DE102007027900A1

DE102007027900A1 - Valve, has locking element partially covering opening section in support structure in closed condition of valve, where sectional surface of opening section amounts to specific percentage of surface of flexural element

Info

Publication number: DE102007027900A1
Application number: DE200710027900
Authority: DE
Inventors: Jochen Roser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-06-18
Filing date: 2007-06-18
Publication date: 2008-12-24

Abstract

The valve has an actuating element formed as a flexural element (5) i.e. flexural-actuatory piezo-element. A locking element partially covers an opening section in a support structure (1) in a closed condition of the valve. A sectional surface of the opening section amounts to 30 percentage of the surface of the flexural element. The flexural element lies on the support structure in an even manner for closing the opening section. The support structure is made of ceramic material i.e. low temperature-fusion penetration-ceramic.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem als Biegeelement ausgebildeten Stellglied gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung des Ventils.The The invention relates to a valve with a trained as a bending element Actuator according to the preamble of the claim 1. Furthermore, the invention relates to a use of the valve.

Ventile mit einem als Biegeelement ausgebildeten Stellglied, wobei das Biegeelement im Allgemeinen ein biegeaktorisches Piezoelement ist, finden beispielsweise Einsatz in Bereichen, in denen eine geringe Baugröße gefordert ist. Weiterhin werden Ventile mit einem biegeaktorischen Piezoelement als Stellglied bei Anwendungen eingesetzt, die einen geringen Energiebedarf erfordern. Da die Stellkräfte derartiger Biegeaktoren sehr klein sind, können nur geringe Öffnungsquerschnitte realisiert werden.valves with an actuator designed as a bending element, wherein the bending element In general, a biegeaktorisches piezoelectric element is, for example Use in areas where a small size is required. Furthermore, valves with a biegeaktorischen Piezoelectric element used as an actuator in applications requiring a require low energy consumption. Since the restoring forces of such Bending reactors are very small, only small opening cross-sections will be realized.

Derzeit werden Ventile mit einem biegeaktorischen Piezoelement als Stellglied insbesondere als Ventil eingesetzt, bei dem ein Medienstrom durch einen Dichtsitz vollständig abgedichtet wird. Um das Ventil geschlossen zu halten, ist es erforderlich, eine Zuhaltekraft aufzubringen. Um große Öffnungsquerschnitte zu realisieren werden derartige Ventile nur als Vorsteuerventil für ein großes hydraulisch oder pneumatisch betätigtes Hauptventil eingesetzt. Dies bedingt eine große Bauweise für große Öffnungsquerschnitte. Hieraus resultieren hohe Kosten und eine aufwändige Bauweise für Ventile mit einem großen Öffnungsquerschnitt.Currently become valves with a biegeaktorischen piezoelectric element as an actuator used in particular as a valve in which a media flow through a sealing seat is completely sealed. To the valve To keep closed, it is necessary to apply a locking force. To realize large opening cross sections Such valves only as a pilot valve for a large hydraulically or pneumatically actuated main valve used. This requires a large design for large opening cross sections. This results in high costs and a complex construction for valves with a large opening cross-section.

Ventile mit einem als Riegelelement ausgebildeten Stellglied werden zum Beispiel zur Medienversorgung in Brennstoffzellenstacks mit einer Vielzahl einzelner Zelleinheiten eingesetzt. Insbesondere bei einem Einsatz in Brennstoffzellen ist es gewünscht, dass die Ventile kostengünstig und energiesparend ausgeführt sind. Zudem muss eine schnelle Schaltgeschwindigkeit bei entsprechender Zyklenfestigkeit und ein geräuscharmer Betrieb gewährleistet werden. Dies kann jedoch von herkömmlichen Magnetventilen und entspre chend ausgeführten Miniaturventilen nicht geleistet werden. So lassen sich diese insbesondere nicht hinreichend klein fertigen und der Energieverbrauch ist zu hoch.valves with a trained as a locking element actuator to be Example of media supply in fuel cell stacks with a Variety of individual cell units used. Especially with a Use in fuel cells it is desired that the Valves cost-effective and energy-efficient are. In addition, a fast switching speed at appropriate Cycle resistance and quiet operation guaranteed become. However, this can be done by conventional solenoid valves and accordingly executed miniature valves are not made become. In particular, these can not be sufficiently small finished and the energy consumption is too high.

Ein piezoaktorisches Ventil mit einem Biegeelement als Stellglied ist zum Beispiel aus DE-U 202 10 042 bekannt. Das hier beschriebene Ventil gibt mit Hilfe eines als Biegeelement ausgebildeten Stellgliedes eine Ventilöffnung frei oder verschließt diese. Um ein dichtes Schließen zu erzielen, ist an der Ventilöffnung eine Dichtkante ausgebildet, auf welcher das Biegeelement bei geschlossenem Ventil aufliegt. Weiterhin ist ein Federelement vorgesehen, mit welchem das Biegeelement gegen die Dichtkante gedrückt wird, um ein dichtes Verschließen zu erzielen. Nachteil des hier offenbarten Ventils ist, dass bezogen auf die Größe des Biegeelementes nur ein kleiner Öffnungsquerschnitt für das Fluid realisiert ist. Zudem muss das Verschließen der Ventilöffnung von einem Federelement unterstützt werden.A piezoactuator valve with a bending element as an actuator is for example off DE-U 202 10 042 known. The valve described here releases or closes a valve opening with the aid of an actuator designed as a bending element. In order to achieve a tight closing, a sealing edge is formed on the valve opening, on which the bending element rests when the valve is closed. Furthermore, a spring element is provided, with which the bending element is pressed against the sealing edge in order to achieve a tight closure. Disadvantage of the valve disclosed here is that based on the size of the bending element, only a small opening cross-section for the fluid is realized. In addition, the closing of the valve opening must be supported by a spring element.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Lösung umfasst ein Ventil mit einem als Biegeelement ausgebildeten Stellglied, wobei das Biegeelement ein biegeaktorisches Piezoelement ist. Das Biegeelement deckt bei geschlossenem Ventil einen Öffnungsquerschnitt in einer Trägerstruktur zumindest teilweise ab. Die Querschnittsfläche des Öffnungsquerschnittes beträgt mindestens 30% bevorzugt mindestens 50% der Fläche des Biegeelementes.The Solution according to the invention comprises a valve with an actuator designed as a bending element, wherein the bending element is a biegeaktorisches piezoelectric element. The bending element covers when closed Valve an opening cross-section in a support structure at least partially off. The cross-sectional area of the opening cross-section is at least 30%, preferably at least 50% of the area of the bending element.

Dadurch, dass die Querschnittsfläche des Öffnungsquerschnittes mindestens 30% der Fläche des Biegeelementes beträgt, lässt sich ein großer Öffnungsquerschnitt realisieren. Aufgrund der Bauweise mit dem biegeaktorischen Piezoelement kann ein geringer Energieverbrauch realisiert werden. Zudem lässt sich das Ventil in miniaturisierter Bauweise herstellen, so dass dieses zum Beispiel für die Medienversorgung bei Brennstoffzellenstacks verwendet werden kann.Thereby, that the cross-sectional area of the opening cross-section is at least 30% of the area of the bending element, can be a large opening cross-section realize. Due to the design with the biegeaktorischen piezoelectric element Low energy consumption can be realized. In addition, leaves the valve can be made in miniaturized design, so that this, for example, for the media supply in fuel cell stacks can be used.

Insbesondere bei der Verwendung des Ventiles als Drosselventil sind auch dann, wenn das Stellglied den Öffnungsquerschnitt bei geschlossenem Ventil vollständig abdeckt, Leckströmungen zulässig oder sogar gewünscht. Eine vollständige Abdichtung ist nicht notwendig. Aus diesem Grund wird ein Dichtungssitz bzw. eine Dichtung mit der entsprechend notwendigen Dichtkraft nicht benötigt.Especially when using the valve as a throttle valve are also then when the actuator the opening cross-section with the valve closed completely covering, leakage flows permissible or even desired. A complete seal is unnecessary. For this reason, a seal seat or a Seal with the necessary sealing force not required.

Ein Vorteil der Verwendung eines biegeaktorischen Piezoelementes ist, dass sich bei Verwendung des Ventils als Drosselventil die Drosselfunktion stufenlos einstellen lässt.One Advantage of using a biegeaktorischen piezoelectric element, that when using the valve as a throttle valve, the throttle function infinitely adjustable.

Um eine Bypassfunktion zu ermöglichen und im Ventil zu integrieren, ist in einer ersten Ausführungsform der Öffnungsquerschnitt größer als die Fläche, die durch das Biegeelement bei geschlossenem Ventil abgedeckt wird. Hierdurch ist auch bei geschlossenem Ventil ein Teil des Öffnungsquerschnittes offen, über den das Fluid strömen kann. Weiterhin ist es auch möglich, dass der Öffnungsquerschnitt kleiner oder gleich groß ist wie die Fläche, die durch das Biegeelement bei geschlossenem Ventil abgedeckt wird. In diesem Fall wird die Bypassfunktion zum Beispiel durch einen Versatz von Biegeelement und Öffnung realisiert.Around to allow a bypass function and to integrate in the valve, is in a first embodiment, the opening cross-section larger than the area covered by the Bending element is covered with the valve closed. hereby is a part of the opening cross-section even with the valve closed open, over which the fluid can flow. Furthermore is It is also possible that the opening cross-section is smaller or the same size as the area covered by the Bending element is covered with the valve closed. In this Case, the bypass function is for example by an offset of Realized bending element and opening.

In einer alternativen Ausführungsform ist zur Realisierung der Bypassfunktion das Biegeelement erhöht auf der Trägerstruktur befestigt. So ist auch bei geschlossenem Ventil ein Spalt zwischen der Trägerstruktur und dem Biegeelement vorhanden, durch welchen Fluid strömen kann.In an alternative embodiment, the Realization of the bypass function increases the bending element mounted on the support structure. Thus, even with the valve closed, a gap exists between the support structure and the bending element, through which fluid can flow.

In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Biegeelement zum Verschließen des Öffnungsquerschnittes flach auf der Trägerstruktur auf. Wenn das Biegeelement hierbei an allen Seiten um den Öffnungsquerschnitt auf der Trägerstruktur aufliegt, so wird ein vollständiges Schließen des Öffnungsquerschnittes erzielt. Es treten nur gegebenenfalls kleine Leckageströmungen auf. Es ist jedoch auch möglich, dass der Öffnungsquerschnitt derart gestaltet ist, dass die Öffnung schmaler und länger ist als das Biegeelement. Hierdurch liegt das Biegelement bei geschlossenem Ventil seitlich neben dem Öffnungsquerschnitt auf, es verbleibt jedoch ein freier Teil des Öffnungsquerschnittes am Ende des Biegelementes, durch welchen auch bei geschlossenem Ventil Fluid strömt. Eine Bypassfunktion wird so realisiert. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, dass der Öffnungsquerschnitt kürzer und breiter ist als das Biegeelement. In diesem Fall liegt das Biegeelement bei geschlossenem Ventil mit der Seite, die der Seite, mit der das Biegeelement befestigt ist, gegenüberliegt, auf der Trägerstruktur auf, während seitlich der Öffnungsquerschnitt über das Biegeelement hinausragt und so ein Bereich frei bleibt, durch welchen Fluid strömen kann.In a preferred embodiment is the bending element to close the opening cross-section flat on the support structure. If the bending element in this case on all sides around the opening cross-section on the support structure is so a complete closing achieved the opening cross-section. It only occurs if necessary small leakage currents on. However, it is also possible that the opening cross-section is designed such that the opening narrower and longer than the bending element. hereby If the valve is closed, the bending element lies laterally next to the opening cross-section on, but it remains a free part of the opening cross-section at the end of the Biegelementes, by which even when closed Valve fluid flows. A bypass function is realized in this way. Alternatively, it is of course also possible that the opening cross section shorter and wider is as the bending element. In this case, the bending element is enclosed closed valve with the side, the side with which the bending element is fixed, opposite, on the support structure on, while laterally the opening cross-section over the bending element protrudes and so an area remains free, through which fluid can flow.

Wenn das Biegeelement bei geschlossenem Ventil an mindestens einer Seite zusätzlich zur Befestigungsseite auf der Trägerstruktur aufliegt, ist es bevorzugt, dass das Biegelement eine mechanische Vorspannung aufweist. Hierdurch wirkt bei geschlossenem Ventil eine vorgegebene Vorspannkraft auf die Trägerstruktur.If the bending element with the valve closed on at least one side in addition to the attachment side on the support structure rests, it is preferred that the bending element is a mechanical bias having. As a result, when the valve is closed a predetermined Preload force on the support structure.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ragt das Biegeelement bei geschlossenem Ventil in den Öffnungsquerschnitt und berührt die Trägerstruktur nur an der Seite des Öffnungsquerschnittes, an der es befestigt ist. Hierdurch bildet sich rund um das Biegeelement ein Spalt, durch welchen auch bei geschlossenem Ventil Fluid strömt. Auch durch diese Ausführungsform wird eine Bypassfunktion realisiert. Vorteil dieser Ausführungsform ist es weiterhin, dass sich ein besonders großer Öffnungsquerschnitt realisieren lässt.In In another preferred embodiment, the bending element protrudes with closed valve in the opening cross-section and touches the support structure only on the side of the opening cross-section, on it is attached. This forms around the bending element a gap through which fluid flows even when the valve is closed. Also by this embodiment, a bypass function realized. Advantage of this embodiment is furthermore that is a particularly large opening cross-section can be realized.

Um besonders gute Eigenschaften in Hinblick auf Miniaturisierung, Robustheit und Medienbeständigkeit zu erzielen, ist die Trägerstruktur vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff gefertigt. Der keramische Werkstoff ist insbesondere eine Niedertemperatur-Einbrand-Keramik. Derartige Keramiken eignen sich zum Beispiel zur Herstellung von Mehrlagenschaltungen auf der Basis von gesinterten Keramikträgern. Vorteil der Niedertemperatur-Einbrand-Keramik (Low Temperature Cofired Ceramics, LTCC) ist es somit, dass eine Steuereinheit für die elektrische Ansteuerung des Biegeelementes und/oder Anschlussleitungen direkt auf der Trägerstruktur realisierbar sind. Ein Vorteil der Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken ist es hierbei, dass zum Beispiel Widerstände direkt auf die Keramik gedruckt werden können. Hierdurch ist eine weitere Miniaturisierung möglich.Around particularly good properties in terms of miniaturization, robustness and media resistance is the support structure preferably made of a ceramic material. The ceramic Material is in particular a low-temperature burn-in ceramic. Such ceramics are suitable, for example, for the production of multilayer circuits based on sintered ceramic carriers. Advantage of Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) It is thus that a control unit for the electric Actuation of the bending element and / or connecting cables directly can be realized on the support structure. An advantage of Low-temperature burn-in ceramics it is here that, for example Resistors can be printed directly on the ceramic. This allows further miniaturization.

Alternativ ist es auch möglich, die Steuereinheit und/oder die Anschlussleitungen in Schichten vorzusehen, die unterhalb oder oberhalb der Schicht liegen, in der das Biegeelement angeordnet ist.alternative it is also possible, the control unit and / or the connecting cables in layers below or above the layer, in which the bending element is arranged.

Um die Resistenz gegen aggressive Medien weiter zu verbessern, ist es bevorzugt, wenn das Biegeelement und/oder die Trägerstruktur mit einer Schutzschicht überzogen sind. Die Schutzschicht kann zum Beispiel durch Siebdruckverfahren oder andere, dem Fachmann bekannte Beschichtungsverfahren aufgetragen werden. Als Material für die Schutzschicht eignen sich zum Beispiel inerte glaskeramische Dickschichten oder andere isolierende, chemisch resistente Beschichtungsmaterialien, die mit der LTCC-Trägerstruktur oder einer piezoelektrischen Aktivkeramik verträglich sind.Around is to further improve the resistance to aggressive media is it is preferred if the bending element and / or the support structure coated with a protective layer. The protective layer can For example, by screen printing or others, the expert known coating methods are applied. As a material for the protective layer are, for example, inert glass ceramic Thick films or other insulating, chemically resistant coating materials, that with the LTCC carrier structure or a piezoelectric Active ceramics are compatible.

Erfindungsgemäß wird das Ventil als Steuerventil in einer Brennstoffzelle verwendet. Weiterhin ist es jedoch auch möglich, dass das Ventil Einsatz findet in Anwendungen, bei denen eine schnelle, feindosierte Volumenstromregelung benötigt wird und kein Anspruch auf eine vollständige Abschottung des Mediendurchflusses besteht. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind zum Beispiel der Ersatz von Drosselklappen oder Anwendungen, bei denen fein einstellbare Lambda-Regelungen benötigt werden.According to the invention the valve is used as a control valve in a fuel cell. Furthermore, it is also possible that the valve is used in applications where a fast, finely dosed flow control is required and not eligible for a full Isolation of the media flow exists. Further uses are for example the replacement of throttle valves or applications, where finely tuned lambda controls needed become.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Trägerstruktur mit Biegeelement für ein erfindungsgemäßes Ventil in einer ersten Ausführungsform, 1 a carrier structure with a bending element for a valve according to the invention in a first embodiment,

2 die Trägerstruktur mit Biegeelement gemäß 1 mit geöffnetem Biegeelement, 2 the support structure with bending element according to 1 with open bending element,

3 eine Trägerstruktur mit Biegeelement in einer zweiten Ausführungsform, 3 a support structure with a bending element in a second embodiment,

4 eine Trägerstruktur mit Biegeelement in einer dritten Ausführungsform, 4 a support structure with a bending element in a third embodiment,

5 eine Trägerstruktur mit Biegeelement in einer vierten Ausführungsform, 5 a carrier structure with a bending element in a fourth embodiment,

6 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Ventil. 6 a section through a valve designed according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der 1 ist eine Trägerstruktur mit einem als Biegeelement ausgebildeten Stellglied dargestellt.In the 1 is a support structure shown with a trained as a bending element actuator.

In einer Trägerstruktur 1 ist eine Öffnung 3 ausgebildet. Im Betrieb wird die Öffnung 3 von einem Fluid durchströmt. Um den Durchfluss zu reduzieren bzw. zu beenden ist die Öffnung 3 mit einem Stellglied abgedeckt. Das Stellglied ist dabei als Biegeelement 5 ausgebildet.In a carrier structure 1 is an opening 3 educated. In operation, the opening becomes 3 flows through by a fluid. To reduce or stop the flow is the opening 3 covered with an actuator. The actuator is as a bending element 5 educated.

Um ein Ventil, in welches die Trägerstruktur 1 mit dem Biegeelement 5 eingesetzt wird, miniaturisieren zu können, ist das Biegeelement 5 erfindungsgemäß ein biegeaktorisches Piezoelement. Ein derartiges biegeaktorisches Piezoelement ist aus mehreren Schichten aufgebaut. Die einzelnen Schichten enthalten jeweils Piezokristalle, die so angeordnet sind, dass sich diese beim Anlegen einer Spannung entweder ausdehnen oder zusammenziehen. Damit das Biegeelement 5 die Öffnung 3 freigibt, wird eine Spannung derart angelegt, dass sich die Piezokristalle der einzelnen Schichten derart unterschiedlich ausdehnen, dass die jeweils weiter von der Öffnung 3 entfernten Schichten kürzer sind als die in Richtung der Öffnung 3 weisenden Schichten. Dies führt zu einem Aufwärtsbiegen des Biegeelementes 5. Das heißt, dass sich das Biegeelement 5 von der Öffnung 3 wegbewegt.To a valve, in which the support structure 1 with the bending element 5 is used to miniaturize, is the bending element 5 According to the invention a biegeaktorisches piezoelectric element. Such a flexible piezoelectric element is composed of several layers. The individual layers each contain piezocrystals which are arranged so that they either expand or contract when a voltage is applied. So that the bending element 5 the opening 3 releases a voltage is applied so that the piezoelectric crystals of the individual layers expand so differently that each further from the opening 3 removed layers are shorter than those in the direction of the opening 3 pointing layers. This leads to an upward bending of the bending element 5 , This means that the bending element 5 from the opening 3 moved away.

Um die Öffnung 3 freigeben und verschließen zu können, ist das Biegeelement 5 mit der Trägerstruktur 1 verbunden. Hierzu ist zum Beispiel ein Anschlusselement 7, an welchem das Biegeelement befestigt ist, mit der Trägerstruktur 1 verbunden. Dadurch dass das Biegeelement 5 nur einseitig mit der Trägerstruktur 1 verbunden ist, kann sich dieses durch Anlegen einer Spannung von der Öffnung 3 durch ein nach Obenbiegen wegbewegen. Dies ist in 2 dargestellt.Around the opening 3 to release and close, is the bending element 5 with the support structure 1 connected. For this purpose, for example, a connection element 7 to which the flexure is attached to the support structure 1 connected. Due to the fact that the bending element 5 only one-sided with the support structure 1 This can be done by applying a voltage from the opening 3 by moving up to the top. This is in 2 shown.

Die Stromversorgung für das als biegeaktorisches Piezoelement ausgebildete Biegeelement wird über Anschlussleitungen 9 realisiert. Die Anschlussleitungen 9 sind zum Beispiel mit einer Steuereinheit verbunden, über welche eingestellt werden kann, wie weit das Ventil öffnen oder schließen soll. Durch den Öffnungsgrad des Biegeelementes 5 lässt sich zum Beispiel die Drosselwirkung des Ventiles einstellen.The power supply for the bending element formed as a bending piezoelectric element is via connecting cables 9 realized. The connecting cables 9 For example, they are connected to a control unit that controls how far the valve should open or close. By the degree of opening of the bending element 5 For example, the throttling effect of the valve can be set.

Um das Ventil zu schließen, liegt das Biegeelement 5 flach auf der Trägerstruktur 1 auf. Erfindungsgemäß ist es nicht erforderlich, ein Dichtelement in der Trägerstruktur vorzusehen, welches die Öffnung 3 bei aufliegendem Biegeelement 5 abdichtet.To close the valve, the bending element is located 5 flat on the support structure 1 on. According to the invention, it is not necessary to provide a sealing element in the support structure which defines the opening 3 with resting bending element 5 seals.

In der hier dargestellten Ausführungsform ist das Biegeelement 5 rechteckförmig ausgebildet. Neben der rechteckförmigen Gestaltung des Biegeelementes ist es jedoch auch möglich, dieses in jeder beliebigen anderen Geometrie auszuführen. So kann das Biegeelement 5 zum Beispiel rund oder in einer Spitze zulaufen. Auch jede andere geometrische Gestalt ist möglich.In the embodiment shown here, the bending element 5 rectangular shaped. In addition to the rectangular design of the bending element, however, it is also possible to perform this in any other geometry. So can the bending element 5 for example, running round or in a peak. Any other geometric shape is possible.

Eine verbesserte Abdichtung der Öffnung 3 in geschlossenem Zustand wird dadurch erzielt, dass das Biegeelement 5 in einer bevorzugten Ausführungsform in geschlossenem Zustand mit einer mechanischen Vorspannung ausgebildet ist. Hierdurch wirkt im Ruhezustand, das heißt bei geschlossenem Ventil, eine definierte Vorspannkraft auf die Trägerstruktur 1. Die Vorspannung kann zum Beispiel derart gestaltet sein, dass in einem Auflagepunkt 11, der der Seite, mit der das Biegeelement 5 an der Trägerstruktur 1 befestigt ist, gegenüberliegt, eine Kraft wirkt, die im Biegebalken durch eine Biegespannung von bis zu 10 MPa hervorgerufen wird.An improved seal of the opening 3 in the closed state is achieved by the fact that the bending element 5 is formed in a preferred embodiment in the closed state with a mechanical bias. As a result, in the idle state, that is to say when the valve is closed, a defined pretensioning force acts on the carrier structure 1 , The bias voltage may be designed, for example, such that in a support point 11 , the side with which the bending element 5 on the support structure 1 is fixed, opposite, a force acts, which is caused in the bending beam by a bending stress of up to 10 MPa.

Um besonders gute Eigenschaften in Hinblick auf Miniaturisierung des Ventils, Robustheit und Medienbeständigkeit zu erhalten, kann die Trägerstruktur auf Basis von Niedertempe ratur-Einbrand-Keramiken aufgebaut sein. Hierdurch wird es ermöglicht, die Anschlussleitungen 9 und gegebenenfalls auch die Ansteuerelektronik direkt auf der Trägerstruktur 1 auszubilden. Weiterhin ist es auch möglich, die Steuerelektronik sowie die Anschlussleitungen 9 in einer weiteren Schicht vorzusehen. Dabei kann die weitere Schicht oberhalb oder unterhalb des Biegeelementes 5 liegen.In order to obtain particularly good properties with regard to valve miniaturization, robustness and media resistance, the support structure may be based on low-temperature, single-fired ceramics. This will allow the connection cables 9 and optionally also the control electronics directly on the support structure 1 train. Furthermore, it is also possible, the control electronics and the connecting cables 9 to provide in a further layer. In this case, the further layer above or below the bending element 5 lie.

Die Trägerstruktur 1 sowie das Biegeelement 5 können zum Schutz gegen aggressive Medien zum Beispiel mit einer Schutzschicht überzogen werden. Als Material für die Schutzschicht eignen sich zum Beispiel inerte glaskeramische Dickschichten oder andere isolierende, chemisch resistente Beschichtungsmaterialien, die mit der LTCC-Trägerstruktur oder einer piezoelektrischen Aktivkeramik verträglich sind.The support structure 1 and the bending element 5 For example, they can be coated with a protective layer to protect against aggressive media. Suitable materials for the protective layer are, for example, inert glass-ceramic thick layers or other insulating, chemically resistant coating materials which are compatible with the LTCC support structure or a piezoelectric active ceramic.

In 2 ist die Trägerstruktur 1 mit dem Biegeelement 5 aus 1 in geöffnetem Zustand dargestellt.In 2 is the carrier structure 1 with the bending element 5 out 1 shown in the open state.

Durch Anlegen einer Spannung an den Anschlussleitungen 9 dehnen sich die Piezokristalle der unteren Schicht aus bzw. verkürzen sich alternativ die Piezokristalle der oberen Schicht. Hierdurch biegt sich das Biegeelement 5 und hebt von der Öffnung 3 ab. Am weitesten entfernt sich das Biegeelement 5 dabei auf der dem Anschlusselement 7, mit dem das Biegeelement 5 an der Trägerstruktur 1 befestigt ist, gegenüberliegenden Seite. Das Fluid für das der Durchgang in die Öffnung 3 zuvor durch das Biegeelement 5 versperrt war, umströmt nun das Biegeelement 5 in die Öffnung 3. Je weiter sich das Biegeelement 5 von der Öffnung 3 entfernt, umso größer ist der freigegebene Öffnungsquerschnitt und umso mehr Fluid kann durch die Öffnung 3 hindurchströmen. Der Fluidstrom wird weniger stark gedrosselt.By applying a voltage to the connecting cables 9 the piezocrystals of the lower layer expand or alternatively shorten the piezocrystals of the upper layer. As a result, the bending element bends 5 and lifts from the opening 3 from. The furthest away is the bending element 5 while on the connection element 7 with which the bending element 5 on the support structure 1 is attached, opposite side. The fluid for the passage in the opening 3 previously through the bending element 5 was blocked, now flows around the bending element 5 in the opening 3 , The further the bending element 5 from the opening 3 removed, the larger the released opening cross section and the more fluid can through the opening 3 flow through. The fluid flow is throttled less.

Wenn die Bestromung an den Anschlussleitungen 9 wieder aufgehoben wird oder umgekehrt wird, nehmen die Piezokristalle der einzelnen Schichten wieder ihre ursprüngliche Position und Größe ein. Das Biegeelement 5 liegt dann wieder auf der Trägerstruktur 1 auf und verschließt die Öffnung 3 so wie es in 1 dargestellt ist.If the current supply to the connecting cables 9 is reversed or vice versa, take the piezocrystals of the individual layers back to their original position and size. The bending element 5 is then back on the support structure 1 on and closes the opening 3 as it is in 1 is shown.

3 zeigt eine Trägerstruktur 1 und ein Biegeelement 5 in einer zweiten Ausführungsform. 3 shows a support structure 1 and a bending element 5 in a second embodiment.

Die in 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den 1 und 2 dargestellten dadurch, dass das Biegeelement 5 kürzer ist, so dass bei auf der Trägerstruktur 1 aufliegendem Biegeelement 5 nicht die gesamt Öffnung 3 abgedeckt ist. Wie mit den Pfeilen 13 dargestellt ist, strömt Fluid auch bei auf der Trägerstruktur 1 aufliegenden Biegeelement 5 durch die Öffnung 3, da diese durch das Biegeelement 5 nicht vollständig verdeckt wird. Hierdurch wird eine Bypassfunktion realisiert.In the 3 illustrated embodiment differs from that in the 1 and 2 represented by the fact that the bending element 5 shorter, so when on the support structure 1 resting bending element 5 not the entire opening 3 is covered. As with the arrows 13 is shown, fluid also flows on the support structure 1 resting bending element 5 through the opening 3 as this is due to the bending element 5 is not completely obscured. As a result, a bypass function is realized.

Die in 3 dargestellte Ausführungsform eignet sich zum Beispiel als Einsatz eines Drosselventiles, wenn immer ein Fluidstrom gewünscht ist, dieser jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt sein soll. Um die Menge an durch die Öffnung 3 strömenden Fluid zu vergrößern, wird eine Spannung auf die Anschlussleitung 9 gegeben, so dass das Biegeelement 5 von der Trägerstruktur 1 durch Biegen, wie es in 2 dargestellt ist, abhebt. Der Öffnungsquerschnitt wird vergrößert, es kann mehr Fluid durch die Öffnung 3 strömen.In the 3 embodiment shown is suitable, for example, as the use of a throttle valve, whenever a fluid flow is desired, but this should be pronounced different degrees. To the amount of through the opening 3 To increase flowing fluid, a voltage is applied to the connecting cable 9 given, so that the bending element 5 from the support structure 1 by bending, as is in 2 is shown, takes off. The opening cross section is increased, it can more fluid through the opening 3 stream.

In 4 ist eine erfindungsgemäße Tragerstruktur 1 mit darauf angebrachtem Biegeelement 5 in einer dritten Ausführungsform dargestellt.In 4 is a carrier structure according to the invention 1 with attached bending element 5 shown in a third embodiment.

Die in 4 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von den Ausführungsformen 1 bis 3 dadurch, dass das Anschlusselement 7 derart ausgebildet ist, dass das Biegeelement 5 auch bei geschlossenem Ventil nicht direkt auf der Trägerstruktur 1 aufliegt. Zwischen der Trägerstruktur 1 und dem Biegeelement 5 ist ein Spalt 15 ausgebildet.In the 4 illustrated embodiment differs from the embodiments 1 to 3 in that the connecting element 7 is formed such that the bending element 5 even with the valve closed, not directly on the support structure 1 rests. Between the support structure 1 and the bending element 5 is a gap 15 educated.

In seiner Ruheposition, das heißt bei geschlossenem Ventil liegt das Biegeelement 5 auf einem Balken 17 auf, der an der dem Anschlusselement 7 gegenüberliegenden Seite angebracht ist. Der Balken 17 hat dabei eine Höhe, die so gewählt ist, dass eine gewünschte Höhe des Spaltes 15 erzielt wird, um einen definierten Durchfluss auch bei geschlossenem Ventil zu erzielen. Die Strömung ist auch in 4 durch die Pfeile 13 dargestellt.In its rest position, ie with the valve closed, the bending element is located 5 on a beam 17 on, at the connecting element 7 opposite side is attached. The bar 17 It has a height that is chosen so that a desired height of the gap 15 is achieved in order to achieve a defined flow even with the valve closed. The flow is also in 4 through the arrows 13 shown.

Bei den in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen kann ein Grundvolumenstrom die Öffnung 3 auch bei geschlossenem Ventil ungehindert passieren.In the in the 3 and 4 illustrated embodiments, a basic volume flow, the opening 3 to pass unhindered even when the valve is closed.

Ein Ventil, welches eine Trägerstruktur 1 mit Biegeelement 5 gemäß der Ausführungsform der 3 und 4 enthält, eignet sich zum Beispiel zum Einsatz in Drosselventilen, bei denen ein Verschließen der Öffnung 3 nicht gefordert ist. Eine Vergrößerung des Volumenstromes, der die Öffnung 3 durchströmt, wird dadurch erzielt, dass das Ventil öffnet. Hierzu wird eine Spannung derart an die Anschlussleitung 9 angelegt, dass das Biegeelement 5 von der Trägerstruktur abhebt und so einen größeren Teil der Öffnung 3 freigibt.A valve, which has a support structure 1 with bending element 5 according to the embodiment of the 3 and 4 contains, for example, is suitable for use in throttle valves, where a closing of the opening 3 is not required. An increase in the volume flow, the opening 3 flows through, is achieved by the valve opens. For this purpose, a voltage is applied to the connecting cable 9 created that bending element 5 From the support structure stands out and so a larger part of the opening 3 releases.

Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform ist es auch möglich, auf den Balken 17 zu verzichten. In diesem Fall liegt bei geschlossenem Ventil das Biegeelement 5 auf der Trägerstruktur 1 auf. Hierdurch wird eine Verkleinerung des Spaltes 15 erzielt. Weiterhin lässt sich durch die Höhe des Balkens 17 der Querschnitt des Spaltes 15 bei geschlossenem Ventil einstellen. Ein höherer Balken 17 führt zu einem größeren Querschnitt.At the in 4 illustrated embodiment, it is also possible on the beam 17 to renounce. In this case, with the valve closed, the bending element is located 5 on the support structure 1 on. This will cause a reduction of the gap 15 achieved. Furthermore, can be determined by the height of the beam 17 the cross section of the gap 15 adjust with the valve closed. A higher bar 17 leads to a larger cross section.

In 5 ist eine erfindungsgemäße Trägerstruktur 1 mit Biegeelement 5 in einer dritten Ausführungsform dargestellt.In 5 is a support structure according to the invention 1 with bending element 5 shown in a third embodiment.

Die in 5 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von den vorhergehenden dadurch, dass das Biegeelement 5 bei geschlossenem Ventil nicht auf der Trägerstruktur 1 aufliegt. Die einzige Verbindung des Biegeelementes 5 mit der Trägerstruktur erfolgt über das Anschlusselement 7. Auch bei der in 5 dargestellten Ausführungsform ergibt sich durch die Gestaltung mit dem freien Querschnitt, der sich daraus ergibt, dass die Fläche des Biegeelementes 5 kleiner ist als die Querschnittsfläche der Öffnung 3, eine ständige Durchströmung durch die Trägerstruktur 1. Dies ist mit den Pfeilen 13 dargestellt. Eine Vergrößerung des Öffnungsquerschnittes wird auch bei der in 5 dargestellten Ausführungsform dadurch erzielt, dass eine Spannung an den Anschlussleitungen 9 aufgegeben wird und sich das Biegeelement 5 von der Öffnung wegbewegt. Auch diese Ausführungsform eignet sich nur für den Einsatz in Drosselventilen, in denen ein Verschließen der Öffnung 3 nicht erforderlich ist.In the 5 illustrated embodiment differs from the preceding in that the bending element 5 with the valve closed, not on the support structure 1 rests. The only connection of the bending element 5 with the support structure via the connection element 7 , Also at the in 5 illustrated embodiment results from the design with the free cross-section, which results from the fact that the surface of the flexure 5 smaller than the cross-sectional area of the opening 3 , a constant flow through the support structure 1 , This is with the arrows 13 shown. An enlargement of the opening cross-section is also at the in 5 illustrated embodiment achieved in that a voltage on the connecting lines 9 is abandoned and the bending element 5 moved away from the opening. This embodiment is also suitable only for use in throttle valves, in which a closure of the opening 3 is not required.

6 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Ventil. 6 shows a section through a valve designed according to the invention.

Bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Ventil 19 ist oberhalb des Biegeelementes 5 ein Raum 21 ausgebildet, in welchen sich das Biegeelement 5 hineinbewegen kann. An den Raum 21 schließt sich eine zweite Öffnung 23 an.In a valve designed according to the invention 19 is above the bending element 5 a room 21 formed in which the bending element 5 can move in. To the room 21 closes a second opening 23 at.

Bei geschlossenem Ventil liegt das Biegeelement 5 auf der Trägerstruktur 1 auf und verschließt so die Öffnung 3. Es kann kein Fluid durch das Ventil 19 strömen. Bei geöffnetem Ventil befindet sich das Biegeelement 5 in der strichpunktiert dargestellten Position. Es kann Fluid über die zweite Öffnung 23 durch den Raum 21 und die Öffnung 3 in einer ersten Strömungsrichtung 25 strömen.When the valve is closed, the bending element is located 5 on the support structure 1 on and thus closes the opening 3 , There can be no fluid through the valve 19 stream. When the valve is open, the bending element is located 5 in the dot-dash line position. It can transfer fluid through the second opening 23 through the room 21 and the opening 3 in a first flow direction 25 stream.

Der Raum 21 und die zweite Öffnung 23 sind vorzugsweise von einer Wandung 29 begrenzt, die aus dem gleichen Material gefertigt ist wie die Trägerstruktur 1.The space 21 and the second opening 23 are preferably from a wall 29 limited, which is made of the same material as the support structure 1 ,

In der in 6 dargestellten Ausführungsform sind die Anschlussleitungen 9 in der Ebene des Anschlusselementes 7 in das Anschlusselement 7 geführt. Um einen Kontakt außerhalb des Ventils 19 zu realisieren, der in einer anderen Ebene liegt, sind in der hier dargestellten Ausführungsform die Anschlussleitungen 9 innerhalb der Wandung 29 in eine an dere Ebene geführt. Dies erfolgt zum Beispiel über Verbindungen, die senkrecht zur Richtung des Anschlusselementes 7 innerhalb der Wandung 29 verlaufen. Die Verbindungen können dabei auf übliche, dem Fachmann bekannte Weise hergestellt werden, wobei sich alle Verfahren eignen, die zum Beispiel aus der Leiterplattenherstellung bekannt sind.In the in 6 illustrated embodiment, the connecting cables 9 in the plane of the connecting element 7 in the connection element 7 guided. To make a contact outside the valve 19 to realize, which lies in another level, are in the embodiment shown here, the connecting lines 9 inside the wall 29 led into an on the other level. This is done, for example, via connections that are perpendicular to the direction of the connection element 7 inside the wall 29 run. The compounds can be prepared in a customary manner known to those skilled in the art, all processes being known, for example, from printed circuit board manufacture.

Neben der ersten Strömungsrichtung 25 ist es auch möglich, dass das Fluid das Ventil 19 in einer zweiten Strömungsrichtung 27, die der ersten Strömungsrichtung 25 entgegengerichtet ist, durchströmt. In diesem Fall strömt das Fluid über die Öffnung 3 in das Ventil 19, durchströmt anschließend bei geöffnetem Biegeelement 5 den Raum 21 und verlässt das Ventil 19 über die zweite Öffnung 23.Next to the first flow direction 25 It is also possible that the fluid is the valve 19 in a second flow direction 27 that of the first flow direction 25 is opposite, flows through. In this case, the fluid flows over the opening 3 in the valve 19 , then flows through with open bending element 5 the room 21 and leaves the valve 19 over the second opening 23 ,

Auch bei den in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsformen ist es möglich, dass das Fluid entgegen der mit den Pfeilen 13 dargestellten Strömungsrichtung strömt.Also in the in the 1 to 5 illustrated embodiments, it is possible that the fluid against the arrows 13 flow direction shown flows.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 20210042 [0005]

Claims

Valve with a bending element ( 5 ) formed actuator, wherein the bending element ( 5 ) is a biegeaktorisches piezoelectric element, and the locking element with the valve closed ( 19 ) has an opening cross-section in a support structure ( 1 ) at least partially, characterized in that the cross-sectional area of the opening cross-section at least 30% of the surface of the bending element ( 5 ) is.

Valve according to claim 1, characterized in that the opening cross section is larger than the area which is defined by the bending element ( 5 ) with the valve closed ( 19 ) is covered.

Valve according to claim 1 or 2, characterized in that the bending element ( 5 ) for closing the opening cross-section flat on the support structure ( 1 ) rests.

Valve according to claim 1 or 2, characterized in that the bending element ( 5 ) increased on the support structure ( 1 ) is attached, so that even when the valve is closed ( 19 ) A gap ( 15 ) between carrier structure ( 1 ) and bending element ( 5 ) is available.

Valve according to one of claims 1 to 4, characterized in that the bending element ( 5 ) has a mechanical bias, so that when the valve is closed ( 19 ) a predetermined biasing force on the support structure ( 1 ) acts.

Valve according to claim 1 or 2, characterized in that the bending element ( 5 ) with the valve closed ( 19 ) protrudes into the opening cross-section and only at the side of the opening cross-section to which it is attached, the support structure ( 1 ) touched.

Valve according to one of claims 1 to 6, characterized in that the support structure ( 1 ) is made of a ceramic material.

Valve according to claim 7, characterized in that the ceramic material is a low-temperature burn-in ceramic is.

Valve according to claim 7 or 8, characterized in that a control unit for an electrical control of the bending element ( 5 ) and / or connecting cables ( 9 ) directly on the support structure ( 1 ) are provided.

Valve according to one of claims 1 to 9, characterized in that the bending element ( 5 ) and / or the support structure ( 1 ) are coated with a protective layer.

Use of the valve ( 19 ) according to one of claims 1 to 10 as a control valve in a fuel cell.