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Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktuator
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Ein
Piezoaktuator umfasst ein rohrförmiges, insbesondere
ein zylinderförmiges
Gehäuse
mit zwei Enden, einer nach außen
gerichteten Außenwand und
einen innerhalb dem rohrförmigen
Gehäuse
angeordneten Piezostapel. Im Betrieb des Piezoaktuators wird der
Piezostapel mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, wodurch
sich der Piezostapel längs
seiner Längsachse
ausdehnt.
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Piezoaktuatoren
werden beispielsweise als Teil von Injektoren für Common-Rail-Diesel-Einspritzanlagen
verwendet. Im Betrieb erwärmt
sich der Piezoaktuator beispielsweise aufgrund der Injektoren und
der Umgebungstemperatur, sowie aufgrund der dem Piezostapel zugeführten Energie.
Wird der Piezoaktuator unzulässig
stark erwärmt,
so kann dies zu einer Beschädigung
der Piezokeramik des Piezostapels führen, was wiederum zu einem
frühzeitigen Funktionsausfall
des Piezoaktuators führen
kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Piezoaktuator
derart auszuführen, dass
dieser sich weniger stark erwärmt.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird gelöst
durch einen Piezoaktuator, aufweisend ein rohrförmiges Gehäuse mit zwei Enden und einer
nach außen
gerichteten Außenwand,
einen innerhalb dem rohrförmigen
Gehäuses
angeordneten Piezostapel und einen an der Außenwand des Gehäuses befestigten Kühlkörper. Der
erfindungsgemäße Piezostapel
umfasst das rohrförmige
Gehäuse,
das insbesondere zylinderförmig
ausgebildet ist. Eines der beiden Enden des rohrförmigen Gehäuses ist
beispielsweise mit einer Kopfplatte abgeschlossen, an der der Piezostapel befestigt
ist. Anschlussstifte, die durch Öffnungen
der Kopfplatte ragen, können
mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden. Das andere Ende
des Gehäuses
kann mit einer Bodenplatte und mit einer beweglichen Membran abgeschlossen
sein.
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Im
Betrieb des erfindungsgemäßen Piezoaktuators
erzeugt der Piezostapel Wärme,
die z.B. über die
Kopfplatte oder über
die Bodenplatte an das Gehäuse
weiter geleitet und von der Außenwand
des Gehäuses
an die Umgebung des Piezoaktuators abgegeben wird. Um die Wärmeableitung
des Gehäuses
an die Umgebung des Piezoaktuators zu verbessern, ist an der Außenwand
des Gehäuses
erfindungsgemäß der Kühlkörper befestigt.
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Um
eine möglichst
große
Wärmeableitung des
Kühlkörpers zu
erhalten, ist dessen geometrische Gestaltung bevorzugt derart ausgeführt, dass der
Kühlkörper eine
möglichst
große äußeren Oberfläche aufweist,
wodurch die kühlende
Wirkung durch Konvektion mit der Umgebungsluft des Piezoaktuators über den
Kühlkörper verbessert
wird. Dies wird z.B. nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Piezoaktuators
erreicht, indem der Kühlkörper wenigstens
eine Kühlrippe
und/oder einen Kühlschlitz
aufweist.
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Es
werden bevorzugt Werkstoffe mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit
für den
Kühlkörper verwendet.
Geeignete Werkstoffe sind z.B. Aluminium, das eine Wärmeleitfähigkeit
von ca. 230 W/(m·K) aufweist,
oder Kupfer bzw. Kupferlegierungen. Kupferlegierungen können Wärmeleitfähigkeiten
bis zu 320 W/(m·K)
aufweisen.
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Der
Kühlkörper ist
beispielsweise ein einteiliger Kühlkörper, insbesondere
ein massiver einteiliger Kühlkörper. Solch
ein Kühlkörper kann
beispielsweise an die Außenwand
des Gehäuses
des Piezoaktuators angeschraubt werden.
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Um
eine möglichst
gute Kühlung
des Piezoaktuators über
den Kühlkörper zu
erreichen, sollte dieser einen möglichst
guten Kontakt mit der Außenwand
des Gehäuses
haben. Ein eventuell entstehender Luftspalt zwischen der Außenwand
des Gehäuses
und dem Kühlkörper kann
mit einem gut wärmeleitenden
Material, z.B. mit einer Wärmepaste,
gefüllt werden.
Mit dem wärmeleitenden
Material können somit
auch geometrische Toleranzen oder unterschiedliche Ausdehnungen
des Gehäuses
und des Kühlkörpers aufgrund
der Temperatur zumindest teilweise kompensiert werden.
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Um
einen möglichst
guten Kontakt zwischen dem Kühlkörper und
der Außenwand
des Gehäuses zu
erreichen, ist der Kühlkörper nach
einer Variante des erfindungsgemäßen Piezoaktuators
federnd ausgeführt.
Der federnd ausgeführte
Kühlkörper ist nach
einer bevorzugten Variante des Piezoaktuators derart vorgespannt,
sodass eine aus der Vorspannung resultierende Federkraft den Kühlkörper gegen die
Außenwand
des Gehäuses
drückt.
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Ein
federnd ausgeführter
Kühlkörper kann z.B.
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Piezoaktuators
aus einem Blech hergestellt werden, das insbesondere entsprechend der
Geometrie der Außenwand
des Gehäuses
gebogen wird. So kann der als Kühlblech
ausgeführte Kühlkörper ringförmig gebogen
werden, was insbesondere bei einem zylinderförmigen Gehäuse vorteilhaft ist. Der Innenradius
eines solchen ringförmigen Kühlblechs
kann im vorgespannten Zustand des ringförmigen Kühlblechs kleiner als der Außenradius
des zylinderförmigen
Gehäuses
sein. Dann drückt
das ringförmige
Kühlblech
gegen die Außenwand
des Gehäuses,
wodurch nicht nur ein relativ guter Kontakt zwischen der Außenwand
des Gehäuses
und dem Kühlblech
erreicht wird, sondern es werden auch unterschiedliche thermische
Ausdehnungen des Gehäuses
und des Kühlblechs
ausgeglichen. Die federnde Wirkung des Kühlblechs kann z.B. durch Schlitze
im Kühlblech
und/oder durch eine Stauchung des Kühlblechs verstärkt wer den.
Durch die federnde Ausführung
des Kühlkörpers kann
sich auch die Montage des erfindungsgemäßen Piezoaktuators vereinfachen,
da sich der Kühlkörper beispielweise
durch seine elastische Ausdehnung auf dre Außenwand des Gehäuses in
seiner Position hält. Für einen
besseren Halt des Kühlkörpers kann
das Gehäuse
auch eine insbesondere geringfügige
Vertiefung, z.B. in Form einer an der Außenwand des Gehäuses umlaufenden
Nut, aufweisen, in der der federnde Kühlkörper angeordnet ist.
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Die
wirksame Oberfläche
des als Kühlblech ausgeführten Kühlkörpers lässt sich
gemäß einer
Variante des erfindungsgemäßen Piezoaktuators
relativ einfach vergrößern, indem
das Kühlblech
wenigstens eine Kühllasche
aufweist. Die Kühllasche
kann z.B. durch teilweises Ausschneiden aus dem Kühlblech und
darauffolgendes Biegen gefertigt werden.
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Gemäß einer
weiteren Variante des erfindungsgemäßen Piezoaktuators ist das
Kühlblech sternförmig gebogen.
Dadurch ergibt sich nicht nur eine relativ gute federnde Eigenschaft
des Kühlblechs,
sondern die Zacken des sternförmig
ausgeführten
Kühlblechs
vergrößern die
effektive äußere Fläche des
Kühlkörpers.
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Durch
die verbesserte Wärmeabgabe über den
an der Außenwand
des Gehäuses
angeordneten Kühlkörper ermöglicht der
erfindungsgemäße Piezoaktuator
insbesondere das Einbringen einer erhöhten Energiemenge pro Arbeitstakt
in den Piezostapel und/oder die Anhebung der Anzahl der Piezohübe pro Arbeitstakt.
Der Kühlkörper ist
erfindungsgemäß an der
Außenwand
des Gehäuses
befestigt. Somit kann das Innere des Gehäuses, in dem der Piezostapel
angeordnet ist, unverändert
bleiben, sodass eine Veränderung
des Piezohubs des Piezostapels nicht zu erwarten ist, da keine beteiligten
und erprobten Bauteile verändert
werden müssen.
Durch die Verwendung insbesondere des federnd ausgeführten Kühlkörpers, der
unter Vorspannung an der Außenwand
des Gehäuses
anliegt, wird die thermische Werkstoffdehnung insbesondere des Gehäuses und des
Kühlkörpers kompensiert,
wodurch es möglich ist,
dass eine abnehmende flächige
Anlage des Kühlkörpers auf
der Außenwand
vermieden wird. Durch die Verwendung des Bleches ist eine kostengünstige Herstellung
möglich.
Außerdem
ergibt sich eine relativ einfache Montage, da unter Umständen keine
zusätzlichen
Befestigungselemente erforderlich sind, insbesondere wenn der Kühlkörper unter
Vorspannung auf dem Gehäuse
montiert wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den beigelegten schematischen Zeichnungen
exemplarisch dargestellt. Es zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Piezoaktuator
mit einem rohrförmigen
Gehäuse,
an dessen Außenwand
ein Kühlkörper befestigt
ist,
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2-4 verschiedene
Ausführungsformen
des Kühlkörpers des
Piezoaktuators der 1 und
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5-7 verschiedenen
Stadien der Herstellung eines weiteren Kühlkörpers für den Piezoaktuator der 1.
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Die 1 zeigt
einen Piezoaktuator 1, der im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
mittels einer Hohlschraube 2 und einem Spannring 22 mit
einem in der 1 nur teilweise dargestellten
Injektorkörper 3 einer
Common-Rail-Dieseleinspritzanlage verbunden
ist.
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Der
Piezoaktuator 1 umfasst ein rohrförmiges Gehäuse 4, das im Falle
des vorliegenden Ausführungsbeispiels
zylinderförmig
ausgeführt
ist. Das zylinderförmige
Gehäuse 4 hat
zwei Enden und weist eine Außenwand 5 und
eine Innenwand 6 auf. Eines der beiden Enden des Gehäuses 4 ist
mit einer im Wesentlichen scheibenförmigen Kopfplatte 7 abgeschlossen,
des sen Radius im Wesentlichen dem der Innenwand 6 zugeordneten
Innenradius des rohrförmigen
Gehäuses 4 entspricht.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
ist die Kopfplatte 7 längs ihres
Umfangs an die Innenwand 6 des Gehäuses 4 im Bereich 8 eines
der Enden des Gehäuses 4 geschweißt.
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Innerhalb
dem rohrförmigen
Gehäuse 4 ist ein
Piezostapel 9 mit zwei Anschluss-Stiften 10 angeordnet.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
ist der Piezostapel 9 mit einem seiner beiden Enden an
die in das Innere des Gehäuses 4 gerichteten
Seite der Kopfplatte 7 und mit seinem anderen Ende an einer
Bodenplatte 11 befestigt. Die Bodenplatte 11 ist
wiederum mit einer Dichtmembran 12 verbunden, die auch
mit der Innenwand 6 des Gehäuses 4 in einem Bereich 13 an
dem der Kopfplatte 7 entgegengesetzten Ende des Gehäuses 4 verbunden
ist. Die Bodenplatte 11 und die Dichtmembran 12 dichten
das entsprechende Ende des Gehäuses 4 ab.
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Die
Kopfplatte 7 weist zwei Öffnungen 14 auf, durch
die die Anschluss-Stifte 10 ragen. Um den Piezostapel 9 gegen
Umwelteinflüsse
abzudichten, umfasst der Piezoaktuator 1 außerdem im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
zwei O-Ringe 15, 16 und zwei Iso-Hülsen 17, 18,
die die Öffnungen 14 der
Kopfplatte 7 abdichten. Außerdem umfasst im Falle des
vorliegenden Ausführungsbeispiels
der Piezoaktuator 1 eine Fixierscheibe 19, die
an der nach außen
gerichteten Seite der Kopfplatte 7 auf der Kopfplatte 7 befestigt
ist.
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Die
Anschluss-Stifte 10 sind des Weiteren mit einer Kontaktbaugruppe 20 in
nicht dargestellter Weise verbunden, sodass der Piezostapel 9 über die Anschluss-Stifte 10 und
die Kontaktbaugruppe 20 in allgemein bekannter Weise mit
einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden kann.
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Das
mit der Kopfplatte 7 versehene Ende des rohrförmigen Gehäuses 3 ist
außerdem
im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
mit einer einen nicht näher
dargestellten Stecker des Piezoaktuators 1 bildenden Steckerumspritzung 21 aus
Kunststoff umgeben.
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Im
Betrieb des Piezoaktuators 1 wird an den Piezostapel 9 über dessen
Anschluss-Stifte 10 die elektrische Spannung angelegt.
Daraufhin dehnt sich der Piezostapel 9 bezüglich seiner
Längsachse 23 aus
und verschiebt dadurch die Bodenplatte 11 relativ zum Gehäuse 4 in
Pfeilrichtung eines Pfeils 24. Bei nicht angelegter elektrischer
Spannung zieht sich der Piezostapel 9 wieder zusammen,
wodurch die Bodenplatte 11 entgegen der Pfeilrichtung des
Pfeils 24 relativ zum Gehäuse 4 verschoben wird.
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Für eine verbesserte
Lagerung des Piezostapel 9 umfasst der Piezostapel 1 im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
eine innerhalb dem Gehäuse 4 angeordnete
zylinderförmige
Rohrfeder 28 mit einer Außenseite 29 und einer
Innenseite 30. Die Rohrfeder 28 ist derart ausgeführt, dass
sich zwischen der Außenseite 29 der
Rohrfeder 28 und der Innenwand 6 des Gehäuses 4 ein
Luftspalt 31 befindet.
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Ein
Ende der Rohrfeder 28 ist in einem Bereich 26 mit
der Kopfplatte 7 und das andere Ende der Rohrfeder 28 ist
in einem Bereich 27 mit der Bodenplatte 11 verschweißt. Im Falle
des vorliegenden Ausführungsbeispiels
ist die Rohrfeder 28 aus einem geschlitzten Blech gefertigt
und hat eine federnde Wirkung bezüglich der Längsachse 23 des Piezostapels 9,
der wiederum innerhalb der Rohrfeder 28 angeordnet ist.
Die Rohrfeder 28 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
entgegen der Pfeilrichtung des Pfeils 24 vorgespannt, sodass
sie das Zusammenziehen des Piezostapels 9 bei nicht angelegter
elektrischer Spannung unterstützt.
Durch den Luftspalt 31 ist es im Falle des vorliegenden
Ausführungsbeispiels
auch gewährleistet,
dass die Rohrfeder 28 bei einer Bewegung relativ zum Gehäuse 4 nicht
an der Innenwand 6 des Gehäuses 4 reibt. Im Falle
des vorliegenden Ausführungs beispiels
bewegt sich die Rohrfeder 28 im Bereich 26 des
Piezoaktuators 1 relativ zum Gehäuse 4 nicht.
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Im
Betrieb des Piezoaktuators 1 erzeugt der Piezostapel 9 Wärme, die
insbesondere über
die Kopfplatte 7 an das Gehäuse 4 und danach an
die Umgebung des Piezoaktuators 1 abgeführt wird.
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Um
die Konvektion zwischen dem Gehäuse 4 und
der Luft der Umgebung zu erhöhen,
weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Piezoaktuator 1 einen
an der Außenwand 5 des
Gehäuses 4 angeordneten
und in der 2 näher dargestellten Kühlkörper 32 auf,
der im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit Schrauben 33 an der
Außenwand 6 des
Gehäuses 5 angeschraubt
ist.
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Im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
handelt es sich bei dem Kühlkörper 32 um
einen massiven Kühlkörper insbesondere
aus Aluminium, Kupfer oder einer Kupferlegierung. Der Kühlkörper 32 hat
im Wesentlichen die Form eines zylinderförmigen Rohres, dessen Innendurchmesser 35 im Wesentlichen
dem Außendurchmesser
des rohrförmigen
Gehäuses 4 entspricht.
Der Kühlkörper 32 weist
außerdem
im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
ringförmig
ausgebildete Kühlrippen 34 auf,
die die Oberfläche
des Kühlkörpers 32 vergrößern.
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Im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
wurde der Kühlkörper 32 aus
einem zylinderförmigen
Rohr mit dem Innendurchmesser 35 und einem Außendurchmesser 36 gefertigt,
indem die Kühlrippen 34 in
dieses Rohr gefräst
wurden.
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Des
Weiteren ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Innenwand 37 des
Kühlkörpers 32 mit
einer Wärmeleitpaste
versehen.
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Die 3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Kühlkörpers 38,
der anstelle des in der 2 dargestellten Kühlkörpers 32 an
die Außenwand 5 des
Gehäuses 4 des
Piezoaktuators 1 befestigt werden kann. Im Falle des vorliegenden
Ausführungsbeispiels
wurde der Kühlkörper 38 aus
einem Blech gestanzt und anschließend, wie in der 3 dargestellt,
sternförmig,
allgemein ringförmig,
gebogen. Dadurch weist der Kühlkörper 38 einen
Spalt 39 auf.
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Durch
diese Ausgestaltung ist der Kühlkörper 38 elastisch
und insbesondere bezüglich
seines Radius federnd ausgeführt.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
ist der Kühlkörper 38 insbesondere
derart gebogen, dass dessen Innenradius 40 etwas kleiner
als der Außenradius
des Gehäuses 4 des
Piezoaktautors 1 ist. Dadurch drückt der Kühlkörper 38 mit seiner
Innenwand 41 automatisch gegen die Außenwand 5 des Gehäuses 4.
Dadurch werden im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels auch unterschiedliche
thermische Ausdehnungen des Kühlkörpers 38 und
des Gehäuses 4 ausgeglichen,
wodurch ein relativ guter Kontakt zwischen der Innenwand 41 des
Kühlkörpers 38 und
der Außenwand 5 des
Gehäuses 4 entsteht.
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Für einen
verbesserten Halt des Kühlkörpers 38 am
Gehäuse 4 weist
die Außenwand 5 des
Gehäuses 4 im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
eine in der 1 nicht näher dargestellte ringförmige Nut
auf. Die Nut weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
eine Tiefe von weniger als einen Millimeter bis wenige Millimeter
auf und hat eine Höhe,
die der Höhe 42 des
Kühlkörpers 38 entspricht.
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Aufgrund
der speziellen Ausgestaltung des Kühlkörpers 38 ergeben sich
mehrere Kühlrippen 43 in
Gestalt der "Zacken" des sternförmigen Kühlkörpers 38.
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Die 4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines weiteren Kühlkörpers 44,
der anstelle der Kühlkörper 32, 38 an
die Außenwand 5 des
Gehäuses 4 des
Piezoaktuators 1 angeord net werden kann. In der 4 ist
der Kühlkörper 44 nur
teilweise dargestellt.
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Der
Kühlkörper 44 ist
im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
ebenfalls aus einem Blech gestanzt und ringförmig gebogen. Durch das ringförmige Biegen
hat der Kühlkörper 44 ebenfalls
eine federnde Wirkung, die im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
bewirkt, dass der Kühlkörper 44 mit
seiner Innenwand 45 gegen die Außenwand 5 des Gehäuses 4 drückt. Um
eine erhöhte
Wärmeableitung
zu erreichen, weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
der Kühlkörper 44 mehrere Kühllaschen 46 auf.
Diese wurde im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels teilweise aus
dem für den
Kühlkörper 44 verwendeten
Blechs herausgeschnitten und anschließend aus der durch das Blech definierten
Ebene herausgebogen. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
sind die einzelnen Kühllaschen 46 derart
aus der Ebene des Blechs herausgebogen, sodass diese in etwa einen
Winkel von 90° mit
der Ebene des Blechs einschließen.
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Die 5 bis 7 zeigen
schematisch die Herstellung weiterer Kühlkörper 50, 53,
die anstelle der Kühlkörper 32, 38, 44 an
die Außenwand 5 das Gehäuse 4 des
Piezoaktuators 1 angeordnet werden können. Zunächst wird aus einem nicht näher dargestellten
Blech ein in der 5 gezeigtes Blech 51 herausgestanzt.
Anschließend
wird das Blech 51 im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
mit mehreren Schlitzen 52 versehen. Die Schlitze 52 werden
z.B. in das Blech 51 gestanzt.
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Anschließend wird
das Blech 51 ringförmig gebogen,
wie dies in der 6 gezeigt ist. Dadurch entsteht
der ringförmiger
Kühlkörper 53 mit
einem Schlitz 54. Durch das Biegen des Blechs 51 ist
der Kühlkörper 53 elastisch
und drückt,
wenn an der Außenwand 5 des
Gehäuses 4 des
Piezoaktuators 1 befestigt, gegen die Außenwand 5 des
Gehäuses 4.
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Um
den Kühlkörper 50 zu
erhalten, wird im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Kühlkörper 53 in
Pfeilrichtungen von in der 7 gezeigten
Pfeilen 55, 56 gestaucht.
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Die
Kühlkörper 38, 44 können ähnlich den Kühlkörpern 50, 53 aus
dem Blech 51 hergestellt werden.