DE102007040508A1

DE102007040508A1 - Piezoaktormodul und Piezoaktor mit einer medienbeständigen Schutzschicht und ein Verfahren zur Herstellung der Schutzschicht auf dem Piezoaktor

Info

Publication number: DE102007040508A1
Application number: DE102007040508A
Authority: DE
Inventors: Peter Cromme
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2009-03-05
Also published as: WO2009027360A3; WO2009027360A2

Abstract

Es wird ein Piezoaktormodul (3) für eine von einem Medium umströmte Anordnung, bestehend aus einem Aktorfuß (5) und einem Aktorkopf (4) und mindestens einem dazwischen eingefassten Piezoaktor (20) aus Piezoelementen (6) beschrieben, der ein Schutzschichtsystem (24) aus einer oder mehreren funktionellen Schichten umfasst, wobei eine Schicht aus einem organischen, medienbeständigen Gel (33) oder Elastomer mit einem die Sperrwirkung des Gels (33) oder Elastomers zumindest gegenüber für den Piezoaktor (20) schädlichen Bestandteilen des Mediums verbessernden Zuschlag (30, 31) besteht. Darüber hinaus wird ein Piezoaktor (20) mit einem Schutzschichtsystem (24) mit mindestens einer funktionellen Schicht aus einem organischen, medienbeständigen Gel (33) oder Elastomer beschrieben, welches mit einem die Sperrwirkung des Gels (33) oder des Elastomers zumindest gegenüber für den Piezoaktor (20) schädlichen Bestandteilen des Mediums verbessernden Zuschlag (30, 31) versetzt ist. Außerdem wird ein Verfahren zur Erhöhung der Barrierewirkung einer aus einem organischen, medienbeständigen Gel (33) oder Elastomer bestehenden Schicht eines Schutzschichtsystems (24) aus einer oder mehreren funktionellen Schichten beschrieben, umfassend die Verfahrensschritte: - Zugabe eines die Sperrwirkung eines organischen, medienbeständigen Gels (33) oder Elastomers verbessernden Zuschlages (30, 31), beispielsweise ein Adsorptionsmittel auf der Basis von Zeolithen, zu dem organischen, medienbeständigen ...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Piezoaktormodul oder einen Piezoaktor nach den gattungsgemäßen Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2, sowie ein Verfahren insbesondere zur Erhöhung der Barrierewirkung einer aus einem organischen, medienbeständigen Gel oder Elastomer bestehenden Schicht auf Piezoaktoren oder Piezoaktormodulen nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Anspruchs 10.
Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau eines zuvor erwähnten Piezoaktors oder Piezoaktormoduls Piezoelemente so eingesetzt werden, dass unter Ausnutzung des so genannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubs eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann. Die Piezoelemente sind aus Piezolagen aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung an Innenelektroden, die die Piezolagen jeweils einschließen, eine mechanische Reaktion der Piezoelemente erfolgt.
In Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung stellt die mechanische Reaktion einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung dar. Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.
Piezoaktoren werden beispielsweise in Piezoinjektoren eingesetzt, welche zur zeitpunkt- und mengengenauen Dosierung von Kraftstoff in periodisch arbeitenden Verbrennungsmotoren verwendet werden.
Ein Piezoinjektor besteht im wesentlichen aus einem Haltekörper und einem in dem Haltekörper angeordneten Piezoaktormodul, bestehend aus einem Kopf- und einem Fußteil, sowie einem zwischen Kopf- und Fußteil angeordneten Piezoaktor aus einem oder mehreren Piezoelementen. Das Piezoaktormodul ist mit einer Düsennadel verbunden, so dass durch Anlegen oder Wegnahme einer Spannung an die Piezoelemente eine Düsenöffnung freigegeben oder verschlossen wird.
Bei der so genannten direkten Düsennadelsteuerung wird der Piezoaktor im Haltekörper des Piezoinjektors direkt im Kraftstoff unter Hochdruck betrieben. Ein Piezoinjektor mit direkter Düsennadelsteuerung ist beispielsweise aus EP 117 46 15 A2 bekannt.
Zum Schutz des Piezoaktors bzw. der Piezoelemente vor Feuchtigkeit, etwa vor Diesel, Wasser, Raps-Methyl-Ester (RME) oder sonstigen elektrisch leitenden Substanzen, vor Partikeln und Schwebstoffen, vor den umgebenden hohen Drücken, sowie vor Druck- und Temperaturschwankungen ist es bekannt, den Piezoaktor in einem Piezoinjektor mit direkter Düsennadelsteuerung zumindest teilweise mit einer Schutzummantelung zu versehen.
Durch die WO 01/48834 A2 ist eine elektrische Isolation eines Piezoelements durch einen Schutzmantel aus Kunststoff bekannt, der beispielsweise durch Spritzgießen aufgebracht wird.
Ebenso ist bekannt, einen Piezoaktor eines Piezoaktormoduls gegen das umgebende Medium abzudichten, indem der Piezoaktor in einer stabilen Metallhülse gekapselt wird. An einer auch als aktive Stirnfläche bezeichneten Stirnfläche des Piezoaktors liegt ein Aktorkopf auf, welcher Hub und Kraft des Piezoaktors nach außen überträgt. Dieser Aktorkopf ist über eine Membran mit der stabilen Hülse verbunden. Dabei schafft die Membran eine flexible, aber dichte Verbindung zwischen Aktorkopf und Hülse. Diese Lösung ist für Anwendungen geeignet, bei denen sich der Piezoaktor bzw. das Piezoaktormodul im Niederdruckbereich eines Piezoinjektors befindet. Soll der Piezoaktor dagegen im Hochdruckbereich eingebracht werden, so erreicht diese Lösung sowohl hinsichtlich der Festigkeit der Membran, als auch hinsichtlich der Festigkeit der stabilen Hülse ihre Grenzen.
Durch die DE 102 17 361 A1 ist eine Lösung bekannt, bei der ein Piezoaktor an Teilen seiner Oberfläche zunächst mit einer organischen Basisschicht beschichtet ist. Diese ist wiederum mit einer anorganischen Deckschicht versehen, welche die Aufgabe hat, die Basisschicht gegenüber dem umgebenden Kraftstoff abzudichten, der ansonsten die organische Basisschicht angreifen würde. Weiterhin wird beschrieben, dass das Material für die organische Basisschicht vorzugsweise aus Naturkautschuk, Isopren, Butadien oder einem fluorierten Material bestehen soll.
Durch die WO 02/61856 A1 ist ferner eine Lösung bekannt, bei der ein Piezoaktormodul, bestehend aus einem Piezoaktor, einem Aktorfuß und einem Aktorkopf, zunächst mit einem Schrumpfschlauch lose überzogen wird, im Folgenden der Zwischenraum zwischen Schrumpfschlauch und Piezoelement mit einem Füllmaterial gefüllt wird, und schließlich der Schrumpfschlauch durch Wärmeeinwirkung geschrumpft wird und dadurch Piezoaktor und Füllmaterial dicht einschließt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einem eingangs beschriebenen Piezoaktormodul oder einem Piezoaktor zur von einem flüssigen und/oder gasförmigen Medium umströmten Anordnung insbesondere in einem Piezoinjektor aus, wobei das Piezoaktormodul aus einem Aktorfuß und einem Aktorkopf und dazwischen eingefassten elektrisch kontaktierbaren Piezoelementen als Piezoaktor besteht. Es ist ein mindestens den Piezoaktor umgebendes Schutzschichtsystem aus einer oder mehreren funktionellen Schichten zur Verhinderung eines Eindringens des Mediums oder von Bestandteilen des Mediums in den Piezoaktor vorhanden, wobei mindestens eine Schicht aus einem organischen, medienbeständigen Gel oder Elastomer besteht. Erfindungsgemäß umfasst die mindestens eine Schicht aus einem organischen, medienbeständigen Gel oder Elastomer und/oder das organische, medienbeständige Gel oder Elastomer einen die Sperrwirkung des organischen, medienbeständigen Gels oder Elastomers zumindest gegenüber für den Piezoaktor schädlichen Bestandteilen des das Piezoaktormodul bzw. den Piezoaktor umströmenden Mediums verbessernden Zuschlag.
Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass schädliche Bestandteile aus dem Kraftstoff, die über die Lebenszeit des Piezoaktormoduls bzw. des Piezoaktors in die um den Piezo-Aktor herum angeordnete, aus dem organischen, medienbeständigen Gel oder Elastomer bestehende organische Schicht des Schutzschichtsystems eindiffundieren, immobilisiert werden und/oder deren Diffusionswege verlängert werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Zuschlag ein zumindest die schädlichen Bestandteile des Mediums adsorbierendes und immobilisierendes Trocknungsmittel und/oder Adsorptionsmittel umfasst. Vorzugsweise besteht der Zuschlag auf Basis von Zeolithen. Der Zuschlag umfasst demnach Zeolithe und/oder Zeolith-Verbindungen, wobei vorzugsweise unterschiedliche, verschiedene Bestandteile des Kraftstoffs adsorbierende Zeolithe, als Zuschlag verwendet werden.
Der Zeolith bzw. die Zeolith-Verbindung ist vorzugsweise vom Typ Y mit der chemischen Formel Na₅₆[(AlO₂)₅₆(SiO₂)₁₃₆]·250H₂O. Ein Zeolith vom Typ Y mit der chemischen Formel Na₅₆[(AlO₂)₅₆(SiO₂)₁₃₆]·250H₂O kann beispielsweise 250 Wassermoleküle durch Adsorption immobilisieren. Durch verschiedene chemische Modifikationen der Zeolithe ist es möglich, Zeolithe mit unterschiedlichen Adsorptionseigenschaften herzustellen. Stark hydrophobe Zeolithe beispielsweise adsorbieren bevorzugt unpolare Moleküle. Durch gezielte Modifikation der Zeolithe ist es möglich, selektiv verschiedene schädliche Bestandteile des Kraftstoffs, welche von außen durch das Schutzschichtsystem in Richtung Piezoaktor diffundieren, zu adsorbieren und zu immobilisieren. Wichtig ist hervorzuheben, dass Schichtdicke und Zeolithgehalt der medienbeständigen Gel- oder Elastomerschicht dabei so angepasst werden müssen, dass über die Lebenszeit des Piezoaktors bzw. des Piezoaktors oder eines einen Piezoaktor umfassenden Piezoinjektors alle in das Schutzschichtsystem diffundierenden schädlichen Bestandteile adsorbiert werden. Grundsätzlich können die an den Zeolithen adsorbierte Verbindungen durch Erhitzen wieder desorbiert werden. Die zur Desorption erforderlichen Temperaturen liegen allerdings üblicherweise zwischen 150°C und 300°C und damit deutlich über der zulässigen Temperatur für die Piezoaktoren. Somit eignen sich Zeolithe grundsätzlich als Zuschlag oder als Bestandteil eines Zuschlags für eine Schicht eines Schutzschichtsystems für einen Piezoaktor bildende medienbeständige Gele oder Elastomere.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Zuschlag einen die Diffusionswege zumindest der schädlichen Bestandteile des Mediums verlängernden Füllstoff. Dieser Füllstoff kann vorzugsweise Nanopartikel mit einer plättchenartigen Struktur umfassen. Die Nanopartikel mit plättchenartiger Struktur bestehen vorzugsweise aus einem Schichtsilikat, welches zumindest für die schädlichen, typischerweise gasförmigen und/oder flüssigen Bestandteile des Mediums impermeabel ist und ein Hindernis bei Diffusionsvorgängen darstellt.
Das eingebrachten Schichtsilikat ist für Gase und Flüssigkeiten impermeabel und stellt ein Hindernis bei Diffusionsvorgängen dar. Entsprechende Diffusionswege gasförmiger oder flüssiger schädlicher Bestandteile des Kraftstoffs werden auf diese Weise extrem verlängert, wodurch die keramischen Piezolagen der Piezoelemente der Piezoaktoren effektiv gegen diese Bestandteile geschützt werden. Aus Polymeren mit darin eingebrachten Nanopartikeln hergestellte Nanokomposite werden in der Getränkeindustrie als Diffusionsbarriere gegen Gase verwendet und auch im automotiven Bereich, ebenso wie bei zahlreichen Militäranwendungen erfolgreich appliziert.
Wichtig ist hervorzuheben, dass auch bei der Verwendung von Nanopartikeln als Zuschlag oder als Bestandteil des Zuschlags die Schichtdicke ebenso wie der Füllstoffgehalt der Gelschicht derart angepasst werden müssen, dass über die Lebenszeit des Piezoaktormoduls bzw. des Piezoaktors oder eines einen Piezoaktor umfassenden Piezoinjektors nur eine unkritische Menge an schädlichen Bestandteilen des Kraftstoffs durch das Schutzschichtsystem diffundierenden kann.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Gel ein silikonmodifiziertes Perfluorether-Gel oder ein fluoriertes Silikongel ist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Barrierewirkung einer aus einem organischen, medienbeständigen Gel oder Elastomer bestehenden Schicht eines mindestens einen Piezoaktor umhüllenden, ein Eindringen eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums oder von Bestandteilen des Mediums in den von dem Medium umströmten Piezoaktor aus elektrisch kontaktierbaren Piezoelementen verhindernden Schutzschichtsystems aus einer oder mehreren funktionellen Schichten. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:

– Zugabe eines die Sperrwirkung eines organischen, medienbeständigen Gels oder Elastomers verbessernden Zuschlages zu dem organischen, medienbeständigen Gel oder Elastomer,
– Herstellung mindestens einer funktionellen Schicht durch Beschichten eines Piezoaktors oder einer Piezoaktorreihe bestehend aus mehreren an ihren Stirnflächen miteinander verklebten Piezo-Aktoren, oder eines Piezoaktormoduls bestehend aus einem oder mehreren Piezoaktoren mit an den Stirnflächen angeordneten Anbauteilen in Form eines Aktorkopfes und eines Aktorfußes, mit dem mit dem Zuschlag versetzten, organischen, medienbeständigen Gel oder Elastomers, sowie

Der Piezoaktor bzw. eine Piezoaktorreihe bestehend aus zwei oder mehr an ihren Stirnflächen miteinander verklebten Piezoaktoren, oder ein Piezoaktormodul bestehend aus einem oder mehreren Piezoaktoren mit an ihren freien Enden angeordneten Anbauteilen, wird zunächst mit einer oder mehreren funktionellen Schichten beschichtet, wobei mindestens eine Schicht aus einem organischen, medienbeständigen Elastomer oder Gel, wie beispielsweise einem silikonmodifizierten Perfluorether-Gel oder einem fluorierten Silikongel besteht. Aufgrund der durch wenig Quervernetzungen der Makromoleküle des Gels untereinander auch als locker bezeichenbaren Struktur des Gels oder des Elastomers können Gase und Flüssigkeiten in Gelen oder Elastomeren in der Regel schneller diffundieren, als in höher vernetzten Polymeren. Die hohe Flexibilität des Gels oder des Elastomers, die notwendig ist, damit während des Betriebs des Piezoaktors bzw. des Piezoaktormoduls die Integrität des Schutzschichtsystems erhalten bleibt, geht mit einer niedrigeren Barrierewirkung gegen kurzkettige Bestandteile im Kraftstoff, wie etwa Wasser, RME und dergleichen einher. Zur Absicherung der Dauerbeständigkeit eines Piezoinjektoren mit Piezoaktormodulen bzw. Piezoaktoren umfassenden Einspritzsystems muss über einen langen Zeitraum von beispielsweise fünfzehn Jahren sichergestellt sein, dass schädliche Bestandteile des Kraftstoffs wirksam von der Oberfläche des Piezoaktors ferngehalten werden. Dies wird erfindungsgemäß durch Zugabe eines die Sperrwirkung des medienbeständigen Gels oder Elastomers zumindest gegenüber für den Piezoaktor schädlichen Bestandteilen des Mediums verbessernden Zuschlags zu der mindestens einen Schicht aus medienbeständigem Gel und/oder zu dem medienbeständigen Gel oder Elastomer selbst erreicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Zuschlag ein Trocknungsmittel und/oder Adsorptionsmittel umfasst, an welchem die schädlichen Verbindungen adsorbiert und immobilisiert werden.
Gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird dem medienbeständigen Gel vorzugsweise ein Adsorptionsmittel beispielsweise auf Basis von Zeolithen zugesetzt. Zeolith-Verbindungen sind hochkomplexe Kristallsysteme mit einer definierten Hohlraum- und Porenstruktur. Wasserfreie Zeolithe dienen einer hochselektiven Adsorption von Molekülen, deren Querschnittsfläche kleiner als die Porenöffnungen zu den Hohlräumen sind. Das Adsorptionsverhalten der Zeolithe wird durch folgende Eigenschaften bestimmt:

a) große innere Adsorptionsfläche;
b) hohe elektrostatische Adsorptionsflächen;
c) selektive Adsorption durch Molekularsiebeffekt.

Eine zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Zuschlag einen Füllstoff umfasst, der die Diffusionswege der schädlichen Bestandteile des Mediums im medienbeständigen Gel stark verlängert.
Gemäß dieser vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dem medienbeständigen Gel oder Elastomer ein die Diffusionswege der schädlichen Bestandteile im medienbeständigen Gel oder Elastomer verlängernder Füllstoff vorzugsweise in Form von Nanopartikeln mit einer plättchenartigen Struktur zugegeben. Hierbei sind insbesondere Füllstoffe auf Basis so genannter Schichtsilikate geeignet. Beispielsweise durch Vermischen der plättchenförmigen Nanopartikel mit einem Polymer und anschließendem Vernetzen bzw. Aushärten können organisch/anorganische Nanokomposite hergestellt werden. Ein solches Nanokomposit aus einem medienbeständigen Gel oder Elastomer und einem Schichtsilikat weist aufgrund der spezifischen Struktur deutlich verbesserte Barriereeigenschaften auf.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Zugabe durch Mischen des Zuschlags beispielsweise in Form von Zeolithen und/oder in Form eines plättchenförmigen Füllstoffes aus Schichtsilikat in das organische medienbeständige Gel oder Elastomer, bzw. in dessen beispielsweise polymerförmige Ausgangsstoffe vor dessen Vernetzung und/oder vor der Herstellung der funktionellen Schicht aus dem organischen, medienbeständigen Gel oder Elastomer erfolgt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Piezoinjektors in einem Längsschnitt,
2 eine schematische Darstellung eines Schichtsilikates,
3 eine schematische Darstellung eines organischen/anorganischen Nanokompositmaterials aus einem Polymer und darin angeordneten Schichtsilikaten, sowie
4 eine schematische Darstellung eines Diffusionspfades einer flüssigen oder gasförmigen Verbindung in einem Nanokompositmaterial aus einem Polymer und darin angeordneten Schichtsilikaten.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein in 1 dargestellter Piezoinjektor 1 umfasst im wesentlichen einen Haltekörper 2 und einen in dem Haltekörper 2 angeordnetes Piezoaktormodul 3, das unter anderem einen Aktorkopf 4 und einen Aktorfuß 5 aufweist. Es sind dabei zwischen dem Aktorkopf 4 und dem Aktorfuß 5 mehrere übereinander gestapelte Piezoelemente 6 zur Bildung des eigentlichen Piezoaktors 20 vorhanden, die jeweils aus Piezolagen aus Piezokeramik und diese einschließende Innenelektroden 7 und 8 bestehen.
Die Innenelektroden 7 und 8 der Piezoelemente 6 sind mit Außenelektroden 10 und 11 und dann über ein Steckerteil 9 elektrisch kontaktiert. Das Piezoaktormodul 3 ist über einen Koppler 12 mit einer Düsennadel 13 verbunden. Durch Anlegen einer Spannung an die Piezoelemente 6 über die Innenelektroden 7 und 8 und die daraus folgende mechanische Reaktion wird, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert, eine Düsenöffnung 14 freigegeben. Das Piezoaktormodul 3 wird bei der dargestellten Anwendung nach 1 als Piezoinjektor 1 in einem Raum 15 von einem mit dem Piezoinjektor 1 zu dosierenden Medium, typischerweise einem Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor umströmt.
Der Piezoaktor 20 ist durch ein Schutzschichtsystem 24 vor dem Kraftstoff im Raum 15 bzw. vor schädlichen Bestandteilen des Kraftstoffs, wie etwa Wasser, RME oder sonstigen elektrisch leitenden Substanzen geschützt.
Das Schutzschichtsystem 24 besteht aus einer oder mehreren funktionellen Schichten, wobei mindestens eine Schicht aus einem organischen, medienbeständigen Gel oder Elastomer besteht.
Erfindungsgemäß umfasst die mindestens eine Schicht aus einem organischen, medienbeständigen Elastomer oder Gel und/oder das organische, medienbeständige Gel oder Elastomer selbst einen die Sperrwirkung des Gels oder Elastomers zumindest gegenüber für den Piezoaktor 20 schädlichen Bestandteilen des Kraftstoffs verbessernden Zuschlag.
Der Zuschlag kann beispielsweise ein zumindest die schädlichen Bestandteile des Kraftstoffs adsorbierendes und immobilisierendes Trocknungsmittel und/oder Adsorptionsmittel umfassen. Der Zuschlag umfasst dabei vorzugsweise Zeolithe und/oder Zeolith-Verbindungen, wobei unterschiedliche, verschiedene Bestandteile des Kraftstoffs adsorbierende Zeolithe, als Zuschlag verwendet werden können.
Ein geeigneter Zeolith bzw. eine geeignete Zeolith-Verbindung ist beispielsweise vom Typ Y mit der chemischen Formel Na₅₆[(AlO₂)₅₆(SiO₂)₁₃₆]·250H₂O. Ein Zeolith vom Typ Y mit der chemischen Formel Na₅₆[(AlO₂)₅₆(SiO₂)₁₃₆]·250H₂O kann beispielsweise 250 Wassermoleküle durch Adsorption immobilisieren. Durch verschiedene chemische Modifikationen der Zeolithe ist es möglich, Zeolithe mit unterschiedlichen Adsorptionseigenschaften herzustellen. Stark hydrophobe Zeolithe beispielsweise adsorbieren bevorzugt unpolare Moleküle. Durch gezielte Modifikation der Zeolithe ist es möglich, selektiv verschiedene schädliche Bestandteile des Kraftstoffs, welche von außen durch das Schutzschichtsystem in Richtung Piezoaktor diffundieren, zu adsorbieren und zu immobilisieren. Wichtig ist hervorzuheben, dass Schichtdicke und Zeolithgehalt der medienbeständigen Gelschicht dabei so angepasst werden müssen, dass über die Lebenszeit des Piezoaktors bzw. des Piezoaktors oder eines einen Piezoaktor umfassenden Piezoinjektors alle in das Schutzschichtsystem diffundierenden schädlichen Bestandteile adsorbiert werden. Grundsätzlich können die an den Zeolithen adsorbierte Verbindungen durch Erhitzen wieder desorbiert werden. Die zur Desorption erforderlichen Temperaturen liegen allerdings üblicherweise zwischen 150°C und 300°C und damit deutlich über der zulässigen Temperatur für die Piezoaktoren. Somit eignen sich Zeolithe grundsätzlich als Zuschlag oder als Bestandteil eines Zuschlags für eine Schicht eines Schutzschichtsystems für einen Piezoaktor bildende medienbeständige Gele.
Alternativ oder zusätzlich zu dem die schädlichen Bestandteile des Kraftstoffs adsorbierendes und immobilisierendes Trocknungsmittel und/oder Adsorptionsmittel kann der Zuschlag einen die Diffusionswege zumindest der schädlichen Bestandteile des Mediums verlängernden Füllstoff umfassen. Ein die Diffusionswege der schädlichen Bestandteile des Kraftstoffs im medienbeständigen Gel oder Elastomer verlängernder Füllstoff kann beispielswei se aus Nanopartikeln mit einer plättchenartigen Struktur bestehen. In 2 ist ein solches Nanopartikel 30 mit einer plättchenartigen Struktur dargestellt. Als Nanopartikel 30 eignen sich besonders Schichtsilikate 31, welche bei flächigen Abmessungen x von höchstens 1 bis 2 μm eine Dicke y von wenigen Nanometern aufweisen.
Durch Vermischen der plättchenförmigen Nanopartikel 30 in Form von Schichtsilikaten 31 mit einem Polymer und anschließendem Vernetzen bzw. Aushärten kann ein in 3 dargestelltes organisch/anorganisches Nanokomposit 32 hergestellt werden. Ein solches Nanokomposit 32 aus einem organischen, medienbeständigen Elastomer oder Gel 33 und einem Schichtsilikat 31 weist aufgrund der spezifischen Struktur deutlich verbesserte Barriereeigenschaften auf.
Das eingebrachten Schichtsilikat 31 ist für Gase und Flüssigkeiten impermeabel und stellt, wie in 4 dargestellt, ein Hindernis bei Diffusionsvorgängen dar. Entsprechende Diffusionswege P gasförmiger oder flüssiger schädlicher Bestandteile des Kraftstoffs werden auf diese Weise extrem verlängert, wodurch die keramischen Piezolagen der Piezoelemente der Piezoaktoren 20. effektiv gegen diese Bestandteile geschützt werden.
Wichtig ist hervorzuheben, dass auch bei der Verwendung von Nanopartikeln 30 als Zuschlag oder als Bestandteil des Zuschlags die Schichtdicke der Gelschicht derart angepasst werden müssen, dass über die Lebenszeit des Piezoaktormoduls 3 bzw. des Piezoaktors 20 oder eines einen Piezoaktor 20 umfassenden Piezoinjektors 1 nur eine unkritische Menge an schädlichen Bestandteilen des Kraftstoffs durch das Schutzschichtsystem 24 diffundierenden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1174615 A2 [0006]
- WO 01/48834 A2 [0008]
- DE 10217361 A1 [0010]
- WO 02/61856 A1 [0011]

Claims

Piezoaktormodul (3) für eine von einem Medium umströmte Anordnung, bestehend aus einem Aktorfuß (5) und einem Aktorkopf (4) und mindestens einem dazwischen eingefassten Piezoaktor (20) aus Piezoelementen (6), umfassend ein mindestens den Piezoaktor (20) umgebendes Schutzschichtsystem (24) aus einer oder mehreren funktionellen Schichten, wobei mindestens eine Schicht aus einem organischen, medienbeständigen Gel (33) oder Elastomer besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht aus einem organischen, medienbeständigen Gel (33) oder Elastomer und/oder das organische, medienbeständige Gel (33) oder Elastomer einen die Sperrwirkung des Gels (33) oder des Elastomers zumindest gegenüber für den Piezoaktor (20) schädlichen Bestandteilen des Mediums verbessernden Zuschlag (30, 31) umfasst.
Piezoaktor (20) für eine von einem Medium umströmte Anordnung, mit Piezoelementen (6) und mit einem Schutzschichtsystem (24) aus einer oder mehreren funktionellen Schichten, wobei mindestens eine Schicht aus einem organischen, medienbeständigen Gel (33) oder Elastomer besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht aus einem organischen, medienbeständigen Gel (33) oder Elastomer und/oder das organische, medienbeständige Gel (33) oder Elastomer einen die Sperrwirkung des Gels (33) zumindest gegenüber für den Piezoaktor (20) schädlichen Bestandteilen des Mediums verbessernden Zuschlag (30, 31) umfasst.
Piezoaktormodul oder Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlag ein zumindest die schädlichen Bestandteile adsorbierendes und immobilisierendes Trocknungsmittel und/oder Adsorptionsmittel umfasst.
Piezoaktormodul oder Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlag auf Basis von Zeolithen besteht.
Piezoaktormodul oder Piezoaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeolith bzw. die Zeolith-Verbindung vom Typ Y mit der chemischen Formel Na₅₆[(AlO₂)₅₆(SiO₂)₁₃₆]·250H₂O ist.
Piezoaktormodul oder Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlag einen die Diffusionswege (P) zumindest der schädlichen Bestandteile verlängernden Füllstoff (30, 31) umfasst.
Piezoaktormodul oder Piezoaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff Nanopartikel (30) mit einer plättchenartigen Struktur umfasst.
Piezoaktormodul oder Piezoaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (30) aus einem Schichtsilikat (31) bestehen, welches zumindest für die schädlichen Bestandteile impermeabel ist.
Piezoaktormodul oder Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel (33) ein silikonmodifiziertes Perfluorether-Gel oder ein fluoriertes Silikongel ist.
Verfahren zur Erhöhung der Barrierewirkung einer aus einem organischen, medienbeständigen Gel (33) bestehenden Schicht eines mindestens einen Piezoaktor (20) umhüllenden, ein Eindringen eines Mediums oder von Bestandteilen des Mediums in den Piezoaktor (20) verhindernden Schutzschichtsystems (24) aus einer oder mehreren funktionellen Schichten, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: – Zugabe eines die Sperrwirkung des organischen, medienbeständigen Gels (33) oder Elastomers verbessernden Zuschlages (30, 31) zu dem organischen, medienbeständigen Gel (33) oder Elastomer, – Herstellung mindestens einer funktionellen Schicht durch Beschichten eines Piezoaktors (20) mit dem mit dem Zuschlag (30, 31) versetzten, organischen, medienbeständigen Gel (33) oder Elastomer.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlag ein Trocknungsmittel und/oder Adsorptionsmittel umfasst, an welchem die schädlichen Verbindungen adsorbiert und immobilisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmittel auf der Basis von Zeolithen hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlag einen Füllstoff (30, 31) umfasst, der die Diffusionswege der schädlichen Bestandteile im medienbeständigen Gel (33) oder Elastomers verlängert.
Verfahren nach Anspruch 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe durch Mischen des Zuschlags (30, 31) in das organische medienbeständige Gel (33) oder Elastomer erfolgt.