen Anordnung ist jedoch verhältnismäßig groß, da ein Formgedächtniselement nur etwa eine Stellweg von 5% seiner Gesamtlänge hat. Eine Ausführung als Proportionalventil erfordert die Hintereinanderschaltung mehrere Formgedächtniselemente aus verschiedenen Materialien und/oder Geometrien.

Die DE 197 38 296 A1 offenbart einen Mechanismus zur Erzeugung von Stellbewegungen, der ebenfalls ein Formgedächtniselement beinhaltet. Hier wird durch ein zusätzliches, vom Formgedächtniselement bedientes Sprungwerk ein schnelles und definiertes Schaltverhalten, sowie definierte Schaltzustände des Mechanismus erreicht und die allmähliche Formänderung des Formgedächtniselements umgesetzt.

Die DE 43 22 731 A1 offenbart ein Ventil zur Regelung von Fluidströmen mit einem Stellorgan aus elektrisch heizbarem, gestaltserinnernden Werkstoff. Neben der externen Heizung des Stellorgans wird hierbei durch den Fluidstrom selbst in Zusammenwirkung mit dem Stellorgan das Temperaturverhalten des Werkstoffes ausgenutzt, um eine Regelfunktion zu realisieren. Das offenbarte Ventil ist wegen seiner integrierten Regelfunktion aufwendig ausgeführt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein steuerbares Ventil vorzuschlagen, das geräuscharm arbeitet, eine Steuerung des Volumenstroms ermöglicht und zudem möglichst gewichtsarm ist, und mit dem ein großer Stellhub ermöglicht ist.

Die Aufgabe wird bei einem Ventil der eingangs genannten Art nach Patentanspruch 1 folgendermaßen gelöst: Das Stellelement enthält ein Stellglied, das aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist. Das Stellglied ist ein Drahtabschnitt, der mit seinem einen Ende mittel- oder unmittelbar mit dem Absperrelement antriebsmäßig verbunden ist. Das Stellelement umfasst einen Stapel aus parallel zueinander angeordneten Gleitschlitten. Ein erster äußerer Gleitschlitten ist ortsfest fixiert, während die anderen Gleitschlitten in Richtung ihrer Längserstreckung verschiebbar sind. Ein zweiter äußerer Gleitschlitten ist antriebsmäßig mit dem Absperrelement verbunden. Zwischen zwei benachbarten Gleitschlitten ist jeweils ein Drahtabschnitt angeordnet, der deren gegenüberliegende Enden miteinander verbindet.

Ein aus einer Formgedächtnislegierung gebildetes Stellglied verändert oberhalb einer unteren Grenztemperatur T_S seine geometrische Form kontinuierlich mit steigender Eigentemperatur und verursacht hierdurch einen Stellhub. Da das Absperrelement vom Stellelement bewegt wird, verursacht der Stellhub des Stellelements einen Arbeitshub des Absperrelements. Bei üblichen Formgedächtnislegierungen liegt die Grenztemperatur T_S etwa bei 80°C. Bei einer oberen Grenztemperatur T_E ist die maximale Formänderung der Formgedächtnislegierung erreicht. Eine weitere Temperaturerhöhung bewirkt keine Formänderung mehr, sondern führt eher zu lebensdauerbegrenzendem Stress für das Material. Das Stellelement übt in Richtung seiner Formänderung eine Kraft aus, die gegen die von einem Federelement verursachte Kraft wirkt. Das Stellelement und damit das Stellglied sind durch das Federelement gegen den Stellhub federnd vorgespannt.

Aufgrund der einfachen Konstruktion des Ventils und des Fehlens von Drahtwicklungen oder Ankern in Motoren oder Elektromagneten kann das vorgeschlagene Ventil im Vergleich zu bisherigen Ventilen wesentlich gewichtssparender ausgeführt werden. Auch das Bauvolumen ist deshalb sehr gering. Die Energieaufnahme ist ebenso gering, da die Wärmekapazität der verhältnismäßig kleinen Stellglieder aus Formgedächtnislegierung verschwindend gering ist. Die Verstellung des Absperrelements geht praktisch geräuschlos von sich, da eine Formänderung in der Formgedächtnislegierung weder beim Erwärmen noch beim Abkühlen Geräusche verursacht.

Da die Expansion und Kontraktion der Formgedächtnislegierung ein kontinuierlicher Prozess ist, der beliebige Zwischenpositionen zwischen Vollkontraktion und Vollexpansion annehmen kann, ist ein beliebiger Grad der Ventilöffnung und somit eine Steuerung des durch das Ventil tretenden Volumenstromes möglich.

Bei einem aus einem Drahtabschnitt gebildeten Stellglied haben sich Drahtdurchmesser von ca. 0,06mm – O,1mm bewährt. Der Drahtabschnitt ist mit seinem einen Ende ortsfest z.B. am Gehäuse des Ventils fixiert und an seinem anderen Ende mit dem Absperrelement unmittelbar oder mittelbar verbunden. Ein mit einem Federelement vorgespannter Drahtabschnitt aus einer Formgedächtnislegierung hat die Eigenschaft, sich bei Erwärmung im Bereich zwischen den Grenztemperaturen T_S und T_E in Längsrichtung bis zu 8% zu kontrahieren. Hierbei kann bei einem Drahtdurchmesser von 0,06 mm eine Zugkraft von etwa 0,7mN erzeugt werden. Eine Formgedächtnislegierung in Form eines Drahts hat zudem den Vorteil, dass eine Erwärmung des Drahtabschnitts vor allem bei geringem Drahtdurchmesser sehr schnell möglich ist. Ebenso ist eine Abkühlung durch Temperaturausgleich mit der Umgebung ebenfalls sehr schnell möglich. So wird erreicht, dass sich kurze Schaltzeiten für das Ventil ergeben.

In vielen Fällen reicht die von einem einzelnen Drahtabschnitt erzeugte Längenänderung in Form des Stellhubs nicht aus. Erfindungsgemäß wird eine Stellhubvergrößerung dadurch erreicht, dass das Stellelement mehrere Gleitschlitten enthält, die in Form eines Stapels z.B. übereinander angeordnet sind. Die Gleitschlitten sind zweckmäßigerweise flächig und länglich, z.B. in Form eines sehr flachen, länglichen Quaders ausgebildet. Die Längsrichtungen der einzelnen Gleitschlitten liegen hierbei parallel. Ein erster äußerer, z.B. der oberste Gleitschlitten ist ortsfest, z.B. am Gehäuse fixiert. Die restlichen Gleitschlitten sind in Richtung ihrer Längserstreckung verschiebbar. Ein zweiter äußerer, z.B. der unterste Gleitschlitten, ist antriebsmäßig mit dem Absperrelement verbunden, um dieses anzulenken.

Zwischen je zwei benachbarten, also z.B. direkt übereinander liegenden Gleitschlitten ist je ein Drahtabschnitt angeordnet. Der Drahtabschnitt verbindet jeweils ein Ende eines Gleitschlittens mit dem in Längsrichtung des Gleitschlittens gegenüberliegenden Ende eines benachbarten Gleitschlittens und stellt so eine mechanische Verbindung zwischen den Gleitschlitten her.

Die Drahtabschnitte und Gleitschlitten sind also so hintereinander geschaltet und in raumsparender Weise übereinander geschichtet, dass sich die einzelnen Längenänderungen der Drahtabschnitte in etwa zu dem gesamten Stellhub des Stellelements addieren.

Die Erwärmung der Formgedächtnislegierung bzw. des Drahtabschnitts wird auf technisch einfache und insbesondere platzsparende Weise durch einen elektrischen Stromfluss in der Formgedächtnislegierung bewerkstelligt. Dazu ist eine steuerbare Stromquelle vorgesehen, die elektrisch leitend an die Enden des Stellgliedes bzw. des Drahtabschnitts angeschlossen ist. In einer weiteren Ausführungsform enthält das steuerbare Ventil einen Aufnehmer zur Ermittlung des Stell- bzw. Arbeitshubs des Stell- bzw. Absperrelements. So kann die aktuelle Position des Stellelements bzw. des Absperrelements, also die Öffnungsstellung des Ventils ermittelt und z.B. in einer externen Steuereinrichtung weiterverarbeitet werden. Eine Rückkopplung zum Stellelement erlaubt hierdurch kontrollierte und genau definierte Öffnungsstellungen zwischen den Endstellungen „Zu" und „Auf" des Ventils zur Steuerung des Volumenstroms.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält der Hubaufnehmer eine z.B. am Ventilgehäuse angebrachte elektrische Widerstandsbahn und einen auf dieser gleitend bewegbaren, elektrisch leitfähigen Abgriff. Widerstandsbahn und Abgriff bilden somit bei einer linearen Bewegung des Abgriffs ein elektrisches Linearpotentiometer. Der Abgriff bewegt sich korrespondierend zum Öffnungs- bzw. Arbeitshub, ist also mit diesem bewegungsgekoppelt. Dies kann zum Beispiel durch einen am Stellelement angebrachten Mitnehmerzapfen erreicht werden, der den Abgriff auf der Leiterbahn führt. Der zwischen Abgriff und einem Ende der Widerstandsbahn gemessene elektrische ohmsche Widerstand ändert sich so korrespondierend zum Öffnungs- bzw. Arbeitshub, zum Beispiel im Bereich von 0kΩ bis 2kΩ. Die Bestimmung der Position des Absperrelements und dadurch der Grad der Öffnung des Ventils ist also durch eine einfache elektrische Widerstandsmessung durchführbar.

Oft ist die vom Stellelement erzeugte Kraft nicht ausreichend, wohl steht aber ein Stellhub zur Verfügung, der größer ist als für die Betätigung des Absperrelements notwendig. In einer bevorzugten Ausführungsform ist deshalb zwischen Stellelement und Absperrelement ein Getriebe geschaltet. Dieses kann bei Umsetzung der Kräfte zwischen Stell- und Absperrelement um einen Faktor k, die Hübe zwischen Stell- und Absperrelement um einen Faktor 1/k umsetzen. Besonders geeignet ist hierzu ein drehbar gelagerter Umlenkhebel, an dem Stellelement und Absperrelement angelenkt sind.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn das Absperrelement ein axial verschiebbarer Ventilstößel mit einer Achse und einem an einem Achsende angebrachten Dichtelement ist, wobei das Federelement eine Schraubenfeder ist, die koaxial auf der Achse des Ventilstößels angeordnet ist.

Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
1 ein Ventil in einer schematischen Funktionsdarstellung im (a) geschlossenen und (b) geöffneten Zustand,
2 ein alternativ gestaltetes Stellglied in Ruhe- (a) und Arbeitsstellung (b) in einer schematischen Funktionsdarstellung,
3 ein Ventil als Prinzipskizze in einer Explosionsdarstellung.
Ein steuerbares Ventil 2 in 1 in der Ausführung als Pneumatikventil, also zur Steuerung beispielsweise des Befüllungszustandes eines Luftkissens in einem Fahrzeugsitz, enthält ein bewegliches Absperrelement 4, ein Stellelement 6 und einen Hubaufnehmer 8. Das Absperrelement 4 besteht im wesentlichen aus einer länglichen Schubstange 10, an deren einer Stirnseite 12 ein Dichtstopfen 14 konzentrisch zur Mittellängsachse 16 der Schubstange 10 angebracht ist. Die Schubstange 10 ist in Lagern 18a und 18b gleitend geführt, so dass sie in Axialrichtung verschiebbar ist. Die Lager 18a,b sind fest mit dem Gehäuse 20 des Ventils 2 verbunden.
An der Schubstange 10 ist ein Flansch 22 angeformt, der den Durchmesser der Schubstange radial erweitert, so dass der Flansch an der dem Freiende 23 der Schubstange zugewandten Seite eine sich in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 16 der Schubstange liegende Anschlagschulter 26 bildet. Zwischen dem Flansch 22 und dem Lager 18b ist auf die Führungsstange 10 koaxial zu deren Mittellängsachse 16 eine Schraubenfeder 24 aufgesetzt. Die Schraubenfeder 24 stützt sich mit ihrem einen Ende am Lager 18b und mit ihren anderen Ende an der Stützfläche 26 des Flansches 22 ab. Der Abstand zwischen der Anschlagschulter 26 und dem Lager 18b ist kleiner als die axiale Länge der Feder 24 in deren unbelastetem Zustand. Die hierdurch erreichte Vorspannung der eingebauten Feder 24 erzeugt einen ausreichenden Anpressdruck, dass im, in 1a gezeigten, geschlossenen Zustand des Ventils 2 der Dichtstopfen 14 mit ausreichendem Anpressdruck am Ventilsitz 28 anliegt. Die Ventilbohrung 30 ist dadurch ausreichend gegen die Durchströmung von Luft verschlossen.
Ein Umlenkhebel 32 ist an seinem einen Ende drehbar im Ventilgehäuse 20 in einem Lager 34 gelagert. Am Gelenk 36 ist der Hebel 32 mit der Schubstange 10 verbunden. An dem dem Lager 34 gegenüberliegenden Ende des Hebels 32 ist dieser über das Gelenk 38 mit der Anlenkung 39 des Stellelements 6 verbunden. An dem der Anlenkung 39 gegenüberliegenden Ende ist das Stellelement 6 durch die Befestigung 40 mit Gehäuse 20 fest verbunden. Die Anlenkung des Absperrelements 4 ist durch eine Umlenkung mit einem Hebel 32 mechanisch einfach im Gegensatz zur Umsetzung einer Drehbewegung (z.B. eines Antriebsmotors) in eine Längsbewegung.
Das Stellelement 6 enthält als Stellglied einen aus einer Formgedächtnislegierung hergestellten Drahtabschnitt 42, der an seinen beiden Enden mit der Anlenkung 39 bzw. der Befestigung 40 fest verbunden ist. Die Befestigung der Drahtabschnittsenden kann durch Crimpen, Anklemmen etc. erreicht werden. An den Befestigungspunkten an beiden Enden besitzt der Drahtabschnitt 42 außerdem elektrische Anschlüsse 44a und 44b, die über eine elektrische Leitung 46 mit einer Stromquelle 48 verbunden sind. In 1a liefert die Stromquelle 48 keinen Strom, so dass auch der Drahtabschnitt 42 nicht von Strom durchflossen ist.
Eine Längenänderung des Drahtabschnitts 42 überträgt sich über den Hebel 32 auf eine Bewegung der Schubstange 10 und somit auf die Bewegung des Dichtstopfens 14 aus dem Ventilsitz 28 heraus oder in diesen hinein.
Der Positionsaufnehmer 8 enthält einen Mitnehmerzapfen 50, der fest mit der Anlenkung 39 des Stellelements 6 verbunden ist. Zwei Widerstandsbahnen 52a und 52b sind fest mit dem Gehäuse 20 verbunden und liegen sowohl parallel zueinander als auch parallel zur Richtung, in der sich die Anlenkung 39 bewegt, wenn der Drahtabschnitt 42 seine Länge ändert. An zwei benach barten Enden der Widerstandsbahnen 52a,b sind Anschlüsse 54a,b angebracht.
Am Mitnehmerzapfen 50 ist ein Kurzschlussbügel 56 angebracht, der gleitend auf den Widerstandsbahnen 52a,b aufliegt und diese an der Position des Mitnehmerzapfens 50 elektrisch leitend miteinander verbindet. In Messrichtung 58 kann deshalb zwischen den Anschlüssen 54a,b ein ohmscher Widerstand R1 gemessen werden, der sich aus der Summe der Teilwiderstände der Abschnitte der Leiterbahnen 52a und 52b zwischen den Anschlussleitungen 54a und 54b und der Position des Mitnehmerzapfens 50 ergibt. Der gemessene Gesamtwiderstand ist somit proportional zur Position des Mitnehmerzapfens 50. Da dieser fest mit der Anlenkung 39 verbunden ist, ist der Widerstand auch ein Maß für die Länge des Drahtabschnitts 42. Da die Anlenkung 39 über den Hebel 32 mit der Schubstange 10 verbunden ist, ist der Widerstand außerdem ein Maß für die Position der Schubstange 10 und damit eine Maß für den Stellhub des Ventils 2.
In 1b liefert die Stromquelle 48 einen Strom I ≠ 0. Über die Leitung 46 und die elektrischen Anschlüsse 44a,b durchfließt der Strom I den aus der Formgedächtnislegierung hergestellten Drahtabschnitt 42. Durch den Stromfluss im Drahtabschnitt 42 erwärmt sich dieser. Bei Überschreiten der Grenztemperatur T_S beginnt die Formgedächtnislegierung, durch Änderung ihrer Kristallstruktur ihr Volumen zu ändern. Dies führt zu einer Längenkontraktion des Drahtabschnitts 42 in dessen Axialrichtung.
Da der Drahtabschnitt 42 an der Befestigung 40 fest mit dem Gehäuse 20 verbunden ist, führt die Längenkontraktion des Drahtabschnitts 42 dazu, dass sich die Anlenkung 39 der Befestigung 40 annähert und das Gelenk 38 des Hebels 32 bewegt. We gen der Hebeldrehung im Gelenk 34 erfährt die Schubstange 10 über das Gelenk 36 ebenfalls eine Verschiebung in Axialrichtung, in Richtung des Pfeils 60. Die Auslenkung der Schubstange 10 führt dazu, dass der Dichtstopfen 14 sich aus dem Ventilsitz 28 bewegt und so die Ventilbohrung 30 frei gibt, so dass durch diese Luft strömen kann.
Die Bewegung der Schubstange 10 erfolgt gegen die Rückspannkraft der Schraubenfeder 24. Die Schraubenfeder 24 wird in Axialrichtung zusammengepresst, da sich mit der Schubstange 10 die Anschlagschulter 26 auf das Lager 18b zubewegt. Der Umlenkhebel 32 dient zur Kraft- bzw. Wegumsetzung zwischen der Bewegung der Anlenkung 39 des Drahtabschnitts 42 und der Axialverschiebung der Schubstange 10 etwa im Verhältnis 3:1. Deshalb wird die am Gelenk 38 angreifende, vom sich kontrahierenden Drahtabschnitt 42 verursachte Kraft am Gelenk 36 in die dreifache, auf die Schubstange 10 wirkende Kraft übersetzt. Aufgrund der Bewegung des Endes 63 des Drahtabschnitts 42 erfährt der an diesem und an der Anlenkung 39 mechanisch fest fixierte Zapfen 50 eine Verschiebung senkrecht zu seiner Längsachse in Richtung der Kontraktionsrichtung des Drahtabschnitts 42. Der auf dem Zapfen 50 angebrachte Kurzschlussbügel 56 gleitet entlang der Kohlebahnen 52a,b und überbrückt diese nun elektrisch an einer anderen Position ihrer Längsausdehnung. Zwischen den elektrischen Anschlüssen 54a,b wird deshalb ein Widerstand R2 > R1 gemessen. Da sich der Widerstandswert proportional mit der Position des Endes 62 des Drahtabschnitts 42 und somit proportional der axialen Verschiebeposition der Schubstange 10 verändert, ist dieser ein Maß für den Grad der Längenkontraktion des Drahtabschnitts 42 und für die Öffnungsstellung des Ventils 2.
Nach Abschalten des Stromes I in der Stromquelle 48 wird der Drahtabschnitt 42 nicht weiter von Strom durchflossen und erfährt keine weitere Erwärmung. Die im Drahtabschnitt 42 gespeicherte Wärme wird an die Umgebung abgegeben und der Drahtabschnitt 42 kühlt ab. Die Kraft, die vom Drahtabschnitt 42 ausging und die Anlenkung 39 auf den Befestigungspunkt 40 zubewegt hat, verschwindet. Die von der vorgespannten Feder 24 ausgeübte Kraft wirkt auf die Anschlagschulter 26 und die Schubstange 10 wird in entgegengesetzter Richtung des Pfeils 60 bewegt. Der Dichtkegel 14 gleitet in Richtung des Ventilsitzes 28 zurück, bis er die in 1a gezeigte Ausgangsposition erreicht. Über den Umlenkhebel 32 und die Anlenkung 39 wird der Drahtabschnitt 42 in Axialrichtung wieder auf seine ursprüngliche in 1a dargestellte Länge gedehnt. Der an der Anlenkung 39 befestigte Zapfen 50 und mit ihm der Kurzschlussbügel 56 gleiten ebenfalls in ihre Ausgangsposition zurück. Damit das Ventil 2 in Ruhestellung z.B. sicher schließt, ist das Absperrelement 4 gegen den Ventilsitz 28 durch die Schraubenfeder 24 vorgespannt. Im Falle eines elektrisch gesteuerten Ventils 2 bedeutet dies, dass bei einem Stromausfall das Ventil 2 aus Sicherheitsgründen gesperrt ist.
Mit fallender Temperatur der Formgedächtnislegierung verringert sich die in Richtung des Stellhubs vom Stellelement verursachte Kraft. Sobald die vom Stellelement 6 erzeugte Kraft kleiner als die von der Schraubenfeder 24 an ihm ausgeübte Kraft ist, zwingt diese das Stellelement kontinuierlich mit sinkender Temperatur in seine Ausgangsposition zurück. Auch dieser Vorgang ist durch Steuerung der Temperatur der Formgedächtnislegierung kontinuierlich steuerbar und an jeder Position anhaltbar. Hierdurch ist die Geschwindigkeit, mit der das Absperrelement sowohl in Öffnungs- als auch in Schließrichtung bewegt wird, beliebig. Das Ventil kann also langsam oder schnell geöffnet oder geschlossen werden.
In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung wirkt die das Absperrelement 4 vorspannende Schraubenfeder 24 gleichzeitig als Rückstellelement für das Stellelement 6. Hierdurch kann die Anzahl der Bauteile im Ventil 2 reduziert werden, was wiederum zu einer einfacheren und kostengünstigeren Herstellung des Ventils beiträgt.
Versteht man die in 1b dargestellte Längenkontraktion des Drahtabschnitts 42 als Maximalkontraktion, die durch die Stromstärke I_E im Drahtabschnitt 42 eine Temperatur T_E erzeugt, d.h. führt auch eine weitere Temperaturerhöhung durch eine größere Stromstärke I > I_E nicht zu einer weiteren Kontraktion des Drahtabschnitts 42, so stellt die dargestellte Position die maximale Öffnungsstellung des Ventils 2 dar. Durch gezielte Zuführung eines Stromes 0 ≤ I ≤ I_E aus der Stromquelle 48, der den Drahtabschnitt 42 auf eine beliebige Temperatur T_S ≤ T ≤ T_E zwischen der Grenztemperatur T_S und der Maximaltemperatur T_E erwärmt, kann jede beliebige Zwischenstellung zwischen der geschlossenen (1a) und voll geöffneten (1b) Stellung des Ventils 2 erreicht werden. Der jeder Zwischenposition eindeutig zugeordnete Widerstand R, der im Messrichtung 58 abgegriffen wird, dient als Eingabegröße für eine entsprechende, nicht dargestellte, übergeordnete Steuerung, die den Strom I entsprechend steuert, um die gewünschte Temperatur des Drahtabschnitts 42 zu halten.
Die durch einen einzigen Drahtabschnitt 42 aus einer Formgedächtnislegierung erreichbare Längenänderung ist oft nicht ausreichend. 2 zeigt deshalb eine Anordnung, in der die Längenänderungen einzelner Drahtabschnitte 62a,b sich in etwa addieren.
In einem festen Rahmen 64 ist ein erster Gleitschlitten 66a befestigt. Weitere Gleitschlitten 66b und c sind in Lagern 68b,c gleitend gelagert, so dass sie in ihrer Längsrichtung verschiebbar sind. Am einen Ende des Gleitschlittens 66a und dem gegenüberliegenden Ende des Gleitschlittens 66b ist ein Drahtabschnitt 62a aus einer Formgedächtnislegierung befestigt. Entsprechend ist ein zweiter Drahtabschnitt 62b ebenfalls aus einer Formgedächtnislegierung zwischen den Gleitschlitten 68b und c befestigt. Die Gleitschlitten 68a-c sind elektrisch leitend und die Enden der Drahtabschnitte 62a,b elektrisch leitend mit den Gleitschlitten verbunden. An den Anschlusspunkten 44a,b ist eine elektrische Stromquelle 48 über elektrische Leitungen 4b angeschlossen. Die Drahtabschnitte 62a,b befinden sich so in einer elektrischen Reihenschaltung mit den Gleitschlitten 68a-c. Über eine Feder 70 ist die Anlenkung 39 in Richtung des Pfeils 72 gegenüber dem Rahmen 64 vorgespannt.
In 2b wird ein Strom I ≠ 0 in die Anordnung eingespeist, der alle Drahtabschnitte 62a,b durchfließt. Entsprechend l führt der Stromfluss durch die Drahtabschnitte 62a,b zu deren Erwärmung. Nach Überschreiten der Grenztemperatur T_S beginnen die Drahtabschnitte 62a,b mit ihrer Längenkontraktion. Die Längenkontraktion des ersten Drahtabschnitts 62a führt dazu, dass sich der Gleitschlitten 60b in Richtung des Pfeils 74 relativ zum fest am Gehäuse 64 befestigten Gleitschlitten 66a bewegt.
Selbst ohne Längenänderung des Drahtabschnitts 62b wird hierdurch ebenfalls der Gleitschlitten 66c zusammen mit dem Gleit schlitten 66b in Richtung des Pfeils 74 verschoben, weshalb auch die Anlenkung 39 die gleiche Auslenkung erfährt. Da jedoch zwischen den Gleitschlitten 66b und 66c ein weiterer Drahtabschnitt 62b geschaltet ist, der ebenfalls eine Längenkontraktion erfährt, wird der Gleitschlitten 66c relativ zum Gleitschlitten 66b ebenfalls in Richtung des Pfeils 74 verschoben. Die Anlenkung 39 erfährt deshalb die doppelte Auslenkung als diejenige, die durch einen einzelnen Drahtabschnitt 62a oder 62b hervorgerufen werden würde.
Durch die mechanische Reihenschaltung von n Drahtabschnitten und Leitschlitten erfährt so der Anlenkpunkt 38 eine n-fache Auslenkung. Die Auslenkung erfolgt entgegen der Spannkraft der Feder 70. Ein Drahtabschnitt der Länge L erzeugt eine maximale Längenänderung ΔL. Durch das Aneinanderreihen von n Drahtabschnitten der Länge L kann in einem Stellelement, das eine Gesamtlänge von etwa L aufweist, ein Stellhub erzeugt werden, der etwa n mal ΔL beträgt. Bei einer Anordnung der Länge 3cm, die Drahtabschnitte mit einer Gesamtlänge von ca. 18cm enthält, kann so ein Stellhub von etwa 4mm bei einer Kraftentwicklung je nach Drahtstärke von bis zu 2N Zugkraft erreicht werden.
Ein Abschalten des Stromes I führt entsprechend 1 durch die mechanische Rückstellkraft der Feder 70 dazu, dass die Anordnung in ihre in 2a dargestellte Ruheposition zurückkehrt. Der am Ende 76 des Gleitschlittens 66c befestigte Mitnehmerzapfen 50 mit Kurzschlussbügel 56 kann entsprechend 1 dazu benutzt werden, um die Position der Anlenkung 39 zu erfassen.
Durch Übereinanderschichten weiterer Ebenen aus Drahtabschnitt und Gleitschlitten als der in 2 dargestellten drei Gleitschlitten und zwei Drahtabschnitte können noch mehrere Drahtabschnitte angefügt werden, was zu noch größeren erreichbaren Abstandsauslenkungen zwischen den mechanischen Anlenkpunkten 40 und 39 der Anordnung führt.
Ein Stellelement 6 der eben beschriebenen Ausgestaltung mit mehreren Gleitschlitten und Drahtabschnitten wird im übrigen als vorgefertigtes Bauteil von der Firma Nanomuscle Inc., Antioch, CA, USA vertrieben. Mit diesem Bauteil sind ca. 5 volle Zyklen von Vollkontraktion und -expansion pro Sekunde möglich.
In 3 ist ein Ventil 2 gezeigt, das in einem Gehäuse 20 zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Stellglieder 6 enthält, die einen Verteilerkopf 80 ansteuern. Das Ventil enthält zwei Absperreinrichtungen 4 und zwei den Stellgliedern 6 zugeordnete Wegaufnehmer 8. Die Stellglieder 6 sind entsprechend 2 als Stapel mit mehreren Drahtabschnitten ausgeführt.
Das Gehäuse 20 ist mit einem Deckel 82 versehen, der druckdicht mit seinem Randfalz 84 in der Dichtnut 86 einliegt. So ist die Konstruktion des eigentlichen Ventils aus Ventilsitz und Absperrelement einfach, da keine beweglichen, aber druckdichten Durchführungen, z.B. für die Absperrelemente notwendig sind. Das Innere des Ventilgehäuses steht somit je nach Betriebsart dauernd oder zweitweise unter Druck und durch ein oder mehrere Absperrelemente werden entsprechend viele Austrittsöffnungen in Form von Ventilbohrungen steuerbar abgedichtet, um ein steuerbares Mehrwegeventil zu realisieren.
Das Gehäuse besitzt also nur noch die Öffnungen 88, durch die Luft in das Gehäuseinnere ein- oder austreten kann. An den beiden Öffnungen 88 ist vermittels von Dichtringen 90 der Verteilerkopf 80 druckdicht angebracht, zum Beispiel verpresst oder verklebt. Über den Stutzen 92a kann so Luft über einen Kanal 94 und die Öffnungen 88 in das Gehäuseinnere ein- oder ausströmen. Die Anschlussstutzen 92b und 92c sind über Kanäle 96 mit Ventilsitzen 98 verbunden, die in etwa im Mittelpunkt der kreisförmigen Öffnungen 88 liegen.
Die Absperrelemente 4 enthalten Schubstangen 10 mit Flanschen 22 und koaxial auf die Schubstangen 10 aufgebrachten Federn 24. Die Schubstangen 10 liegen gleitend in Lagern 18a und 18b ein. Die Feder 24 stützt sich hierbei sowohl am Flansch 22 als auch am Lager 18b ab und spannt die Schubstange 10 in Richtung auf den Ventilsitz 98 hin mechanisch vor. Der den Ventilsitz abdichtende Ventilstopfen 100 enthält ein Dichtelement 102, das in der Aussparung 104 eines an der Schubstange 10 angeformten Dichtkopfes 106 einliegt. Der Dichtkopf 106 dient als mechanisch stabiles Aufnahmeelement. Hierdurch ist das Dichtelement 102 z.B. zu Wartungszwecken austauschbar. Das Dichtelement 102 liegt am Ventilsitz 98 in geschlossener Stellung des Ventils dichtend an. Auf einer angeformten Verbreiterung 108 der Schubstange 10 ist das Gelenk 36 angebracht, in das der Hebel 32 eingreift.
Als in der Praxis günstig erwiesen hat sich ein Hebel 32 mit einem Übersetzungsverhältnis des Stellhubs zum Arbeitshub von etwa 3:1. Die vom Stellelement 6 erzeugte Kraft wird hierdurch am Absperrelement 4 etwa verdreifacht.
Die am Gleitschlitten 66c angebrachte Anlenkung 39 des Stellelements 6 greift ebenfalls am Hebel 32 an. Am Gleitplättchen 66c ist der Zapfen 50 angeformt, der den Kurzschlussbügel 56 parallel zur Längsachse der Schubstange 10 auf den Wider standsbahnen 52a,b verschiebt, die ortsfest auf einer fest mit dem Gehäuse 20 verbundenen Grundplatte 114 angebracht sind. Die Grundplatte 114 kann z.B. auch eine elektrische Leiterplatte sein. Der elektrisch leitende Kurzschlussbügel 56 ist an einem Führungselement 110 angebracht, das zusammen mit diesem in einem Gehäuse 112 gleitend einliegt und durch dieses mechanisch geführt ist.

2: Ventil
4: Absperrelement
6: Stellelement
8: Hubaufnehmer
10: Schubstange
12: Stirnseite
14: Dichtstopfen
16: Mittellängsachse
18a,b: Lager
20: Gehäuse
22: Flansch
23: Freiende
24: Schraubenfeder
26: Anschlagschulter
28: Ventilsitz
30: Ventilbohrung
32: Umlenkhebel
34: Lager
36: Gelenk
38: Gelenk
39: Anlenkung
40: Befestigung
42: Drahtabschnitt
44a,b: Anschluss
46: Leitung
48: Stromquelle
50: Mitnehmerzapfen
52a,b: Widerstandsbahn
54a,b: Anschluss
56: Kurzschlussbügel
58: Messrichtung
60: Pfeil
62a,b,c: Drahtabschnitt
63: Ende
64: Rahmen
66a,b,c: Gleitschlitten
68b,c: Lager
70: Feder
72: Pfeil
74: Pfeil
76: Ende
80: Verteilerkopf
82: Deckel
84: Randfalz
86: Dichtnut
88: Öffnung
90: Dichtring
92a,b,c: Stutzen
94: Kanal
96: Kanal
98: Ventilsitz
100: Ventilstopfen
102: Dichtelement
104: Aussparung
106: Dichtkopf
108: Verbreiterung
110: Führungselement
112: Gehäuse

Claims

Steuerbares Ventil mit einem von einem Stellelement gegen die Wirkung eines Federelements bewegbaren und mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Absperrelement, wobei das Stellelement ein aus einer Formgedächtnislegierung gebildetes Stellglied enthält, wobei das Stellglied ein Drahtabschnitt ist, der mit seinem einen Ende mittel- oder unmittelbar mit dem Absperrelement antriebsmäßig verbunden ist, gekennzeichnet durch folgende Ausgestaltung: – das Stellelement umfasst einen Stapel aus parallel zueinander angeordneten Gleitschlitten, – ein erster äußerer Gleitschlitten ist ortsfest fixiert, während die anderen Gleitschlitten in Richtung ihrer Längserstreckung verschiebbar sind, – ein zweiter äußerer Gleitschlitten ist antriebsmäßig mit dem Absperrelement verbunden, – zwischen zwei benachbarten Gleitschlitten ist jeweils ein Drahtabschnitt angeordnet, der deren gegenüberliegende Enden miteinander verbindet.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied an eine elektrische Stromquelle angeschlossen ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aufnehmer zur Ermittlung eines Stellhubs des Stellelements und/oder eines Arbeitshubs des Absperrelements vorgesehen ist.
Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer eine ortsfeste Widerstandsbahn und einen diese gleitend beaufschlagenden elektrisch leitfähigen Abgriff enthält, der mit dem Stellelement oder dem Absperrelement bewegungsgekoppelt ist.
Steuerbares Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stellelement und dem Absperrelement ein Getriebe geschaltet ist.
Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein drehbar gelagerter Hebel ist, an dem das Stellelement und das Absperrelement angelenkt sind, wobei der Hebelarm des Absperrelements kleiner ist als der Hebelarm des Stellelements.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement ein axial verschiebbarer, an einem Ende ein Dichtelement tragender Ventilstößel ist.
Ventil nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine den Ventilstößel koaxial umfassende Schraubenfeder.