DE102006026932A1

DE102006026932A1 - Piezoaktuator

Info

Publication number: DE102006026932A1
Application number: DE102006026932A
Authority: DE
Inventors: Tim Bohlmann; Michael Denzler; Klaus Plecher; Marcus Unruh; Stefan Weidemann; Claus Zumstrull
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2007-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktuator (1), aufweisend ein rohrförmiges Gehäuse (4), eine Kopfplatte (7), eine innerhalb des rohrförmigen Gehäuses (4) angeordnete und an der Kopfplatte (7) befestigte rohrförmige Feder (28) und einen innerhalb der rohrförmigen Feder (28) angeordneten Piezostapel (9). Das rohrförmige Gehäuse (4) hat zwei Enden, eine nach außen gerichtete Außenwand (5) und eine nach innen gerichtete Innenwand (6). Die Kopfplatte (7) schließt das eine der beiden Enden des rohrförmigen Gehäuses (4) ab. Die rohrförmige Feder (28) hat zwei Enden, eine nach außen gerichtete Außenseite (24) und eine nach innen gerichtete Innenseite (30). Die rohrförmige Feder (28) ist derart ausgeführt, dass zwischen der Außenseite (29) der rohrförmigen Feder (28) und der Innenwand (6) des Gehäuses (4) ein Luftspalt (31) ausgebildet ist, in dem ein Wärmeleitblech (61, 71, 81) zum direkten Wärmeübergang zwischen der Außenseite (29) der rohrförmigen Feder (28) und der Innenwand (6) des Gehäuses (4) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktuator.
Ein Piezoaktuator umfasst ein rohrförmiges, insbesondere ein zylinderförmiges Gehäuse mit zwei Enden und 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.
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.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Piezoaktuator derart auszuführen, dass dieser sich weniger stark erwärmt.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Piezoaktuator, aufweisend ein rohrförmiges Gehäuse mit zwei Enden, einer nach außen gerichteten Außenwand und einer nach innen gerichteten Innenwand, eine Kopfplatte, die das eine der beiden Enden des rohrförmigen Gehäuses abschließt, eine innerhalb dem rohrförmigen Gehäuse angeordnete und an der Kopfplatte befestigte rohrförmige Feder mit zwei Enden, einer nach außen gerichteten Außenseite und einer nach innen gerichteten Innenseite, wobei die rohrförmige Feder derart ausgeführt ist, dass zwischen der Außenseite der rohrförmigen Feder und der Innenwand des Gehäuses ein Luftspalt ausgebildet ist, einen innerhalb der rohrförmigen Feder angeordneten Piezostapel und ein im Luftspalt angeordnetes Wärmeleitblech zum direkten Wärmeübergang zwischen der Außenseite der rohrförmigen Feder und der Innenwand des Gehäuses.
Der erfindungsgemäße Piezoaktuator umfasst das rohrförmige Gehäuse, das insbesondere zylinderförmig ausgebildet ist. Eines der beiden Enden des rohrförmigen Gehäuses ist mit der Kopfplatte abgeschlossen, an der die rohrförmige Feder und eventuell auch der Piezostapel befestigt sind. Der Piezostapel kann z.B. über Anschlussstifte, die z.B. durch Öffnungen der Kopfplatte ragen, mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden. Das andere Ende des Gehäuses kann mit einer Bodenplatte und mit einer beweglichen Membran abgeschlossen sein.
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 Piezostapels an das Gehäuse zu verbessern, umfasst der erfindungsgemäße Piezoaktuator das Wärmeleitblech zum direkten Wärmeübergang zwischen der Außenseite der rohrförmigen Feder und der Innenwand des Gehäuses. Das Wärmeleitblech berührt bevorzugt sowohl die Außenseite der rohrförmigen Feder als auch die Innenwand des Gehäuses.
Für das Wärmeleitblech werden bevorzugt Werkstoffe mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit 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.
Bei angelegter elektrischer Spannung dehnt sich der Piezostapel längs seiner Längsachse aus. Bei nicht angelegter elektrischer Spannung zieht sich der Piezostapel wieder zusammen. Die rohrförmige Feder kann dabei die Lagerung des Piezostapels verbessern und ist insbesondere derart ausgeführt, dass sie das Zusammenziehen des Piezostapels unterstützt. Somit bewegen sich im Betrieb zumindest Teile der rohrförmigen Feder relativ zum Gehäuse des erfindungsgemäßen Piezoaktuators. Aufgrund des Luftspalts zwischen der rohrförmigen Feder und des Gehäuses wird verhindert, dass die Außenseite der rohrförmigen Feder an der Innenwand des Gehäuses reibt. Damit auch das Wärmeleitblech nicht an der Innenwand des Gehäuses oder an der Außenseite der rohrförmigen Feder reibt, liegt das Wärmeleitblech nach einer Variante des erfindungsgemäßen Piezoaktuators an einer Stelle der Außenseite der rohrförmigen Feder an, die relativ zur Innenwand des Gehäuses unbeweglich ist.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Piezoaktuators ist die rohrförmige Feder an einem ihrer Enden mit ihrer Innenseite an der Kopfplatte befestigt und das Wärmeleitblech im Bereich der Befestigung zwischen der Kopfplatte und der rohrförmigen Feder im Luftspalt angeordnet. In diesem Bereich ist die rohrförmige Feder unbeweglich relativ zum Gehäuse, sodass ein Reiben des Wärmeleitblechs an der Außenseite der rohrförmigen Feder oder an der Innenwand des Gehäuses vermieden wird.
Damit das Wärmeleitblech möglichst gut an der Innenwand des Gehäuses und der Außenseite der rohrförmigen Feder anliegt, kann das Wärmeleitblech derart elastisch ausgebildet sein, dass es gegen die Innenwand des Gehäuses und gegen die Außenseite der rohrförmigen Feder drückt. Somit ist ein möglichst guter Wärmeübergang von der Außenseite der rohrförmigen Feder zur Innenwand des Gehäuses sicher gestellt.
Das Wärmeleitblech ist bevorzugt ringförmig ausgebildet. Die elastische Wirkung des Wärmeleitblechs kann z.B. dadurch erhalten werden, dass eine Außenfläche des ringförmige Wärmeleitblechs nach innen oder nach außen gewölbt ist, wie es nach Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Piezoaktuators vorgesehen ist. Das Wärmeleitblech kann auch Ausnehmungen insbesondere zur Verstärkung der elastische Wirkung aufweisen.
Eine besonders gute elastische Eigenschaft des Wärmeleitblechs ergibt sich, wenn dieses gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Piezoaktuators kronenförmig ausgebildet ist.
Das Wärmeleitblech kann insbesondere durch Stanzen und/oder Biegen hergestellt werden.
Das Wärmeleitblech erhöht die Ableitung von Wärme zum Gehäuse, wodurch der erfindungsgemäße Piezoaktuator insbesondere das Einbringen einer erhöhten Energiemenge pro Arbeitstakt in den Piezostapel und/oder die Anhebung der Anzahl der Piezohübe pro Arbeitstakt erlaubt. Das Innere des Gehäuses, in dem der Piezostapel angeordnet ist, braucht für das Wärmeleitblech wenn, dann nur unwesentlich verändert werden, sodass eine Veränderung des Piezohubs des Piezostapels nicht zu erwarten ist. Durch die Verwendung insbesondere des federnd ausgeführten Wärmeleitblechs, das insbesondere sowohl gegen die Außenseite der rohrförmigen Feder als auch gegen die Innenwand des Gehäuses drückt, wird die thermische Werkstoffdehnung insbesondere des Gehäuses und des Wärmeleitblechs kompensiert, wodurch es möglich ist, dass eine abnehmende flächige Anlage des Wärmeleitblechs auf der Außenseite der rohrförmigen Feder bzw. an der Innenwand des Gehäuses vermieden wird. Durch die Verwendung insbesondere eines gestanzten und/oder gebogenen Blechs für das Wärmeleitblech ist eine kostengünstige Herstellung des erfindungsgemäßen Piezoaktuators möglich. Außerdem ergibt sich eine relativ einfache Montage, da keine zusätzlichen Befestigungselemente erforderlich sind, sofern das Wärmeleitblech unter Vorspannung in den Luftspalt eingebracht wird.
Das Gehäuse gibt im Betrieb des erfindungsgemäßen Piezoaktuators erzeugte Wärme an die Umgebung des Piezoaktuators weiter. Um die Wärmeableitung des Gehäuses zu verbessern, ist nach einer Variante des erfindungsgemäßen Piezoaktuators an der Außenwand des Gehäuses wenigstens ein Kühlkörper angeordnet. Für den Kühlkörper werden bevorzugt Werkstoffe mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet. Geeignete Werkstoffe sind z.B. Aluminium, Kupfer oder Kupferlegierungen.
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.
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.
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 thermische Ausdehnungen des Gehäu ses und des Kühlkörpers zumindest teilweise kompensiert werden.
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.
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 werden. 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 dem Gehäuse 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.
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.
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 Oberfläche des Kühlkörpers.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigelegten schematischen Zeichnungen exemplarisch dargestellt. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Piezoaktuator mit einem rohrförmigen Gehäuse, einer im Gehäuse angeordneten rohrförmigen Feder und einem in einem Luftspalt zwischen der Feder und dem Gehäuse ausgebildeten Luftspalt angeordneten Wärmeleitblech,
2 ein Ausschnitt des Piezoaktuators der 1,
3-5 verschiedene Ausführungsformen des Wärmeleitblechs des Piezoaktuators der 1,
6-8 verschiedene Ausführungsformen eines an der Außenwand des Gehäuses des Piezoaktuators der 1 angeordneten Kühlkörpers und
9-11 verschiedenen Stadien der Herstellung weiterer Kühlkörper für den Piezoaktuator der 1.
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.
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, dessen 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.
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.
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.
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.
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.
Im Betrieb des Piezoaktuators 1 wird an den Piezostapel 9 über dessen Anschluss-Stifte 10 eine 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.
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 bildet.
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 elektrischen 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 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.
Um die Wärmeleitung an das Gehäuse 4 zu verbessern, umfasst der Piezoaktuator 1 ein in der 3 näher dargestelltes ringförmiges Wärmeleitblech 61, das im Luftspalt 31 im Bereich 26 angeordnet ist, in dem die Rohrfeder 28 an der Kopfplatte 7 befestigt ist. Dies ist besser der 2 zu entnehmen, die einen Teilausschnitt 60 des Piezoaktuators 1 im Bereich 26 darstellt.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist das Gehäuse 4 eine ringförmige Nut 25 im Bereich 26 auf. Die Nut 25 wurde im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels in die Innenwand 6 des Gehäuses 4 gefräst und ist vorgesehen, das Wärmeleitblech 61 aufzunehmen.
Das in der 3 gezeigte Wärmeleitblech 61 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels kronenförmig ausgeführt und wurde aus einem nicht näher dargestellten Blech gestanzt und anschließend, wie in der 3 gezeigt, gebogen. Aufgrund des Biegens weist das Wärmeleitblech 61 einen Schlitz 62 auf, der auch ein festes Anliegen des Wärmeleitblechs 61 in der Nut 25 unterstützt. Das Wärmeleitblech 61 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels aus Aluminium, kann aber auch aus einem anderen Werkstoff, wie z.B. Kupfer oder einer Kupferlegierung, gefertigt sein.
Das kronenförmige Wärmeleitblech 61 weist mehrere Zacken 63 auf, die im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels jeweils mit einer Federlasche 64 versehen sind. Die einzelnen Federlaschen 64 entstanden durch entsprechendes Biegen der einzelnen Zacken 63. Die Federlaschen 64 sind außerdem derart ausgeführt, dass sie jeweils mit einem Bereich 65 an der Außenseite 29 der Rohrfeder 28 und mit einem Bereich 66 an der Innenwand 6 des Gehäuses 4 anliegen. Die Federlaschen 64 sind ferner elastisch, um ein möglichst permanentes Anliegen dieser Bereiche 65, 66 an der Außenseite 29 der Rohrfeder 28 bzw. an der Innenwand 6 des Gehäuses 4 sicher zu stellen.
Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wärmeleitblechs 71, das anstelle des in der 3 dargestellten Wärmeleitblechs 61 für den Piezoaktuator 1 verwendet werden kann. Das in der 4 gezeigte Wärmeleitblech 71 ist ebenfalls aus Aluminium gefertigt, wobei auch andere Werkstoffe geeignet sind. Das Wärmeleitblech 71 wurde im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels aus einem Blech gestanzt und anschließend wurden aus dem ausgestanzten Blech Ausnehmungen 72 ausgestanzt. Anschließend wurde dieses mit den Ausnehmungen 72 versehene Blech wie in der 4 dargestellt gebogen, sodass sich die Außenfläche des ringförmigen Wärmeleitblechs 71 nach außen wölbt. Das Wärmeleitblech 71 ist ebenfalls elastisch und presst sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels aufgrund eines Schlitzes 73 in die Nut 25 des Gehäuses 4. Außerdem ist das Wärmeleitblech 71 längs seines Umfangs nach außen gewölbt, wodurch es sowohl gegen die Außenseite 29 der Rohrfeder 28 als auch gegen die Innenwand 6 des Gehäuses 4 drückt.
Die 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wärmeleitblechs 81, das anstelle der Wärmeleitbleche 61, 71 für den Piezoaktuator 1 verwendet werden kann. Das in der 5 gezeigte Wärmeleitblech 81 ist ebenfalls aus Aluminium gefertigt, wobei auch andere Werkstoffe geeignet sind. Das Wärmeleitblech 81 wurde im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels aus einem Blech gestanzt und anschließend wurden aus dem ausgestanzten Blech Ausnehmungen 82 ausgestanzt. Anschließend wurde dieses mit den Ausnehmungen 82 versehene Blech wie in der 5 dargestellt gebogen, sodass sich die Außenfläche des ringförmigen Wärmeleitblechs 81 nach innen wölbt. Das Wärmeleitblech 81 ist ebenfalls elastisch und presst sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels aufgrund eines Schlitzes 83 in die Nut 25 des Gehäuses 4. Außerdem ist das Wärmeleitblech 81 längs seines Umfangs nach innen gewölbt, wodurch es sowohl gegen die Außenseite 29 der Rohrfeder 28 als auch gegen die Innenwand 6 des Gehäuses 4 drückt.
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 6 näher dargestellten optionalen Kühlkörper 32 auf, der im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit Schrauben 33 an der Außenwand 5 des Gehäuses 4 angeschraubt ist.
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.
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.
Des Weiteren ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Innenwand 37 des Kühlkörpers 32 mit einer Wärmeleitpaste versehen.
Die 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines optionalen Kühlkörpers 38, der anstelle des in der 6 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 7 dargestellt, sternförmig, allgemein ringförmig, gebogen. Dadurch weist der Kühlkörper 38 einen Spalt 39 auf. 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 Piezoaktuators 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 Dehnungen 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.
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 eine Tiefe von weniger als einen Millimeter bis wenige Millimeter auf und hat eine Höhe, die der Höhe 42 des Kühlkörpers 38 entspricht.
Aufgrund der speziellen Ausgestaltung des Kühlkörpers 38 ergeben sich mehrere Kühlrippen 43 in Gestalt der "Zacken" des sternförmigen Kühlkörpers 38.
Die 8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines weiteren optionalen Kühlkörpers 44, der anstelle der Kühlkörper 32, 38 an die Außenwand 5 des Gehäuses 4 des Piezoaktuators 1 angeordnet werden kann. In der 8 ist der Kühlkörper 44 nur teilweise dargestellt.
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 Kühlrippen 46 auf. Diese wurde im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels teilweise aus dem für den Kühlkörper 44 verwendeten Blech herausgeschnitten und anschließend aus der durch das Blech definierten Ebene herausgebogen. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind die einzelnen Kühlrippen 46 derart aus der Ebene des Blechs herausgebogen, sodass diese in etwa einen Winkel von 90° mit der Ebene des Blechs einschließen.
Die 9 bis 11 zeigen schematisch die Herstellung eines weiteren optionalen Kühlkörpers 50, der anstelle der Kühlkörper 32, 38, 44 an die Außenwand 5 das Gehäuse 4 des Piezoaktuators 1 angeordnet werden kann. Zunächst wird ein aus einem nicht näher dargestellten Blech ein in der 9 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.
Anschließend wird das Blech 51 ringförmig gebogen, wie dies in der 10 gezeigt ist. Dadurch entsteht ein ringförmiger Kühlkörper 53 mit einem Schlitz 54. Der Kühlkörper 53 kann auch für den Piezoaktuator 1 verwendet werden. 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.
Um den Kühlkörper 50 zu erhalten, wird im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Kühlkörper 53 in Pfeilrichtungen von in der 11 gezeigten Pfeilen 55, 56 gestaucht.

Claims

Piezoaktuator, aufweisend – ein rohrförmiges Gehäuse (4) mit zwei Enden, einer nach außen gerichteten Außenwand (5) und einer nach innen gerichteten Innenwand (6), – eine Kopfplatte (7), die das eine der beiden Enden des rohrförmigen Gehäuses (4) abschließt, – eine innerhalb dem rohrförmigen Gehäuse (4) angeordnete und an der Kopfplatte (7) befestigte rohrförmige Feder (28) mit zwei Enden, einer nach außen gerichteten Außenseite (24) und einer nach innen gerichteten Innenseite (30), wobei die rohrförmige Feder (28) derart ausgeführt ist, dass zwischen der Außenseite (29) der rohrförmigen Feder (28) und der Innenwand (6) des Gehäuses (4) ein Luftspalt (31) ausgebildet ist, – einen innerhalb der rohrförmigen Feder (28) angeordneten Piezostapel (9) und – ein im Luftspalt (31) angeordneten Wärmeleitblech (61, 71, 81) zum direkten Wärmeübergang zwischen der Außenseite (29) der rohrförmigen Feder (28) und der Innenwand (6) des Gehäuses (4).
Piezoaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmige Feder (28) an einem ihrer Enden mit ihrer Innenseite (30) an der Kopfplatte (7) befestigt und das Wärmeleitblech (61, 71, 81) im Bereich (26) der Befestigung zwischen der Kopfplatte (7) und der rohrförmigen Feder (28) im Luftspalt (31) angeordnet ist.
Piezoaktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitblech (61, 71, 81) an einer Stelle der Außenseite (29) der rohrförmigen Feder (28) anliegt, die relativ zur Innenwand (6) des Gehäuses (4) unbeweglich ist.
Piezoaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitblech (61, 71, 81) derart elastisch ausgebildet ist, dass es gegen die Innenwand (6) des Gehäuses (4) und gegen die Außenseite (29) der rohrförmigen Feder (28) drückt.
Piezoaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitblech (61, 71, 81) ringförmig ausgebildet ist.
Piezoaktuator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenfläche des ringförmige Wärmeleitblechs (61, 71, 81) nach innen oder nach außen gewölbt ist.
Piezoaktuator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitblech (61) kronenförmig ausgebildet ist.
Piezoaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitblech (71, 81) Ausnehmungen (72, 82) aufweist.
Piezoaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitblech (61, 71, 81) durch Stanzen und/oder Biegen hergestellt wird.
Piezoaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch dass das Gehäuse (4) eine Nut (25) in der Innenwand (6) aufweist, in der das Wärmeleitblech (61, 71, 81) angeordnet ist.
Piezoaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen an der Außenwand (5) des Gehäuses (4) befestigten Kühlkörper (32, 38, 44, 50, 53).
Piezoaktuator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (32, 38, 44, 50, 53) ein einteiliger, ein mit Kühlrippen (34, 43) und/oder ein mit Kühlschlitzen (46) versehener Kühlkörper ist.
Piezoaktuator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (38, 44, 50, 53) federnd ausgeführt ist.
Piezoaktuator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der federnd ausgeführte Kühlkörper (38, 44, 50, 53) derart vorgespannt ist, dass eine daraus resultierende Federkraft den Kühlkörper (38, 44, 50, 53) gegen die Außenwand (5) des Gehäuses (4) drückt.
Piezoaktuator nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper ein Kühlblech (38, 44, 50, 53) ist.
Piezoaktuator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlblech (44) wenigstens eine Kühllasche (46) aufweist, die durch teilweises Ausschneiden aus dem Kühlblech (44) und darauffolgendes Biegen entstand.
Piezoaktuator nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlblech (38) sternförmig gebogen ist.
Piezoaktuator nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlblech (50) gestaucht ist.