-
Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Ventil mit einer Ventilkammer, die von einer Membran in zwei voneinander getrennte Bereiche unterteilt wird. Die Membran kann in einem ersten Bereich eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung der Ventilkammer miteinander verbinden oder trennen und bildet dabei ein 2/2-NO-Ventil aus, d.h. im entspannten Zustand der Membran ist das Ventil offen. Der zweite Bereich kann mittels eines SMA-Aktuators (shape memory alloy) mit dem Umgebungsdruck verbunden oder von ihm getrennt werden, wobei im nicht-betätigten Zustand des Aktuators eine Verbindungsöffnung des zweiten Bereichs der Ventilkammer zum Umgebungsdruck geschlossen ist.
-
In Verkehrsmitteln werden befüllbare, elastische Kissen zur Formung von Sitzkonturen eingesetzt. Die elastischen Kissen werden dafür in der Regel mit Luft gefüllt. Zur Steuerung der Luft werden elektrisch betätigte Ventile verwendet. Als Aktuator für derartige Ventile kommt zunehmend Formgedächtnisdraht (SMA = shape memory alloy) zum Einsatz, welcher sich bei Stromfluss und der daraus resultierenden Erwärmung in der Länge verkürzt.
-
Für den hohen benötigten Durchfluss einiger Funktionen (z.B. Kissenverstellung in-Abhängigkeit fahrdynamischer Zustände) sind große Ventilquerschnitte und damit hohe Betätigungs- und Dichtkräfte für diese erforderlich. Ein SMA-Aktuator, der diese bereitstellen kann, erfordert eine entsprechend große Dimensionierung, wodurch sich Kosten und Bauraumbedarf vergrößern.
-
Für Ventile mit hohem Durchfluss sind nach dem Stand der Technik folgende Möglichkeiten bekannt:
- Die Druckschriften DE 43 31 568 C2 und DE 43 31 515 A1 offenbaren mit Hilfsströmung betätigte Servo- bzw. Pilot-Magnetventile, die mit kleinem Betätigungsaufwand einen größeren Druck oder Durchfluss steuern.
-
In der nicht vorveröffentlichten Druckschrift
DE 10 2023 208 359.0 ist ein Ventil mit einem SMA-Aktuator beschrieben, wobei der Aktuator ein Hilfsventil schaltet, welches mithilfe eines Vordrucks ein Hauptventil öffnet. Die Membran besitzt eine schmale Durchgangsöffnung, um im deaktivierten Zustand einen Druckausgleich zwischen beiden Seiten der Membran zu erreichen. Die Arbeitsluft und zumindest ein Teil der zu schaltenden Luft sind hierbei miteinander verbunden.
-
Des Weiteren beschreibt die Druckschrift
DE 10 2019 208 051 B4 ein Ventil mit einem SMA-Aktuator, wobei der Drehpunkt eines Biegers und der SMA-Draht auf unterschiedlichen Seiten einer Leiterplatte angeordnet sind. Der SMA-Draht und die Leiterplatte befinden sich im Umgebungsdruck.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein kompaktes pneumatisches Ventil mit großem Düsenquerschnitt anzugeben, bei dem ein SMA-Aktuator zur Betätigung hinsichtlich Kraft und Weg möglichst gering belastet werden soll. Der SMA-Aktuator soll sich zudem im Umgebungsdruck befinden. Dabei soll die Arbeitsluft unabhängig von der zu schaltenden Luftströmung sein, so dass das Ventil auch zum Entlüften eines Verbrauchers eingesetzt werden kann.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch ein pneumatisches Ventil mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss, einem dritten Anschluss und einem vierten Anschluss, mit einer Ventilkammer mit einer ersten Öffnung, die mit dem ersten Anschluss verbunden ist, mit einer zweiten Öffnung, die mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, mit einer dritten Öffnung, die mit dem dritten Anschluss verbunden ist, und mit einer vierten Öffnung, die mit dem vierten Anschluss verbunden ist, mit einem Aktuator, der zumindest mit einem SMA-Draht und einem Betätigungselement, gebildet ist, wobei an dem Betätigungselement ein erstes Dichtelement angeordnet ist, das von dem Betätigungselement im nicht betätigten Zustand des Aktuators gegen die vierte Öffnung gedrückt wird und im betätigten Zustand des Aktuators die vierte Öffnung freigibt, mit einer Membran, die die Ventilkammer in zwei Bereiche unterteilt, wobei ein erster Bereich mit der ersten Öffnung und der zweiten Öffnung und ein zweiter Bereich über eine Durchgangsöffnung mit der dritten Öffnung und mit der vierten Öffnung in Verbindung ist, wobei die Membran zwischen einem die Ventilkammer bildenden becherförmigen Element und einem darin eingefügten Deckelelement mit ihrem Rand eingeklemmt ist, und im drucklosen Zustand des zweiten Bereichs der Ventilkammer aufgrund zumindest ihrer Eigenspannung die erste Öffnung freigibt und bei nicht-betätigtem Aktuator und Luftzufuhr durch die dritte Öffnung in den zweiten Bereich gegen die erste Öffnung gedrückt ist und diese verschließt.
-
Bei dem erfindungsgemäßen pneumatischen Ventil kann also die eine Seite einer Membran über eine kleine Durchgangsöffnung mit einer Druckversorgung und über ein durch den SMA-Aktuator betätigtes Triggerventil mit der Umgebung verbunden werden. Ein Hauptventil auf der anderen Seite der Membran ist in einem drucklosen Zustand des Ventils geöffnet, wobei dessen Anschlüsse keine Verbindung zur Druckversorgung aufweisen müssen. Das durch die erste und zweite Öffnung der Ventilkammer gebildete Hauptventil kann also mittels einer Druckversorgung geschlossen und durch Betätigung des SMA-Aktuators geöffnet werden. Hierdurch muss durch den SMA-Aktuator in vorteilhafter Weise keine große Kraft aufgebracht werden.
-
In einer Ausbildung des pneumatischen Ventils weist die Membran in ihrer Mitte eine Verdickung auf, die als zweites Dichtelement zum Verschließen der ersten Öffnung fungiert. Das zweite Dichtelement kann also in vorteilhafter Weise als Teil der Membran ausgebildet sein.
-
An der Membran können Anschläge zur Abstützung gegen das Deckelelement ausgebildet sein, wodurch verhindert werden kann, dass die Membran zu stark durch Biegung beansprucht wird, wenn ein höherer Druck am Hauptventil anliegt.
-
Zur Unterstützung der Eigenspannung der Membran kann ein Federelement vorzugsweise zwischen der ersten Öffnung und der Membran angeordnet sein, welches eine von der ersten Öffnung weg gerichtete Kraft auf die Membran ausübt. Da die Membran im entspannten Zustand die erste Öffnung freigibt, würde durch die Rückstellkraft der Eigenspannung der Membran die erste Öffnung geöffnet werden. Durch das Federelement kann dies in vorteilhafter Weise unterstützt werden.
-
In einer möglichen Ausbildung des pneumatischen Ventils kann die Durchgangsöffnung mit einem Kanal in der Ventilkammerwandung und mit einer Nut im Rand der Membran gebildet sein. Dabei kann der Kanal in der Ventilkammerwandung jeden Querschnitt aufweisen, während die Nut im Rand der Membran vorzugsweise einen kleinen Querschnitt entsprechend einer Bohrung < 0,5 mm, typisch ungefähr 0,3 mm, aufweist.
-
Die Durchgangsöffnung kann jedoch auch auf andere Weise gebildet werden, wie ein Kanal innerhalb der Ventilkammerwand und dem Deckelelement, eine Vertiefung in der Ventilkammerwand und dem Deckelelement im Bereich der Klemmung der Membran zwischen diesen beiden Teilen, eine Vertiefung am Rand der Membran oder einem daran ausgebildeten Wulst im Bereich der Klemmung zwischen dem Deckelelement und der Ventilkammerwand, eine Erhöhung an der Ventilkammerwand und dem Deckelelement im Bereich der Klemmung der Membran oder auch eine Erhöhung am Rand der Membran im Bereich der Klemmung zwischen dem Deckelelement und der Ventilkammerwand.
-
Die genannten Konturen können jeweils auch in unterschiedlichen Kombinationen eingesetzt werden.
-
Das pneumatische Ventil kann in vorteilhafter Weise mit einem Gehäuse gebildet sein, in dem der erste Anschluss, der zweite Anschluss, der dritte Anschluss, der vierte Anschluss, die Ventilkammer und der Aktuator ausgebildet bzw. angeordnet sind, wobei der Aktuator neben dem SMA-Draht und dem Betätigungselement mit einem Rückstellelement und mit einer in einem Aktuatorraum angeordneten Leiterplatte gebildet ist.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung des pneumatischen Ventils kann in dem Gehäuse ein weiteres Ventil mit einer weiteren Ventilkammer und einem weiteren Aktuator ausgebildet sein, wobei das Gehäuse einen fünften Anschluss aufweist, wobei eine erste Öffnung der weiteren Ventilkammer mit dem ersten Anschluss des Gehäuses, eine zweite Öffnung mit dem fünften Anschluss, eine dritte Öffnung mit dem fünften Anschluss und eine vierte Öffnung mit dem vierten Anschluss verbunden ist, wobei die weitere Ventilkammer ein weiteres Federelement aufweist, das im unbetätigten Zustand des weiteren Ventils eine weitere Membran des weiteren Ventils gegen die erste Öffnung der weiteren Ventilkammer drückt.
-
Hierdurch wird ein 3/3-NC-Ventil (NC normally closed) gebildet, durch das beispielsweise ein am ersten Anschluss angeschlossenes mit Luft zu befüllendes Kissen in einem Fahrzeug über den fünften Anschluss gefüllt und über den zweiten Anschluss entleert werden kann. Die zugeführte Druckluft dient einerseits zum Füllen des Kissens und andererseits zum Verschließen der ersten Öffnung der Ventilkammer.
-
In einer Ausbildung können der zweite und der vierte Anschluss ggf. gemeinsam mit der Umgebungsluft verbunden sein.
-
Außerdem können der dritte Anschluss und der fünfte Anschluss miteinander verbunden sein. Es muss also nur ein Druckluftanschluss vorhanden sein.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 eine Detaildarstellung eines Längsschnitts durch die Ventilkammer,
- 2 einen Querschnitt durch die Ventilkammer,
- 3 ein pneumatisches Ventil mit einer Ventilkammer und einem Aktuator in einem Gehäuse,
- 4 das pneumatische Ventil der 3 in einem mittels Druckluft geschlossenen Zustand,
- 5 das pneumatische Ventil der 3 in einem durch Betätigung des Aktuators geöffneten Zustand, und
- 6 ein 3/3-NC-Ventil mit einer Druckluft-betriebenen Auslassventilkammer.
-
In der Detaildarstellung einer Ventilkammer 14 mit einem SMA-Aktuator 16 eines pneumatischen Ventils (siehe 3) ist die Ventilkammer 14 durch ein an ein Gehäuseteil des Ventils angeformtes becherförmiges Element G mit einem dieses ab- und verschließenden Deckelelement K gebildet. Eine elastische Membran M unterteilt die Ventilkammer 14 des Ventils in einen ersten Bereich 1 und einen zweiten Bereich 2. Der zweite Bereich 2 ist über eine schmale Durchgangsöffnung D und einen eine dritte Öffnung VP der Ventilkammer 14 bildenden Kanal KG mit einem dritten (Druck) -Anschluss P des Ventils verbunden.
-
Die Verbindung des dritten Anschlusses P mit dem zweiten Bereich 2 der Ventilkammer 14 kann in verschiedenen Arten ausgeführt sein. Wie oben ausgeführt, kommen dafür alle möglichen Kombinationen von Kanälen, Vertiefungen oder Erhebungen im becherförmigen Element G - also der Ventilkammerwand - und Vertiefungen oder Erhebungen im Randbereich der Membran M, also dem Bereich, der zwischen dem becherförmigen Element G und dem Deckelelement K eingeklemmt ist, infrage. Wesentlich ist, dass ein im Mittel enger Druckausgleichkanal zwischen der dritten Öffnung VP der Ventilkammer 14 bzw. dem dritten Anschluss des Ventils und dem zweiten Bereich 2 der Ventilkammer 14 besteht, durch den der Druck im zweiten Bereich 2 bei geschlossener vierter Öffnung VT erhöht werden kann, um die Membran M gegen die erste Öffnung VH1 zu drücken und diese zu verschließen.
-
Die Membran M weist in der in der 1 dargestellten Ausführungsform eine mittige Verdickung auf, an deren Unterseite eine Dichtfläche ausgebildet sein kann, um in der unteren Endposition der Membran M auf den Düsensitz der ersten Öffnung VH1 zu drücken und damit ein durch die erste und die zweite Öffnung VH1, VH2 gebildetes Hauptventil zu verschließen. Die Verdickung kann dabei einstückig mit der Membran M aus einem elastischen Material gefertigt oder aber auch ein mit der Membran M zusammengesetztes Bauteil sein.
-
Die erste und die zweite Öffnung VH1, VH2 der Ventilkammer 14 müssen nicht oder nicht direkt mit einer Druckversorgung verbunden sein. Insbesondere kann an einer oder beiden der Öffnungen über den ersten bzw. zweiten Anschluss ein Druck anliegen, der unabhängig und insbesondere auch geringer als der Druck einer Druckversorgung (Vordruck) sein. Damit kann eine Funktion als 2/2-Ventil dargestellt werden.
-
In einem ersten Zustand soll im zweiten Bereich 2 der Ventilkammer 14 ein Druck im Bereich des Umgebungsdrucks anliegen. Dies ist der Fall, wenn die vierte Öffnung VT der Ventilkammer 14 geöffnet ist. Da die vierte Öffnung VT einen größeren Querschnitt aufweist als die Durchgangsöffnung D, stellt sich im zweiten Bereich 2 ein niedriger Druck ein (dies ist ebenfalls auch bei fehlender Druckversorgung der Fall). Dann befindet sich die Membran M in einer oberen, entspannten Position, in der die erste Öffnung VH1 und die zweite Öffnung VH2 der Ventilkammer 14 - also des Hauptventils - druckmäßig miteinander verbunden sind, d.h. das Ventil geöffnet ist. Die Membran M kann dabei durch ihre Eigenspannung oder durch ein optionales elastisches Element (z.B. ein Federelement, nicht dargestellt), das eine Kraft nach oben bewirkt, in dieser Position gehalten werden.
-
In einem zweiten Zustand soll im zweiten Bereich 2 der Druck einer Druckversorgung am dritten Anschluss P anliegen. Dies ist der Fall, wenn das Triggerventil geschlossen ist. Sofern der mittlere Druck an beiden Anschlüssen des Hauptventils VH geringer ist als der Vordruck, bewirkt die entstehende Druckdifferenz eine nach unten gerichtete Kraft auf die Membran M. Dadurch wird diese in eine untere Position gebracht, in welcher das Hauptventil geschlossen ist.
-
In der 2 ist die Ventilkammer in einer Querschnittsdarstellung gezeigt. Hier sind insbesondere der Kanal KG in der Ventilkammerwand und die Durchgangsöffnung D im Wulst des Randes der Membran M gut zu erkennen.
-
Wie insbesondere in den
3 bis 5 dargestellt ist, besteht ein zugehöriger SMA-Aktuator 16 zumindest aus einem Bieger B und einem SMA-Draht SMA, wobei der Bieger B nach
DE 10 2019 208 051 B4 einen Biegeabschnitt und einen Betätigungsabschnitt aufweist, welche jeweils auf gegenüberliegenden Seiten einer elektrischen Leiterplatte17 und im Umgebungsdruck angeordnet sind. Im Deckelelement K ist die vierte Öffnung VT der Ventilkammer 14 ausgebildet und bildet zusammen mit dem SMA-Aktuator 16 ein Triggerventil. An der Unterseite des Biegers B ist ein Dichtelement E befestigt, welches das Triggerventil VT abdichten kann.
-
In den 3 bis 5 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle Bezugszeichen in allen Figuren verwendet sind. Die dargestellten Ventile sind identisch und nur in verschiedenen Schaltzuständen gezeigt.
-
So ist in 3 der Zustand gezeigt, in dem das Triggerventil VT, 16 geschlossen ist, da jedoch kein Druck an der dritten Öffnung VP bzw. am dritten Anschluss P anliegt, ist das Hauptventil VH1, VH2, M geöffnet, so dass Luft vom ersten Anschluss A zum zweiten Anschluss R1 fließen könnte, um beispielsweise ein an den ersten Anschluss A angeschlossenes Kissen zu entlüften.
-
In der 4 ist nun ein Zustand gezeigt, in dem am dritten Anschluss P ein höherer Druck anliegt, so dass Luft durch die dritte Öffnung VP, also den Kanal KG und die Durchgangsöffnung D in den zweiten Bereich 2 der Ventilkammer 14 fließt. Hierdurch wird die Membran auf die erste Öffnung VH1 bzw. deren Dichtsitz gedrückt, so dass das Hauptventil VH1, VH2, M geschlossen ist.
-
Die 5 zeigt nun einen Zustand, in dem der Aktuator 16 betätigt und dadurch die vierte Öffnung VT - also das Triggerventil - geöffnet ist. Hierdurch entweicht die Luft im zweiten Bereich 2 der Ventilkammer 14 in die Umgebung durch den vierten Anschluss R2 und die Membran M gibt aufgrund ihrer Eigenspannung oder die Federkraft eines nicht-dargestellten Federelements die erste Öffnung VH1 wieder frei.
-
Die Druckdifferenz zwischen dem ersten Bereich 1 (z.B. Druck des Verbrauchers) und dem zweiten Bereich 2 (nahe Umgebungsdruck) der Ventilkammer 14 kann eine nach oben gerichtete Kraft auf die Membran M ausüben. Daher ist der Hub der Membran M nach oben durch Anschlagelemente 18 begrenzt, um eine Überdehnung der Membran M zu verhindern.
-
Durch den kleinen Querschnitt der vierten Öffnung VT im Vergleich zum Querschnitt der ersten Öffnung VH1 benötigt der zugehörige SMA-Aktuator 16 nur einen geringen Weg und eine begrenzte Kraft zur Betätigung. Dies kommt der Lebensdauer (insbesondere der Anzahl an Betätigungszyklen) des SMA-Drahtes zugute.
-
Während des geöffneten Zustands fließt ein begrenzter Arbeitsluftstrom von einer Druckversorgung am dritten Anschluss P durch den Kanal KG, die Durchgangsöffnung D und die geöffnete vierte Öffnung VT durch den vierten Anschluss R2 in die Umgebung.
-
Auf einfache Weise lässt sich das in den 3 bis 5 dargestellte Ventil V1 mit einem weiteren Ventil V2 zum Befüllen eines Verbrauchers am ersten Anschluss A kombinieren, wie in 6 gezeigt. Das dargestellte Verhalten der Ventilanordnung entspricht damit einem 3/3 NC-Ventil (normally closed). Die hier gezeigten beidseitigen ersten Anschlüsse P für eine Druckversorgung können auch durch geeignete Kanalführung zu einem einzigen Anschluss zusammengeführt werden, analog auch die der zweite Anschluss R1 und vierte Anschluss R2 zur Umgebung. Das weitere Ventil V2 weist einen weiteren SMA-Aktuator 16' und eine weitere Membran M' auf. Diese wird durch ein weiteres Federelement F' im nicht betätigten Zustand auf den Düsensitz der zugehörigen ersten Öffnung VH1' gedrückt.
-
Das vorgeschlagene Ventil V1 kann zudem auch zum fluidmäßigen Verbinden und Trennen zweier Verbraucher (z.B. zum gezielten Druckausgleich), Druckquellen oder dergleichen verwendet werden, da die Ventilanschlüsse vollständig von der Arbeitsluft getrennt sein können.
-
Ebenso ist die gezeigte Vorrichtung auch als reiner Aktuator betreibbar, indem die Hubbewegung der Membran zur Betätigung weiterer mechanischer Komponenten verwendet wird.
-
Das vorgeschlagene pneumatische Ventil hat den Vorteil, dass ein einzelner gering belasteter SMA-Aktuator 16 durch die implementierte Servofunktion einen großen Ventilquerschnitt zum Entlüften betätigen kann. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer des Aktuators. Es werden zudem keine parallelgeschalteten Ventile benötigt, wodurch Bauraum und Kosten reduziert werden können.
-
Das vorgeschlagene Ventil bewirkt ein selbständiges Entlüften eines angeschlossenen Verbrauchers bei abgeschalteter Druckversorgung und erübrigt damit eine aktive Steuerung eines Entlüftvorgangs (z.B. zum Schutz angeschlossener Luftkammern bei einem geparkten Fahrzeug vor Überdruck durch Hitze).
-
Weitere Einsatzmöglichkeiten der Vorrichtung bieten sich als universelles 2/2-Ventil oder als mechanischer Aktuator an.
-
In Ruheposition verbraucht das Servoventil keine Arbeitsluft.
-
Die Servobetätigung funktioniert in einem weiten Druckbereich des Vordrucks, sofern der Vordruck größer ist als der geschaltete Druck.
-
Das beschriebene Servoventil kann nach dem Stand der Technik mit einem weiteren SMA-Aktuator zu einem 3/3-Ventil NC erweitert werden.
-
Der SMA-Aktuator sowie die zugehörige Leiterplatte mit Elektronik befinden sich nicht im Druckbereich und müssen folglich auch nicht abgedichtet werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 43 31 568 C2 [0004]
- DE 43 31 515 A1 [0004]
- DE 10 2023 208 359.0 [0005]
- DE 10 2019 208 051 B4 [0006, 0029]