DE102007042249A1

DE102007042249A1 - Electrically actuated valve

Info

Publication number: DE102007042249A1
Application number: DE102007042249A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr.-Ing. Schröder
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2009-03-12
Also published as: DE102007024520A1; DE102007024520B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch betätigbares Ventil, insbesondere Vorsteuerventil, gemäß Hauptpatent ... (Patentanmeldung DE 102007024520.5-12), bei dem ein piezoelektrischer Biegewandler in Abhängigkeit von einer an ihm anliegenden Steuerspannung die Position eines Steuerkopfs relativ zu mindestens einem Ventilanschluss verändert. Unter bestimmten Einsatzbedingungen führt die beim Hauptpatent vorgesehene Schlauchverbindung zwischen dem Steuerkopf und einem Verbraucheranschluss zu Nachteilen. Diese Nachteile werden vermieden, wenn statt der Schlauchverbindung ein Fluidkanal innerhalb des Biegewandlers vorgesehen ist, dessen eines Ende mit dem Steuerkopf verbunden ist und dessen anderes Ende im Bereich der Einspannstelle des Biegewandlers einen Auslass zu einem Fluidanschluss aufweist.The invention relates to an electrically actuated valve, in particular pilot valve, according to the main patent ... (patent application DE 102007024520.5-12), in which a piezoelectric bending transducer changes the position of a control head relative to at least one valve port in response to a voltage applied to it control voltage. Under certain conditions of use provided in the main patent hose connection between the control head and a consumer connection leads to disadvantages. These disadvantages are avoided if instead of the hose connection, a fluid channel is provided within the bending transducer whose one end is connected to the control head and the other end has an outlet to a fluid connection in the region of the clamping point of the bending transducer.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch betätigbares Ventil, insbesondere Vorsteuerventil, mit einem Gehäuse, das Anschlüsse für die Fluidzuleitung und -ableitung sowie gegebenenfalls für die Belüftung des Ventilgehäuses und mindestens einen am Gehäuse angeordneten piezoelektrischen Biegewandler aufweist, der in Abhängigkeit von einer an ihm anliegenden Steuerspannung die Position eines Ventilkörpers relativ zu mindestens einem der vorgenannten Anschlüsse verändert, wodurch der pneumatische Widerstand mindestens eines Anschlusses verändert wird. Es versteht sich von selbst, dass das Ventil außer zur Steuerung von Gas- und Dampfströmen bei entsprechender Auslegung auch zur Steuerung von Flüssigkeitsströmen einsetzbar ist.The The invention relates to an electrically operable valve, in particular pilot valve, with a housing, the connections for the fluid supply and discharge and optionally for ventilation of the valve body and at least one piezoelectric arranged on the housing Bending transducer has, depending on a he applied control voltage, the position of a valve body relative to at least one of the aforementioned ports changed, causing the pneumatic resistance at least a connection is changed. It goes without saying even that the valve except for the control of gas and Steam flows with appropriate design also for control can be used by liquid streams.

Bei dem elektrisch betätigbaren Ventil gemäß Hauptpatent (Patentanmeldung DE 102007024520.5-12 ) dient in der dort in Anspruch 5 angegebenen und in 4 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils eine im Gehäuse verlaufende Schlauchverbindung als Fluidverbindung zwischen dem Steuerkopf und einem als Verbraucheranschluss dienenden Fluidanschluss. Gegenüber anderen Ausführungsformen, bei denen für diese Fluidverbindung die Hohlräume des Ventilgehäuses genutzt werden, reduziert die Schlauchverbindung die Speicherwirkung des Ventilgehäuses erheblich. Unter bestimmten Anwendungsbedingungen, wie z. B. hochfrequenten Stellbewegungen des Ventils oder starken Schwankungen der Druckdifferenz zwischen Ventilgehäuse und Schlauchverbindung, ist jedoch die Elastizität des Schlauchwerkstoffs nachteilig, weil hierdurch die Entstehung von Druckschwingungen im Fluid begünstigt werden können, was die Genauigkeit der Steuerung der Fluidströme beeinträchtigen kann.In the electrically actuated valve according to the main patent (patent application DE 102007024520.5-12 ) is used in the there in claim 5 and in 4 illustrated embodiment of the valve according to the invention extending in the housing hose connection as a fluid connection between the control head and serving as a consumer connection fluid connection. Compared with other embodiments in which the cavities of the valve housing are used for this fluid connection, the hose connection reduces the storage effect of the valve housing considerably. Under certain conditions of use, such. As high-frequency positioning movements of the valve or strong fluctuations in the pressure difference between the valve body and hose connection, however, the elasticity of the hose material is disadvantageous because this can favor the formation of pressure oscillations in the fluid, which may affect the accuracy of the control of fluid flows.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Lösung des Hauptpatents so weiterzubilden, dass die genannten Nachteile reduziert oder beseitigt werden.Of the Invention is therefore the object of the solution of the main patent educate so that the disadvantages mentioned be reduced or eliminated.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Damit können die Fluid führenden Volumina im Ventil ebenso klein wie bei einer Schlauchverbindung ausgeführt werden, ohne jedoch deren nachteilige Elastizität aufzuweisen. Die weiteren Vorteile der erfindungsgemäßen Lösungen entsprechen denen des Hauptpatents.According to the invention this object is achieved by the features of claim 1. This allows the fluid-carrying volumes in the valve as small as a hose connection be without, however, have their disadvantageous elasticity. The further advantages of the solutions according to the invention correspond to those of the main patent.

In den abhängigen Ansprüchen sind zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform gemäß Anspruch 3 weist das Ventil nur einen Fluideinlass und einen Fluidauslass auf, wobei es ohne eine am Biegewandler anliegende Steuerspannung je nach Einbaulage des Biegewandlers in Offen- oder Gesperrt-Stellung steht. Insbesondere bei dieser Ausführungsform sind mehrere erfindungsgemäße Ventile in Reihen- oder Parallelschaltung betreibbar.In the dependent claims are appropriate Embodiments of the invention indicated. In a particularly advantageous Embodiment according to claim 3 has the valve has only one fluid inlet and one fluid outlet, wherein it without a voltage applied to the bending transducer control voltage depending on the installation position the bending transducer is in open or locked position. Especially in this embodiment, several valves according to the invention operable in series or parallel connection.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigenin the The invention is based on preferred embodiments with reference to the schematic diagrams in the attached Drawings explained in more detail. Show

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Ventils mit einem in zwei Richtungen auslenkbaren Biegewandler, zwei Fluidanschlüssen im Bereich des freien Endes des Biegewandlers und einem Verbraucheranschluss an einer Stirnwand des Ventilgehäuses, 1 1 a schematic representation of an embodiment of the valve with a deflectable in two directions bending transducer, two fluid connections in the region of the free end of the bending transducer and a consumer connection to an end wall of the valve housing,

2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform wie in 1, aber einem Verbraucheranschluss an einer Seitenwand des Ventilgehäuses, 2 a schematic representation of an embodiment as in 1 but a consumer port on a side wall of the valve housing,

3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Ventils mit einem in eine Richtung auslenkbaren Biegewandler, einem Fluidanschluss im Bereich des freien Endes des Biegewandlers und einem Verbraucheranschluss an einer Stirnwand des Ventilgehäuses, 3 1 a schematic representation of an embodiment of the valve with a bending transducer which can be deflected in one direction, a fluid connection in the region of the free end of the bending transducer and a consumer connection on an end wall of the valve housing,

4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform wie in 3, aber einem Verbraucheranschluss an einer Seitenwand des Ventilgehäuses. 4 a schematic representation of an embodiment as in 3 but a consumer port on a side wall of the valve body.

Es versteht sich nahezu von selbst, dass die Ventilabmessungen vom Fachmann anhand der konkreten Einsatzbedingungen festgelegt werden. Die in den Figuren enthaltene Größenangabe ist deshalb nur als beispielhafte Angabe für ein ausgeführtes Testmuster zu verstehen, nicht jedoch als repräsentative Angabe und unter keinen Umständen als einschränkende Merkmalsangabe.It It goes without saying that the valve dimensions of the Be determined specialist on the basis of the specific conditions of use. The size specified in the figures is therefore only as an example of an executed test pattern but not as a representative statement and under no circumstances as a limiting feature specification.

1 und 2 zeigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventils mit einem symmetrisch aufgebauten piezoelektrischen Biegewandler 2. Das Gehäuse 6 weist Fluidanschlüsse 4a für die Zu- und Abluft auf sowie Fluidanschlüsse 4b für den Anschluss von Verbrauchern auf. Der Biegewandler 2 ist mittels eines Isolators 3 im Gehäuse 6 eingespannt. Das freie Ende des Biegewandlers 2 kann je nach Aktivierung einer aktiven Aktorschicht stetig in die eine oder andere Richtung bewegt werden, d. h., es ist eine neutrale (Null-)Stellung vorhanden (z. B. für 3/3 Funktionsventile). Im Gegensatz zu der Lösung gemäß Hauptpatent verläuft in dem Biegewandler 2 in Längsrichtung des Substrats 8 mindestens ein Fluidkanal 7. Ein Ende des Fluidkanals 7 weist einen Auslass zu dem Fluidanschluss 4b auf, das andere Ende ist mit den Fluid führenden Ausnehmungen eines Steuerkopfs verbunden. In 1 ist der am freien Ende des Biegewandlers 2 angeordnete Steuerkopf zeichnerisch nicht besonders hervorgehoben, weil er einstückig in den Biegewandler integriert ist. Diese einstückige bzw. monolithische Bauweise ist jedoch für die Funktion des erfindungsgemäßen Ventils nicht zwingend erforderlich, sodass auch Ausführungsformen zulässig sind, bei denen am freien Ende des Biegewandlers 2 ein separat gefertigter Steuerkopf angeordnet ist. 1 and 2 show embodiments of the valve according to the invention with a symmetrically constructed piezoelectric bending transducer 2 , The housing 6 has fluid connections 4a for the supply and exhaust air and fluid connections 4b for connecting consumers. The bending transducer 2 is by means of an insulator 3 in the case 6 clamped. The free end of the bending transducer 2 Depending on the activation of an active actuator layer, it can be moved continuously in one direction or the other, ie there is a neutral (zero) position (eg for 3/3 function valves). In contrast to the solution according to the main patent runs in the bending transducer 2 in the longitudinal direction of the substrate 8th at least one fluid channel 7 , One end of the fluid channel 7 has an outlet to the fluid port 4b On the other end is the fluid leading outfit mungen a control head connected. In 1 is the at the free end of the bending transducer 2 arranged control head drawing not particularly highlighted, because it is integrally integrated in the bending transducer. However, this one-piece or monolithic design is not absolutely necessary for the function of the valve according to the invention, so that embodiments are also permitted in which at the free end of the bending transducer 2 a separately manufactured control head is arranged.

Das freie Ende des Biegewandlers 2 bzw. der daran angeformte Steuerkopf ist durch einen Radialspalt von den in das Gehäuse 6 mündenden Ausströmöffnungen der Fluidanschlüsse 4a beabstandet und bewegt sich in Abhängigkeit von der am Biegewandler 2 anliegenden Steuerspannung auf einem Abschnitt einer annähernd kreisförmigen Bahn in der Papierebene. Die Ausströmrichtung der Fluidanschlüsse 4a steht im Wesentlichen senkrecht zur Bahntangente des freien Endes des Biegewandlers 2. Die fluidischen Kraftkomponenten beeinflussen daher nur sehr geringfügig den Bewegungsablauf und die Stellkraft des Biegewandlers 2.The free end of the bending transducer 2 or the control head formed thereon by a radial gap of the in the housing 6 opening outflow openings of the fluid connections 4a spaced and moves depending on the bending transducer 2 applied control voltage on a portion of an approximately circular path in the paper plane. The outflow direction of the fluid connections 4a is substantially perpendicular to Bahntangente the free end of the bending transducer 2 , The fluidic force components therefore only very slightly influence the movement sequence and the actuating force of the bending transducer 2 ,

Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils besitzt den Vorteil, dass sich auftretende Kräfte gegenseitig kompensieren und die Krafteinleitung in den Biegewandler in Richtung seiner Längsachse erfolgt. Durch den genannten Radialspalt mit vorgebbarer, annähernd konstanter Breite wird ein annähernd stellungsunabhängiger Leckluftstrom Q_L realisiert. Ein der Bahn des freien Endes des Biegewandlers 2 angepasster, zylinderförmig gekrümmter Radialspalt führt zu einer weiteren Reduktion des Leckluftanteils.This embodiment of the valve according to the invention has the advantage that occurring forces compensate each other and the force is introduced into the bending transducer in the direction of its longitudinal axis. Through the said radial gap with specifiable, approximately constant width, an approximately position-independent leakage air flow Q _{L is} realized. One of the trajectories of the free end of the bending transducer 2 adapted, cylindrically curved radial gap leads to a further reduction of the leakage air content.

Im Unterschied zu 1, in der der Fluidanschluss 4b durch eine Stirnwand des Gehäuses 6 geführt ist, zeigt 2 eine Ausführungsform mit einem durch eine Seitenwand des Gehäuses 6 geführten Fluidanschluss 4b, wodurch ein seitlicher Verbraucheranschluss realisiert wird.In contrast to 1 in which the fluid connection 4b through an end wall of the housing 6 is guided shows 2 an embodiment with a through a side wall of the housing 6 guided fluid connection 4b , whereby a lateral consumer connection is realized.

3 und 4 zeigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventils mit einem einseitig ausgelegten piezoelektrischen Biegewandler 2. Bei diesen Ausführungsformen, die mindestens einen in Längsrichtung des einseitig vorhandenen Substrats 8 verlaufenden Fluidkanal 7 aufweisen, ist eine asymmetrische einseitige Auslenkung des Biegewandlers 2 realisierbar (z. B. für 2/2 Funktionsventile). Mit Ausnahme dieses Unterschieds und des Umstands, dass das Gehäuse 6 bei diesen Ausführungsformen nur einen Fluidanschluss 4a für die Zuluft aufweist, zeigen jeweils die 1 und 3 sowie die 2 und 4 Übereinstimmung hinsichtlich der dargestellten Funktionselemente. 3 and 4 show embodiments of the valve according to the invention with a one-sided designed piezoelectric bending transducer 2 , In these embodiments, the at least one in the longitudinal direction of the one-sided substrate 8th extending fluid channel 7 have an asymmetrical one-sided deflection of the bending transducer 2 feasible (eg for 2/2 function valves). Except for this difference and the fact that the case 6 in these embodiments only one fluid port 4a for the supply air, respectively show the 1 and 3 as well as the 2 and 4 Agreement regarding the illustrated functional elements.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 102007024520 [0002]

Claims

Electrically operable valve, in particular pilot valve, having a housing which has fluid connections and at least one piezoelectric bending transducer with a control head arranged at its free end, which has fluid-conducting recesses and is movable on a section of an approximately circular path as a function of a control voltage applied to the bending transducer , wherein • at least two fluid connections are arranged fixed to the housing near a front or side surface of the control head, between the control head and the adjacent fluid ports at least one radial or axial gap predetermined, approximately constant width is formed and the outflow of fluid connections in the radial or axial gap in Oriented substantially perpendicular to Bahntangente of the control head, • the control head, depending on its position relative to the at least two fluid connections a fluid connection between one of minde at least two fluid ports and a third fluid port partially or completely releases, according to patent (patent application 102007024520.5 ), characterized in that in the bending transducer ( 2 ) at least one fluid channel ( 7 ) is formed, one end of which is connected to the fluid-conducting recesses of the control head and the other end in the region of the clamping point of the bending transducer ( 2 ) an outlet to the third fluid port ( 4b ) having.

Electrically operable valve according to claim 1, characterized in that the control head and the bending transducer ( 2 ) are integrally formed.

Electrically operable valve according to claim 1 or 2, characterized in that only one fluid connection ( 4a ) is provided near a front or side surface of the control head.