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Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Ventil, mit einem Gehäuse, in dem eine Luftkammer mit einer Zufuhröffnung zur Zufuhr von Druckluft in die Luftkammer, einer Verbindungsöffnung zur Verbindung mit einem mit Luft zu befüllenden Kissen und einer Aktuatoröffnung zur Verbindung der Luftkammer mit einer Aktuatorkammer ausgebildet ist, wobei in dem Gehäuse ein Aktuator mit einem beweglichen Schließelement angeordnet ist, wobei das Schließelement mit einem die Aktuatoröffnung durchragenden Stößel gebildet ist, dessen in die Luftkammer ragendes Ende mit einem Dichtelement zum Verschließen der Zufuhröffnung verbunden ist,
wobei der Aktuator ferner aufweist:
- - eine in der Aktuatorkammer angeordnete Leiterplatte,
- - ein in der Aktuatorkammer angeordnetes Betätigungselement, das einen Betätigungsabschnitt zum Einwirken auf den Stößel und einen mit dem Betätigungsabschnitt und der Leiterplatte verbundenen Biegeabschnitt aufweist, und
- - ein in der Aktuatorkammer angeordnetes Aktuatorelement, das ein erstes Ende, das mechanisch mit dem Betätigungsabschnitt verbunden ist, und ein zweites Ende, das mechanisch und elektrisch mit der Leiterplatte verbunden ist, aufweist,
wobei das Aktuatorelement dazu ausgebildet ist, in einem unbestromten Zustand das Betätigungselement in einen ersten Zustand zu bringen, in dem es das Dichtelement über den Stößel gegen die Zufuhröffnung drückt, und in einem bestromten Zustand das Betätigungselement in einen zweiten Zustand zu bringen, in dem der Betätigungsabschnitt keine Kraft auf den Stößel ausübt, so dass das Dichtelement die Zufuhröffnung freigeben kann.
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Ein solches pneumatisches Ventil ist bereits in der (nicht-vorveröffentlichten)
DE 10 2023 203 271.6 beschrieben. Dort wird der Bereich zwischen dem Dichtelement und einem Deckel der Luftkammer, in dem die Aktuatoröffnung liegt, durch die der Stößel ragt, durch eine kalottenförmige Dichtung verschlossen, die jedoch nur aufgrund einer Eigenspannung im unbetätigten Zustand des Ventils die Aktuatoröffnung verschließt, was jedoch nur zu einer begrenzten Dichtheit führt. Außerdem muss beim Öffnen des Ventils eine Kraft entgegen dieser Eigenspannung aufgebracht werden, was durch eine zusätzliche Feder erfolgt, die das Dichtelement von der Zufuhröffnung wegdrückt.
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Solche elektrisch steuerbaren pneumatischen Ventile werden in Verkehrsmitteln zur Steuerung der Befüllung befüllbarer, elastischer Kissen zur Formung von Sitzkonturen eingesetzt. Die elastischen Kissen werden dafür in der Regel mit Luft gefüllt. 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.
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Bei bisherigen Ventilen mit SMA-Aktuator gibt es grundsätzlich zwei Varianten bei der Platzierung des SMA-Elements:
- Bei einer ersten Gruppe besteht eine völlige Trennung zwischen Fluid und SMA-Element. Dies ist insbesondere (aber nicht nur) bei Hydraulik erforderlich, um das SMA-Element nicht der starken Kühlung durch das Fluid auszusetzen.
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Nachteilig hierbei ist die zusätzlich benötigte Stellkraft des Aktuators. Im Fall eines Dichtrings ist dies durch die Reibung des Dichtrings bedingt. Im Fall der Membran ist die für den Druck wirksame Fläche der Membran deutlich größer als die eigentliche Düsenöffnung, was die benötigte Kraft und damit die Größe und / oder die Kosten des Aktuators erhöht.
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Eine zweite Gruppe verwendet ein SMA-Element, welches sich innerhalb eines vom Fluid durchströmten Druckraumes befindet. In der
DE 10 2005 060 217 B4 ist dieser mit einem Arbeitsanschluss verbunden. Bei Aktivierung der SMA-Aktuatoren wird dieser Druckraum dann wahlweise mit einem Vordruck oder einer Abluft verbunden. Alternativ ist der Druckraum, in dem sich das SMA-Element befindet, fest mit dem Vordruck verbunden. In beiden Fällen muss der gesamte Installationsraum, in dem sich das SMA-Element befindet, gegenüber der Umgebung abgedichtet werden. Dies erfordert eine entsprechende Dichtung (Elastomer, Kleber o.ä.) sowie Mittel, um die auftretenden Druckkräfte aufzunehmen (z.B. Verschraubung, Verschweißung, etc.). Ebenso fallen Kosten dafür an, um die Leiterplatte (bzw. deren Bereich) im Druckraum von außerhalb zu kontaktieren (z.B. über luftdichte Durchführkontakte, erhöhte Anzahl von Lagen einer Leiterplatte, o.ä.). Dies alles vergrößert den benötigten Bauraum und die Kosten des Ventils.
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Des Weiteren zeigen die
DE 10 2018 216 874 A1 und die
DE 10 2019 208 051 A1 ein SMA-Ventil, bei dem der SMA-Draht außerhalb des Druckbereichs angeordnet ist und das Ventilelement über einen Stößel durch ein Entlüftventil hindurch schiebend betätigt.
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In ähnlicher Weise zeigt die
CN 112066032 A ein SMA-Ventil mit ziehender Betätigung des Ventilelements durch einen das Entlüftventil durchdringenden Stab. Die
CN 112066040 A zeigt alternativ eine Kalotte, welche den Stab und das Ventilelement gegenüber der Gehäuseöffnung abdichtet, so dass das SMA-Element weiterhin außerhalb des Druckbereichs angeordnet ist, aber keine Luft über die Öffnung für den Stößel austreten kann.
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Die ebenfalls nicht vorveröffentlichte
DE 10 2023 211 886.6 zeigt ein Topfventil mit Membran zum druckunterstützten Öffnen, wobei der Druckunterschied zwischen einer Ventilkammer und der Umgebung eine signifikante Kraft in Richtung Öffnen des Ventils erzeugt.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein pneumatisches Ventil mit einem kostengünstigen und kompakten SMA-Aktuator anzugeben. Eine dem SMA-Element elektrisch und mechanisch verbundene Leiterplatte soll sich dabei vollständig in einem mit dem Umgebungsdruck verbundenen Ort befinden. Gleichzeitig soll die Luftströmung durch das Ventil gegen die Umgebung vollständig abgedichtet sein und der Druck innerhalb der Ventilkammer eine möglichst geringe Kraft auf ein Dichtelement ausüben.
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Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen pneumatischen Ventil dadurch gelöst, dass in der Luftkammer eine Membran angeordnet ist, die in einem ersten Abschnitt die Form zumindest eines Doppelkegels hat, der in seiner Mitte den größten Durchmesser hat und um den Stößel herum angeordnet ist, und der mit seinem der Zufuhröffnung zugewandten ersten Ende luftdicht mit dem Dichtelement und mit seinem anderen Ende einstückig mit einer Membranplatte verbunden ist, deren äußerer Rand luftdicht mit der Gehäusewand der Luftkammer verbunden ist.
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Der SMA-Aktuator betätigt also das Ventil durch eine Betätigungsöffnung mittels eines Stößels. Das Dichtelement des Stößels ist einstückig mit einer Membran verbunden; alternativ ist die Membran luftdicht mit dem Stößel verbunden (z.B. geklemmt, geklebt). Die Membran ist an ihrem äußeren Rand luftdicht mit der Ventilkammer und deren Deckel verbunden (z.B. geklemmt) und dichtet so die Luftkammer gegen die Umgebung ab.
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Die Membran ist vorzugsweise rotationssymmetrisch und enthält wenigstens eine Auswölbung in Form eines Doppelkegels; die Geometrie des Doppelkegels sollte so geformt sein, dass die Druckkräfte aus der Luftkammer zwei gegenläufige Kraftkomponenten auf den mit der Membran verbundenen Stößel ausüben:
- Eine Kraftrichtung auf die Seitenwände der Membran, die parallel zur Stößelachse wirkt, drückt den Doppelkegel zusammen und bewirkt eine Kraft auf den Stößel in Richtung Öffnen.
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Ein radiale Kraftrichtung drückt den Doppelkegel in Richtung der Stößelachse und bewirkt dadurch eine Spreizung des Doppelkegels und somit eine Kraft auf den Stößel in Richtung Schließen.
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Beide Kraftkomponenten sind insbesondere im Zustand des unbetätigten Ventils (d.h. geschlossen) ähnlich groß, so dass sie sich weitgehend aufheben und somit die Druckdifferenz über den Doppelkegel keine relevante Kraft auf den Stößel ausübt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des pneumatischen Ventils ist die Membran einstückig mit dem Dichtelement ausgebildet.
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Alternativ kann sie mit ihrem ersten Ende in eine topfförmige Aufnahmeöffnung des Dichtelements eingefügt sein und dabei eine topfförmige Aufnahme für den Stößel bilden. Wesentlich ist, dass die Verbindung der Membran mit dem Dichtelement luftdicht ist und somit der Druck in der Luftkammer nicht durch die Aktuatoröffnung entweichen kann.
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In einer vorteilhaften Ausbildung des pneumatischen Ventils ist der äußere Rand der Membranplatte zwischen zwei Gehäuseteilen verklemmt. Hierdurch soll eine luftdichte Verbindung geschaffen werden. Alternativ oder zusätzlich kann der äußere Rand der Membranplatte auch mit der Gehäusewand verklebt sein.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des pneumatischen Ventils weisen die Seitenwände des Doppelkegel-förmigen ersten Abschnitts der Membran eine größere Dicke auf als dessen Knicke.
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Der Winkel zwischen den beiden Seitenwänden des Doppelkegels kann vorzugsweise einen Winkel von 60 Grad bis 120 Grad, bevorzugt von 90 Grad aufweisen.
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Der Stößel kann aus einem elastischen Teil und einem nicht-elastischen Stift zusammengesetzt sein. Dabei kann der elastische Teil des Stößels einstückig mit der Membran ausgebildet sein. Als Material für die Membran können Elastomere wie z.B. EPDM oder Silikon verwendet werden.
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Die obere Fläche der Membran liegt vorzugsweise kraftschlüssig am Deckel der Ventilkammer an. Damit wirkt die Druckdifferenz zwischen Ventilraum und Umgebung nur auf die vergleichsweise kleine Fläche der Durchtrittsöffnung für den Stößel und erzeugt damit nur eine begrenzte Kraft in Richtung Öffnen des Ventils. So wirkt insbesondere bei geschlossenem Ventil die Rückstellkraft des Aktuators zu einem möglichst großen Teil als Dichtkraft auf den Dichtsitz des Ventils.
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Die Fläche des Dichtsitzes und die Fläche der Durchtrittsöffnung für den Stößel sind vorzugsweise gleich (oder ähnlich) groß. Dadurch hängt die Druckkraft auf den Stößel im Wesentlichen nur vom Vordruck ab und nicht vom Druck im Ventilraum. Zur Unterstützung dieser Eigenschaft kann es erforderlich sein, dass die Membran bzw. der Doppelkegel unterschiedliche Materialstärken und damit Steifigkeiten aufweist. Damit können die Flächen des Doppelkegels dicker und damit formstabiler ausgeführt sein. Die Gelenke oder Knicke des Doppelkegels und der Membran sind dabei vergleichsweise dünner ausgeführt und erlauben damit eine Beweglichkeit der Membran in der gewünschten Art.
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Die Erfindung betrifft auch eine Ventilanordnung mit zwei pneumatischen Ventilen, wie sie oben beschrieben wurden. Dabei ist die Zufuhröffnung eines ersten Ventils mit einem Druckluftanschluss der Ventilanordnung und die Verbindungsöffnung des ersten Ventils mit einem Luftkissenanschluss der Ventilanordnung und die Zufuhröffnung eines zweiten Ventils mit dem Luftkissenanschluss der Ventilanordnung und die Verbindungsöffnung des zweiten Ventils mit einem Umgebungsanschluss der Ventilanordnung verbunden.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher beschrieben werden. Dabei zeigen
- 1 eine erste Ausbildungsvariante eines erfindungsgemäßen pneumatischen Ventils in unbetätigtem Zustand,
- 2 die erste Ausbildungsvariante des Ventils in betätigtem Zustand während eines Befüllvorgangs,
- 3 eine Detaildarstellung der Luftkammer mit einer luftdichten Membran im unbetätigtem Zustand,
- 4 eine Detaildarstellung der Luftkammer mit einer luftdichten Membran im betätigtem Zustand,
- 5 eine doppelkegelförmige Membran mit einstückig angeformtem Dichtelement mit Darstellung der Kräfte auf die Seitenwände der Membran,
- 6 eine alternative Ausbildung der Membran,
- 7 eine weitere alternative Ausbildung der Membran, mit einem nicht einstückig angeformten Dichtelement und
- 8 eine Ausführungsform einer Ventilanordnung.
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1 zeigt ein pneumatisches Ventil in einer Querschnittsdarstellung, das mit einem Gehäuse 1 gebildet ist, welches ein erstes Gehäuseteil 17 aufweist, das im dargestellten Ausführungsbeispiel als Bodenplatte ausgebildet ist. Das Gehäuse 1 weist außerdem ein zweites Gehäuseteil 18 auf, das als Deckel ausgebildet ist und schließlich ein drittes becherförmiges Gehäuseteil 19, das als Einlegeteil zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil 17, 18 ausgebildet ist und an das ein Zufuhranschluss 27 und ein Verbindungsanschluss 28 angeformt sind. Zwischen dem drittes Gehäuseteil 19 und dem zweiten Gehäuseteil 18 wird eine Aktuatorkammer gebildet, in der ein Aktuator 6 eingebaut ist.
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Am dritten Gehäuseteil 19 ist eine Luftkammer 2 ausgebildet, indem dieses eine topfförmige Anformung hat, in die ein Abschlussteil 2a als Deckel der Luftkammer 2 eingesteckt ist. Die Verbindung zwischen der topfförmigen Anformung und dem Abschlussteil 2a erfolgt dabei beispielsweise mittels einer Presspassung oder einem Vorsprung 2b am Abschlussteil 2a, das in eine Nut der topfförmigen Anformung eingreift. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Druck- und Dichtkräfte durch solches Verklipsen, oder durch Verschrauben, etc. abgefangen werden.
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Die Luftkammer 2 weist eine Zufuhröffnung 3, eine Verbindungsöffnung 4 und eine Aktuatoröffnung 5 auf. Dabei sind im dargestellten Ausführungsbeispiel die Zufuhröffnung 3 und die Verbindungsöffnung 4 im dritten Gehäuseteil 19 und die Aktuatoröffnung 5 in dem die Luftkammer 2 abschließenden Abschlussteil 2a ausgebildet. Es kann also Druckluft über den Zufuhranschluss 27 beispielsweise von einem Kompressor in das Gehäuse 1 geführt werden, wobei die Druckluft über die Zufuhröffnung 3 in die Luftkammer 2 gelangen kann und von dort über die Verbindungsöffnung 4 und den Verbindungsanschluss 28 in ein damit verbindbares Luftkissen. Andererseits kann Druckluft aus dem Luftkissen über den Verbindungsanschluss 28 und die Verbindungsöffnung 4 in die Luftkammer 2 gelangen und von dort zurück zur Zufuhröffnung, und abgelassen werden, wenn dort kein höherer Druck vorherrscht.
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In der Luftkammer 2 ist ein Schließelement 7 mit einem Stößel 11 ausgebildet, an dessen in die Luftkammer 2 ragendem Ende ein Dichtelement 8 angeordnet oder an diesen angeformt ist.
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In der Luftkammer 2 ist eine Membran 30 angeordnet und bildet mit einem ersten Teil um den Stößel 11 herum einen Doppelkegel 30a, der etwa in seiner Mitte den größten Durchmesser hat. Es wäre auch möglich, zwei oder mehrere solcher Doppelkegel als eine Art Faltenbalg vorzusehen. An den Doppelkegel 30a ist eine Membranplatte 30b als zweiter Membranteil luftdicht angeformt oder mit diesem verbunden. Die Membranplatte 30b ist zwischen der topfförmigen Anformung und dem Abschlussteil 2a verklemmt oder verklebt oder beides. Die Membran 30 dichtet folglich die Aktuatoröffnung 5 ab, so dass der Druck in der Luftkammer 2 keinen Ausgleich in der durch die Gehäuseteile 18 und 19 definierten Aktuatorkammer finden kann. Damit kann Luft in einem an den Verbindungsanschluss 28 angeschlossenen Luftkissen nicht über die Aktuatoröffnung 5 entweichen, weder im betätigten noch im unbetätigten Zustand des Ventils.
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Der als Doppelkegel 30a ausgeführte erste Teil der Membran 30 ist mit einer Innenbohrung für den Stößel 11 ausgebildet. Die Luftkammer 2 mit den Öffnungen 3, 4, 5 ist in der 3 in vergrößerter Darstellung gezeigt.
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In dem Gehäuse 1 ist außerdem ein Aktuator 6 angeordnet. Der Aktuator 6 ist mit einer Leiterplatte 12 gebildet, die an entsprechenden Streben des dritten Gehäuseteils 19 gelagert und mechanisch verbunden ist. Mit der Leiterplatte 12 verbunden ist ein Betätigungselement 13, das einen Betätigungsabschnitt 14 aufweist, der mit dem Stößel 11 in direktem Kontakt steht und einen Biegeabschnitt 15 aufweist, der mit der Leiterplatte 12 verbunden ist.
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Der Aktuator 6 weist ferner ein Aktuatorelement 16 auf, das in bevorzugter Weise mit einem Draht aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist, der sich bei der Beaufschlagung mit Strom, der durch eine (nicht dargestellte) Schaltung auf der Leiterplatte 12 geliefert wird, verkürzt. Im nicht aktivierten Zustand ist das Betätigungselement 13 so vorgespannt, dass das Betätigungselement 13 mit seinem Betätigungsabschnitt 14 gegen den Stößel 11 drückt und damit das Dichtelement 8 an die Zufuhröffnung 3 drückt, wodurch die Aktuatoröffnung 5 geöffnet ist, aber mittels der Membran 30 abgedichtet wird.
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Das Aktuatorelement 16 ist dabei - beispielsweise mittels Crimpverbindungen - sowohl mit dem Betätigungselement 13 als auch mit der Leiterplatte 12 verbunden.
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In vorteilhafter Weise ist das Aktuatorelement 16 oberhalb einer Oberseite 20 der Leiterplatte 12 und das Betätigungselement 13 unterhalb einer Unterseite 21 der Leiterplatte 12 ausgebildet, so dass sich eine sehr kompakte Bauform ergibt. Prinzipiell kann der Aufbau auch spiegelverkehrt sein, so dass das Aktuatorelement 16 unterhalb der Leiterplatte 12 zu liegen kommt und das Betätigungselement 13 oberhalb der Leiterplatte 12.
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In vorteilhafter Weise ist am Betätigungselement 13 ein Endlagenerkennungselement 26 ausgebildet, das bei einer Betätigung des Aktuators 6 in Kontakt mit der Leiterplatte 12 kommt und einen Stromfluss ermöglicht, wodurch erkannt wird, dass die Endlage erreicht ist, so dass der Strom durch das Aktuatorelement 16 abgeschaltet oder zumindest verringert werden kann, um es nicht zu überlasten.
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In der 2 ist das Ventil der 1 in einem zweiten, aktivierten Zustand gezeigt, also in einem Zustand, in dem die Zufuhröffnung 3 geöffnet ist und Luft von dem Zufuhranschluss 27 über den Verbindungsanschluss 28 durch die Luftkammer 2 in ein angeschlossenes Luftkissen strömen kann.
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In der 2 sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen nur die wesentlichen Bezugszeichen gezeigt sind.
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Durch Aktivierung des Aktuators 6 wird das Betätigungselement 13 angehoben und somit das Schließelement 7 durch einen höheren Luftdruck in der Luftkammer 2, der durch Pressluft am Zufuhranschluss 27 erzeugt wird, nach oben gedrückt und folglich der Doppelkegel 30a der Membran 30 gestaucht. Das Schließelement 7 drückt nicht mehr auf das Dichtelement 8, so dass dieses durch den Luftdruck angehoben wird und die Zufuhröffnung 3 freigibt.
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In der 4 ist eine vergrößerte Darstellung der Luftkammer 2 mit den Öffnungen 3, 4, 5 und der Membran 30 eines pneumatischen Ventils im geöffneten Zustand, entsprechend der 2, gezeigt. Auch hier sind gleiche Teile wie in den 1 bis 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 5 zeigt, angedeutet durch Pfeile 31, die Kräfte, die aufgrund des Luftdrucks in der Luftkammer 2 auf die Seitenwände des Doppelkegels 30a des ersten Teils der Membran 30 ausgeübt werden. Da im dargestellten Ausführungsbeispiel der 5 der Winkel zwischen den beiden Seitenwänden etwa 90 Grad ist, heben sich die Kräfte sowohl in Richtung der Achse eines Stößels 11 als auch in radialer Richtung etwa auf, so dass diese Form eines Doppelkegels entspannt ist.
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In der 6 ist angedeutet, dass die Seitenwände des Doppelkegels 30a eine größerer Dicke aufweisen als die Knicke 30c, so dass sich die Kräfte anders verteilen. Auf diese Weise kann die Spannung der Membran 30 gestaltet werden.
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In der 7 ist schließlich angedeutet, dass die Membran 30' nicht unbedingt einstückig mit einem Dichtelement 8' ausgebildet sein muss. Dort weist das Dichtelement 8' eine Mulde auf, in die eine topfförmige Ausbeulung der Membran 30' mittels des Stößels 11 eingepresst oder auch verklebt ist.
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Die 8 zeigt eine Ventilanordnung mit zwei pneumatischen Ventilen, wie sie in den 3 und 4 dargestellt sind. Die Zufuhröffnung 3 eines ersten Ventils V1 ist mit einem Druckluftanschluss P der Ventilanordnung und die Verbindungsöffnung 4 des ersten Ventils V1 mit einem Luftkissenanschluss Ader Ventilanordnung verbunden. Die Zufuhröffnung 3' eines zweiten Ventils V2 ist mit dem Luftkissenanschluss A und die Verbindungsöffnung 4' des zweiten Ventils mit einem Umgebungsanschluss R der Ventilanordnung verbunden.
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Mit dieser Verschaltung der zwei 2/2-NC-Ventile wird ein 3/3-NC-Ventil realisiert.
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Durch das erfindungsgemäße pneumatische Ventil ergibt sich eine erhöhte Flexibilität möglicher Ventilschaltungen mit SMA-Aktuator durch Darstellung eines 2/2-Ventils zusätzlich zu 3/2-Ventilen nach dem Stand der Technik.
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Es ergibt sich auch eine erhöhte Dichtheit gegenüber der Umgebung (gegen negative Leckage) durch einstückige bzw. verpresste Membran zum Stößel und zur Ventilkammer.
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Es ergibt sich eine erhöhte Dichtheit gegenüber dem Vordruck (gegen positive Leckage) durch optimale Nutzung der Aktuator-Rückstellkraft als Dichtkraft.
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Es kann auf vorteilhafte Weise ein Luftverlust und zugehörige Strömungsgeräusche beim (langsamen) Schalten des vordruckseitigen Ventils bei einer 3/3Ventilanordnung vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 2023 203 271.6 [0002]
- EP 2 239 486 A1 [0005]
- WO 2014/135 909 A1 [0005]
- DE 10 2005 060 217 B4 [0007]
- DE 10 2018 216 874 A1 [0008]
- DE 10 2019 208 051 A1 [0008]
- CN 112066032 A [0009]
- CN 112066040 A [0009]
- DE 10 2023 211 886.6 [0010]