DE102009010313B3

DE102009010313B3 - Biegewandlerventil

Info

Publication number: DE102009010313B3
Application number: DE200910010313
Authority: DE
Inventors: Metin Dr. Giousouf; Matthias Walz
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-02-25

Abstract

Es wird ein Biegewandlerventil vorgeschlagen, das eine Biegewandleranordnung bestehend aus zwei sich Seite an Seite nebeneinander erstreckenden lamellenförmigen Biegewandlern (43, 44) aufweist. Die beiden Biegewandler (43, 44) kooperieren mit ein und demselben Ventilglied (23), wobei sie durch elektrische Aktivierung einzeln auslenkbar sind, um an zueinander beabstandeten Krafteinleitungsbereichen (48) zur Änderung der Schaltstellung auf das Ventilglied (23) einzuwirken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Biegewandlerventil, mit einer sich in einem Ventilgehäuse längs einer Hauptachse erstreckenden Biegewandleranordnung, die an ihrem rückwärtigen Endbereich bezüglich dem Ventilgehäuse abgestützt ist und mit ihrem durch elektrische Aktivierung quer zu der Hauptachse auslenkbaren vorderen Endbereich eine Betätigungskraft auf einen Ventilglied ausüben kann, um dieses zur Steuerung von wenigstens zwei Kanalmündungen zu betätigen.
Ein aus der EP 1 411 285 B1 bekanntes piezoelektrisches Biegewandlerventil dieser Art enthält eine Biegewandleranordnung, die einen sich längs einer Hauptachse erstreckenden lamellenförmigen Biegewandler aufweist, der mit seinem vorderen Endbereich auf ein verkippbar gelagertes Ventilglied einwirken kann. Je nachdem, ob der Biegewandler aktiviert oder deaktiviert ist, verschließt das Ventilglied eine von zwei Kanalmündungen und verbindet die andere Kanalmündung mit einem weiteren Ventilkanal, so dass sich ein Ventil in 3/2-Wege-Ausführung ergibt.
Aus der EP 1 207 329 B1 geht ein Piezoventil hervor, dessen Biegewandleranordnung zwei zu einer Biegewandlereinheit zusammengefasste Biegewandler aufweist. Die Biegewandler können einzeln oder gemeinsam betätigt werden. Jeder Biegewandler fungiert als Ventilglied zur Steuerung einer ihm zugeordneten Kanalmündung. Durch gegensinnige Ansteuerung in Verbindung mit einer schwenkbaren Lagerung der Biegewandlereinheit kann außerdem eine Vergrößerung der Auslenkung und somit eine Vergrößerung des steuerbaren Durchflusses erzielt werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Biegewandlerventil zu schaffen, das variable Betätigungsmöglichkeiten eröffnet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Biegewandleranordnung zwei sich Seite an Seite nebeneinander erstreckende lamellenförmige Biegewandler aufweist, deren vordere Endbereiche durch elektrische Aktivierung einzeln auslenkbar sind, um an zueinander beabstandeten Stellen auf ein und dasselbe Ventilglied einzuwirken.
Auf diese Weise ergibt sich eine größere Variabilität in Bezug auf die aktive Betätigung des Ventilgliedes. Ein und dasselbe Ventilglied ist durch zwei Biegewandler betätigbar, die durch entsprechende Ansteuerung einzeln auslenkbar sind, wo bei insbesondere auf die Möglichkeit einer individuellen Aktivierung der Biegewandler zurückgegriffen wird. Allerdings können die Biegewandler auch derart funktionell miteinander verknüpft sein, dass sie bei ihrer Aktivierung ein aufeinander abgestimmtes Bewegungsverhalten an den Tag legen. Da die Betätigungskräfte der Biegewandler an zueinander beabstandeten Stellen in das Ventilglied eingeleitet werden, eröffnen sich für die realisierbaren Bewegungsarten des Ventilgliedes verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise kann die Bewegung des Ventilgliedes eine reine Linearbewegung sein oder aber eine überlagerte oder alternative Schwenkbewegung oder Drehbewegung. Man ist also insgesamt sehr variabel beim Aufbau eines gewünschten Ventilkonzepts. Als Biegewandler werden insbesondere piezoelektrische Biegewandler eingesetzt, wenngleich prinzipiell auch bimetallische Biegewandler oder Biegewandler aus sogenanntem Memorymetall verwendbar sind. In allen Fällen schafft die längsseitige Nebeneinanderanordnung der Biegewandler kompakte Abmessungen und ermöglicht die Realisierung von Ventilen mit kleinen Abmessungen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Zweckmäßigerweise erfolgt eine dahingehende Zuordnung zwischen den beiden Biegewandlern und dem Ventilglied, dass die von den Biegewandlern bei ihrer Aktivierung auf das Ventilglied ausübbaren Betätigungskräfte in die gleiche Richtung weisen. Je nach Lagerung des Ventilgliedes ermöglicht dies bei Aktivierung jeweils eines der Biegewandlers entweder eine Linearbewegung oder eine Schwenkbewegung des Ventilgliedes. Ein besonders kompakter Aufbau ergibt sich, wenn die beiden Biegewandler mit ihren vorderen Endbereichen auf ein und derselben Seite des Ventilgliedes seitlich neben das Ventilglied ragen.
Eine zweckmäßige Anordnung sieht vor, dass die zu steuernden Kanalmündungen in der Achsrichtung der Hauptachse orientiert sind, wobei sie insbesondere zu der Biegewandleranordnung weisen. Vor allem in diesem Zusammenhang ist es von besonderem Vorteil, das Ventilglied so zu lagern, dass es quer zu der Hauptachse gleitfähig auf einer gehäusefesten Grundfläche aufliegt und bei Betätigung der Biegewandler auf der Grundfläche abgleitet. Zusätzliche Federmittel können dafür sorgen, dass das Ventilglied ausreichend stark an die Grundfläche angedrückt wird und seinen gleitenden Kontakt nicht verliert. Die bevorzugt ebene Grundfläche verläuft zweckmäßigerweise rechtwinkelig zu der Hauptachse, wobei die Biegewandler zweckmäßigerweise ohne Kraftumlenkung direkt auf das Ventilglied einwirken.
Vorzugsweise sind die zu steuernden Kanalmündungen in der Grundfläche ausgebildet. Das Ventilglied gleitet also beim Umschalten über die Kanalmündungen hinweg. Vorzugsweise können die beiden Kanalmündungen in Abhängigkeit von der Position des Ventilgliedes abwechselnd mit einem weiteren Ventilkanal verbunden werden, um eine 3/2-Wege-Funktion oder eine fluidische Weichenfunktion zu realisieren. Bei Bedarf kann auch eine Grundstellung realisiert werden, die im deaktivierten Zustand beider Biegewandler vorliegt und sich dadurch auszeichnet, dass beide zu steuernden Kanalmündungen abgesperrt sind.
Vor dem Hintergrund einer vorteilhaften Medientrennung kann in dem Ventilglied mindestens eine Überströmausnehmung ausgebildet sein, die zu einer gleitend auf der Grundfläche aufliegenden Bodenfläche des Ventilgliedes ausmündet und in Abhängigkeit von der Position des Ventilgliedes variabel mit den wenigstens zwei zu steuernden Kanalmündungen in Überdeckung bringbar ist. Das zu steuernde Fluid bleibt hier quasi gekapselt und gelangt nicht in den außen um das Ventilglied herum angeordneten Bereich, in dem die Biegewandleranordnung untergebracht ist.
Vor dem Hintergrund einer meist nur geringen Auslenkung von Biegewandlern ist es von Vorteil, wenn die zu steuernden Ka nalmündungen eine schlitzartig längliche Querschnittskontur aufweisen, wobei die Längsachsen der Querschnitte insbesondere rechtwinkelig zur Auslenkrichtung der Biegewandler ausgerichtet sind. Vor allem in Verbindung mit derart gestalteten Kanalmündungen ist es von Vorteil, wenn die im Ventilglied ausgebildete Überströmausnehmung ebenfalls nach Art eines Schlitzes gestaltet ist, wobei durch Wahl einer ausreichend großen Schlitztiefe sehr einfach die angestrebte Strömungsrate gewährleistet werden kann.
Ein besonders vorteilhafter Aufbau des Biegewandlerventils sieht vor, dass das Ventilglied zwei nebeneinander angeordnete Krafteinleitungsbereiche für die Einleitung der Betätigungskräfte der Biegewandler aufweist und außerdem durch Federmittel ständig entgegengesetzt zur möglichen Wirkrichtung dieser Betätigungskräfte beaufschlagt ist. Vorzugsweise liegen die Biegewandler mit ihren vorderen Endbereichen unmittelbar an jeweils einem der Krafteinleitungsbereiche an, die zur Minimierung der Reibung erhaben, beispielsweise höckerförmig, ausgebildet sein können. Wird einer der Biegewandler aktiviert, verlagert er den von ihm beaufschlagten Ventilgliedabschnitt, wobei das gesamte Ventilglied um einen Momentanpol verschwenkt wird, der durch den Kontaktbereich zwischen dem deaktivierten Biegewandler und dem diesem zugeordneten Krafteinleitungsbereich definiert wird. Die Federmittel drücken das Ventilglied ständig an den nicht aktivierten Biegewandler an.
Diese Bauform erweist sich ersichtlich besonders vorteilhaft in Kombination mit einer reinen Gleitlagerung des Ventilgliedes an einer zur Hauptachse rechtwinkeligen, ebenen Grundfläche, in der zweckmäßigerweise auch die zu steuernden Kanalmündungen angeordnet sind.
Zur Gewährleistung der Schwenkbewegung sind keine zusätzlichen Schwenklagerungsmittel erforderlich, insbesondere keine Drehachsmittel. Auf diese Weise ist ein sehr kostengünstiger Aufbau möglich.
Um ein reproduzierbares Bewegungsverhalten des Ventilgliedes zu gewährleisten, sind vorzugsweise bezüglich dem Ventilgehäuse ortsfeste Abstützmittel vorhanden, die die durch die Federmittel beaufschlagten vorderen Endbereiche der deaktivierten Biegewandler gehäusefest abstützen. Auf diese Weise ist ein Zurückweichen eines deaktivierten Biegewandlers bei Aktivierung des jeweils anderen Biegewandlers ausgeschlossen. Außerdem kann auf diese Weise eine exakte Grundstellung im deaktivierten Zustand beider Biegewandler erzielt werden.
Obgleich prinzipiell eine Bauform möglich wäre bei der die Biegewandler über mindestens ein Zwischenglied am Ventilglied angreifen, empfiehlt sich zugunsten kompakter Abmessungen und eines kostengünstigen Aufbaus ein direktes Zusammenwirken zwischen den Biegewandlern und dem Ventilglied.
Von Vorteil ist es, wenn die beiden Biegewandler nicht nur alternativ sondern auch gleichzeitig und hierbei insbesondere gleichgerichtet auslenkbar sind. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise ein Ventil mit 3/2-Wege-Funktion realisieren, vorzugsweise mit einem stetigen Betriebsverhalten. Insbesondere für eine Anwendungen, die eine gleichzeitige Aktivierung der beiden Biegewandler vorsieht, ist es zweckmäßig, die Biegewandler am rückseitigen Endbereich bezüglich des Ventilgehäuses unbewegbar festzulegen, so dass sie sich bei ihrer Aktivierung nicht gegenseitig neutralisieren.
Die beiden Biegewandler können eigenständige Komponenten sein, die insbesondere unabhängig voneinander im Ventilgehäuse fixiert sind. Besonders vorteilhaft wird allerdings eine Bauform eingeschätzt, bei der die Biegewandler, insbesondere nach dem Vorbild der EP 1 207 329 B1 , zu einer einstückigen Biegewandlereinheit zusammengefasst sind. Eine solche Biegewandlereinheit lässt sich sehr präzise herstellen und leicht im Ventilgehäuse montieren.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 eine perspektivische Gesamtansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Biegewandlerventils,
2 das Biegewandlerventil aus 1 bei geöffnetem Ventilgehäuse mit Blick auf die Biegewandleranordnung,
3 eine Ansicht des geöffneten Biegewandlerventils mit Blickrichtung gemäß Pfeil III aus 2, wobei die auf das Ventilglied einwirkenden Federmittel ersichtlich sind,
4 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Biegewandlerventils,
5 ein vergrößertes Detail des Biegewandlerventils im Bereich des Ventilgliedes, wobei unter anderem die vorderen Endbereiche der Biegewandler sowie die mit dem Ventilglied zusammenwirkenden Federmittel ersichtlich sind,
6 eine nochmals vergrößerte Einzeldarstellung des gleitverschieblich auf einer Grundfläche aufsitzenden Ventilgliedes,
7 einen Ausschnitt des Biegewandlerventils im Bereich des Ventilgliedes bei Einnahme der Grundstellung im deaktivierten Zustand beider Biegewandler,
8 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch das in Grundstellung befindliche Ventilglied gemäß Schnittlinie VIII-VIII aus 7, wobei die darunter liegende Grundfläche der besseren Sichtbarkeit wegen schraffiert dargestellt ist,
9 einen mit 7 vergleichbaren Ausschnitt des Biegewandlerventils im aktivierten Zustand des einen Biegewandlers bei gleichzeitig deaktiviertem anderen Biegewandler,
10 den aus 9 ersichtlichen Zustand in einer Schnittdarstellung vergleichbar 8,
11 in einer Schnittdarstellung vergleichbar 10 ein verglichen mit 10 umgekehrter Betätigungszustand, und
12 in einer mit 8, 10 und 11 vergleichbaren Schnittdarstellung eine sich bei gleichzeitiger Aktivierung beider Biegewandler ergebende Schaltstellung des Ventilgliedes.
Das insgesamt mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Biegewandlerventil ermöglicht die Steuerung einer Fluidströmung in drei Ventilkanälen 2, 3, 4, die im Ventilgehäuse 5 des im folgenden nur noch als Ventil bezeichneten Biegewandlerventils 1 verlaufen. Die drei Ventilkanäle 2, 3, 4 münden mit je einer das Anschließen einer Fluidleitung ermöglichenden Anschlussöffnung an einer als Anschlussfläche 6 bezeichenbaren Außenfläche des Ventilgehäuses 5 aus, die in den 1 bis 7 und 9 nach unten weist und deshalb nicht sichtbar ist.
Das Ventilgehäuse 5 hat insbesondere eine im allgemeinen kastenförmige Gestalt mit einer Längsachse 7 und einem quer zu der Längsachse 7 länglichen Querschnitt. Exemplarisch weist das Ventilgehäuse 5 einen im wesentlichen U-förmigen Gehäuserahmen 8 auf, in dessen in der Zeichnung nach unten weisende U-Öffnung eine die Anschlussfläche 6 aufweisende und von den drei Ventilkanälen 2, 3, 4 durchsetzte Verschlussplatte 12 eingesetzt ist. Die offenen Seitenbereiche des Gehäuserahmens 8 sind durch je einen bevorzugt plattenförmigen Gehäusedeckel 13, 14 verschlossen. An der in 1 bis 4 nach oben wei senden Rückseite des Ventilgehäuses 5 ragen mehrere Anschlusskontakte 15 heraus, über die das Ventil 1 elektrisch betätigt wird.
In den Gehäuserahmen 8 ist zweckmäßigerweise eine sich zwischen den Rahmenschenkeln erstreckende Tragwand 16 eingezogen, die gemeinsam mit dem jeweils gegenüberliegenden der beiden Gehäusedeckel 13, 14 einen ersten beziehungsweise zweiten Aufnahmeraum 17, 18 definiert, der aus 2 und 3 ersichtlich ist. Die Tragwand 16 endet mit Abstand vor der Verschlussplatte 12, so dass in dem in 1 bis 4 nach unten weisenden vorderen Bereich des Gehäuseinnenraumes eine Ventilkammer 22 gebildet ist, in der ein einziges Ventilglied 23 untergebracht ist.
Das vorzugsweise im wesentlichen klotzförmige Ventilglied 23 sitzt mit einer ebenen Bodenfläche 24 gleitverschieblich auf einer bezüglich dem Ventilgehäuse 5 ortsfesten Grundfläche 25, die ebenfalls eben ausgebildet ist und die quer und hierbei insbesondere rechtwinkelig zu der Längsachse 7 ausgerichtet ist. Die Achsrichtung der Längsachse 7 stellt also bevorzugt die Normalenrichtung der Grundfläche 25 dar.
Die Grundfläche 25 ist an einer Mündungsträgerplatte 26 ausgebildet, die von innen her an der Verschlussplatte 12 an liegt und in der sich die Ventilkanäle 2, 3, 4 fortsetzen, um jeweils zu der Grundfläche 25 auszumünden. Auf diese Weise befinden sich in der Grundfläche 25 eine mit dem ersten Ventilkanal 2 kommunizierende, ständig offene ungesteuerte Kanalmündung 27 sowie eine erste und eine zweite steuerbare Kanalmündung 28, 29, die mit je einem des ersten und zweiten Ventilkanals 3, 4 verbunden sind.
Die Mündungsträgerplatte 26 und die Verschlussplatte 12 könnten auch einteilig miteinander ausgebildet sein.
Die beiden steuerbaren Kanalmündungen 28, 29 sind zweckmäßigerweise schmal und länglich ausgebildet, haben also einen länglichen, bevorzugt rechteckigen Querschnitt. Ihre Querschnitts-Längsachsen 32 (8) erstrecken sich zweckmäßigerweise in der Achsrichtung einer zu der Längsachse 7 rechtwinkeligen Querachse 33, wobei diese Querachse 33 zugleich die Längsachse des Querschnittes des flachen Ventilgehäuses 5 darstellt. Die ungesteuerte Kanalmündung 27 liegt zweckmäßigerweise zwischen den beiden steuerbaren Kanalmündungen 28, 29. Aus der geschilderten Anordnung ergibt sich, dass insbesondere die steuerbaren Kanalmündungen 28, 29 in der Achsrichtung der Längsachse 7 orientiert sind.
In der Ventilkammer 22 zwischen dem Ventilglied 23 und der diesem zugewandten Stirnfläche der Tragwand 16 angeordnete erste Federmittel 34 beaufschlagen das Ventilglied 23 in Richtung der Grundfläche 25 und drücken es mit seiner Bodenfläche 24 so stark an die Grundfläche 25 an, dass es von dem in den Ventilkanälen 2, 3, 4 anstehenden Fluiddruck nicht von der Grundfläche 25 abgehoben werden kann. Die ersten Federmittel 34 sind beispielsweise von einer Schraubendruckfeder gebildet.
In dem Ventilglied 23 ist eine insbesondere schlitzartig gestaltete, schachtförmige Überströmausnehmung 35 ausgebildet. Diese ist mit Ausnahme an der Bodenfläche 24 ringsum geschlossen. Zu der Bodenfläche 24 mündet sie mit einer länglichen, schmalen Mündungsöffnung 36 aus, deren Länge zweckmäßigerweise mindestens der Gesamtlänge der beiden axial hintereinander angeordneten steuerbaren Kanalmündungen 28, 29 zuzüglich des zwischen diesen beiden steuerbaren Kanalmündungen 28, 29 vorliegenden Abstandes beträgt.
Das Ventilglied 23 kann eine aus 7 und 8 hervorgehende Grundstellung einnehmen, in der es so auf der Grundfläche 25 positioniert ist, dass die Mündungsöffnung 36 der Überströmausnehmung 35 neben den beiden steuerbaren Kanalmündungen 28, 29 liegt und mit diesen nicht verbunden ist. Gleich zeitig deckt die Bodenfläche 24 die beiden steuerbaren Kanalmündungen 28, 29 ab und verhindert somit einen Fluiddurchtritt. Zur Abdichtung können prinzipiell Elastomerdichtungen vorgesehen sein, was sich aber nachteilig auf den Reibungskoeffizienten niederschlagen würde. Bevorzugt kommen daher keine gesonderten Dichtungsmittel zur Anwendung, sondern man erreicht die gewünschte Dichtheit durch exakt plane Ausbildung von Bodenfläche 24 und Grundfläche 25. Somit kann das als Ventilschieber fungierende Ventilglied 23 auch mit den geringen Kräften, die ein Biegewandler bietet, problemlos auf der Grundfläche 25 verschoben werden, bei gleichzeitiger Gewährleistung einer hohen Abdichtqualität.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass bei dem vorliegend beschriebenen bevorzugten Einsatzzweck der zur ungesteuerten Kanalmündung 27 gehörende erste Ventilkanal 2 als Speisekanal genutzt wird, über den das zu steuernde Fluid, entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas, insbesondere Druckluft, eingespeist wird. Da auch die ungesteuerte Kanalmündung 27 von der Bodenfläche 24 des Ventilgliedes 23 überdeckt wird und zwar in jeder Stellung des Ventilgliedes 23, ist ein Fluidaustritt in die das Ventilglied 23 aufnehmende Ventilkammer 22 ausgeschlossen. Der Bereich um das Ventilglied 23 herum und mithin der gesamte Gehäuseinnenraum kommen also im Be trieb des Ventils 1 mit dem zu steuernden Fluid nicht in Berührung.
Zweckmäßigerweise ist die ungesteuerte Kanalmündung 27 so platziert, dass sie in jeder Stellung des Ventilgliedes 23 über die Mündungsöffnung 36 mit der Überströmausnehmung 35 kommuniziert. Mithin steht in der Überströmausnehmung 35 ständig das über den Speisekanal 2 eingespeiste Druckmedium an.
Auf noch zu erläuternde Weise kann das Ventilglied 23 außer in der Grundstellung auch noch in anderen Schaltstellungen positioniert werden. Hierbei handelt es sich um eine aus 9 und 10 ersichtliche erste Arbeitsstellung, um eine aus 11 ersichtliche zweite Arbeitsstellung und – optional – um eine aus 12 ersichtliche dritte Arbeitsstellung. In der ersten Arbeitsstellung ergibt sich eine zumindest partielle Überdeckung der Mündungsöffnung 36 mit der ersten steuerbaren Kanalmündung 28, wobei gleichzeitig die zweite steuerbare Kanalmündung 29 durch die Bodenfläche 24 verschlossen bleibt. Folglich kann das Fluid aus dem Speisekanal 2 durch die Überströmausnehmung 35 hindurch zur ersten steuerbaren Kanalmündung 28 überströmen und zu dem sich daran anschließenden, als Arbeitskanal nutzbaren zweiten Ventilkanal 3.
In der zweiten Arbeitsstellung gemäß 11 sind die Gegebenheiten umgekehrt wie in der ersten Arbeitsstellung. Folglich ist hier die erste steuerbare Kanalmündung 28 abgesperrt und es liegt eine Verbindung zwischen dem Speisekanal 2 und, über die zweite steuerbare Kanalmündung 29 hinweg, dem ebenfalls als Arbeitskanal nutzbaren dritten Ventilkanal 4 vor.
In der beim Ausführungsbeispiel ebenfalls möglichen dritten Arbeitsstellung gemäß 12 erstreckt sich die Mündungsöffnung 36 über gleichzeitig die ungesteuerte Kanalmündung 27 und jede steuerbare Kanalmündung 28, 29 hinweg, so dass das einströmende Fluid auf beide Arbeitskanäle 2, 3 aufgeteilt wird.
An die Arbeitskanäle können ein oder mehrere beliebige Verbraucher angeschlossen werden, beispielsweise mit Druckluft zu befüllende Membranelemente, die in Fahrzeugsitzen von Automobilen zur Verbesserung des Sitzkomforts eingesetzt werden. Andere Anwendungsfelder sind jedoch ebenfalls möglich, ebenso eine vom Ausführungsbeispiel abweichende Nutzung der einzelnen Ventilkanäle 2, 3, 4.
Die in Achsrichtung der Längsachse 7 gemessene Tiefe der Überströmausnehmung 35 ist relativ groß bemessen, um im Hinblick auf den schmalen Querschnitt die dem Fluid zur Strömung zur Verfügung stehende Nennweite uneingeschränkt zur Verfügung stellen zu können. Da dieses Prinzip kaum Totvolumen aufweist, lässt sich das Ventil 1 sehr gut auch für Dosieraufgaben nutzen. Durch den gleitenden Schließvorgang wird im übrigen auch eine unerwünschte Tropfenbildung vermieden.
Da die unter dem Fluiddruck stehenden Bereiche durch das Ventilglied 23 stets abgeschottet sind, kommen die außerhalb des Ventilgliedes 23 im Innenraum des Gehäuses untergebrachten Komponenten mit dem Fluid nicht in Berührung. Dadurch erübrigt sich ein aufwändiger Feuchteschutz.
Als Material für das Ventilglied 23 und vorzugsweise auch für die Grundfläche 25 bzw. die Mündungsträgerplatte 26 empfiehlt sich ein einen nur geringen Reibungskoeffizient aufweisendes Keramikmaterial. Ein solches Material zeichnet sich auch durch eine hohe chemische Beständigkeit bei der Steuerung aggressiver Fluide aus. Auch heiße Medien können gesteuert werden. Die Herstellung der dreidimensionalen Strukturen kann insbesondere mittels eines Keramik-Spritzgießverfahrens durchgeführt werden.
Zur Betätigung ist das Ventil 1 im Innern des Ventilgehäuses 5 mit einer insgesamt mit Bezugsziffer 37 bezeichneten Biegewandleranordnung ausgestattet. Diese ist in dem ersten Auf nahmeraum 17 angeordnet und erstreckt sich ausgehend von dem in 1 bis 4 oben liegenden rückwärtigen Endbereich des Ventilgehäuses 5 längs einer mit der Längsachse 7 zusammenfallenden oder diesbezüglich leicht geneigten Hauptachse 38 bis in die vorne liegende Ventilkammer 22 hinein.
An dieser Stelle sei darauf hinwiesen, dass in dieser Beschreibung weiter vorne erfolgte Bezugnahmen auf die Längsachse 7 gleichzeitig als Bezugnahmen auf die Hauptachse 38 zu verstehen sind.
Die Biegewandleranordnung 37 ist an ihrem entfernt von der Ventilkammer 22 liegenden rückwärtigen Endbereich 42 bezüglich dem Ventilgehäuse 5 abgestützt. Beim Ausführungsbeispiel erreicht man dies durch feste Einspannung des rückwärtigen Endbereiches 42 zwischen der Tragwand 16 und dem den ersten Aufnahmeraum 17 begrenzenden Gehäusedeckel 13. Alternativ kann der rückwärtige Endbereich 42 auch auf andere Weise unbewegbar am Ventilgehäuse 5 festgelegt sein.
Die Biegewandleranordnung 37 umfasst zwei lamellenförmige Biegewandler, die im folgenden als erster und zweiter Biegewandler 43, 44 bezeichnet seien. Diese beiden Biegewandler 43, 44 erstrecken sich Seite an Seite nebeneinanderliegend in Achsrichtung der Hauptachse 38 und sind in dem rückwärtigen Endbereich 42 derart fest miteinander verbunden, dass sich eine aus 4 gut ersichtliche, bevorzugt einstückige Biegewandlereinheit 45 ergibt. Der rückwärtige Endbereich 42 fungiert hierbei als gemeinsamer Lagerungsabschnitt für beide Biegewandler 43, 44, so dass die Biegewandlereinheit 45 sehr einfach installierbar ist.
Bei einer nicht weiter abgebildeten Bauform sind die beiden Biegewandler 43, 44 als individuelle Komponenten ausgebildet, die insbesondere auch gesondert am Ventilgehäuse 5 fixiert sind.
Die oben erwähnten Anschlusskontakte 15 stehen über nicht weiter gezeigte Lötverbindungen mit den Biegewandlern 43, 44 in elektrischer Verbindung, um sie nach Bedarf aktivieren und deaktivieren zu können.
Die beiden Biegewandler 43, 44 erstrecken sich im deaktivierten Zustand ausgehend vom gemeinsamen rückwärtigen Endbereich 42 mit linearer Erstreckung und in paralleler Ausrichtung bis hin in die Ventilkammer 22, in der sie mit ihren vorderen Endbereichen 46 auf ein und derselben Seite neben das Ventilglied 23 ragen. Besagte Seite des Ventilgliedes 23 sei im folgenden als Beaufschlagungsseite 47 bezeichnet. Die Beaufschlagungsseite 47 ist eine der beiden rechtwinkelig zur Längsachse 7 und zur Querachse 33 orientierten Längsseiten des Ventilgliedes 23.
An der Beaufschlagungsseite 47 weist das Ventilglied 23 zwei in der Längsrichtung des Ventilgliedes 23 zueinander beabstandete Krafteinleitungsbereiche 48 auf. In jedem dieser Krafteinleitungsbereiche 48 liegt einer der beiden Biegewandler 43, 44 am Ventilglied 23 an. Um die Reibung zu minimieren und eine möglichst ungehinderte relative Beweglichkeit zwischen dem Ventilglied 23 und jedem Biegewandler 43, 44 zu gewährleisten, verfügt das Ventilglied 23 an den Krafteinleitungsbereichen 48 zweckmäßigerweise über jeweils mindestens eine wulst- oder höckerartige Erhebung.
Bei den Biegewandlern 43, 44 handelt es sich insbesondere um piezoelektrische Biegewandler. Ihr Funktionsprinzip basiert auf dem umgekehrten piezoelektrischen Effekt. Wird an einen der Biegewandler 43, 44 eine elektrische Spannung angelegt – dies geschieht über die oben erwähnten Anschlusskontakte 15 – baut sich ein elektrisches Feld auf, das zu einer Deformation des piezoelektrischen Materials des Biegewandlers 43, 44 führt, was zur Folge hat, dass sich der Biegewandler 43, 44 krümmt und vor allem der vordere Endbereich 46 eine durch einen Doppelpfeil kenntlich gemachte, quer zur Hauptachse 38 orientierte Auslenkung 52 erfährt.
Bei seiner Auslenkung drückt der vordere Endbereich 46 des momentan aktivierten Biegewandlers 43, 44 in dem zugeordneten Krafteinleitungsbereich 48 mit einer Betätigungskraft F_B gegen das Ventilglied 23 und verschiebt dieses auf der Grundfläche 25, um eine Änderung der Schaltstellung zu bewirken.
Im deaktivierten Zustand erstrecken sich die beiden Biegewandler 43, 44 zweckmäßigerweise in einer gemeinsamen Basisebene 53, die zu der Querachse 33 vorzugsweise parallel ausgerichtet ist. Die durch die Aktivierung hervorgerufene Auslenkung 52 erfolgt in einer zu der Basisebene 53 rechtwinkeligen Auslenkebene 51. Die Auslenkebenen 51 der beiden Biegewandler 43, 44 sind parallel und mit Abstand zueinander angeordnet.
Insbesondere erstrecken sich die beiden Biegewandler 43, 44 derart nebeneinander, dass ihre zur Auslenkbewegung rechtwinkeligen Hauptebenen zusammenfallen.
In dem zweiten Aufnahmeraum 18 sind zweite Federmittel 54 angeordnet, die zwischen dem Ventilgehäuse 5 und dem Ventilglied 23 wirksam sind und die das Ventilglied 23 in nachgiebiger Weise ständig gegen die vorderen Endbereiche 46 der beiden Biegewandler 43, 44 drücken. Auf diese Weise ist unabhängig von der Schaltstellung ein Berührkontakt zwischen dem Ventilglied 23 und jedem Biegewandler 43, 44 gegeben. Die Beaufschlagungsrichtung der zweiten Federmittel 54 ist entgegengesetzt zur möglichen Wirkrichtung der Betätigungskräfte F_B.
Vorzugsweise sind die zweiten Federmittel 54 so ausgebildet, dass sie in wenigstens zwei in der Längsrichtung des Ventilgliedes 23 zueinander beabstandeten Einwirkungsbereichen 55 auf das Ventilglied 23 einwirken. Diese beiden Einwirkungsbereiche 55 sind in der gleichen Richtung zueinander beabstandet wie unter einander auch die beiden Krafteinleitungsbereiche 48.
Das Ventilglied 23 setzt sich somit gedanklich aus zwei Ventilgliedabschnitten 23a, 23b zusammen, die jeweils auf der einen Seite – der Beaufschlagungsseite 47 – einen Krafteinleitungsbereich 48 aufweisen und auf der entgegengesetzten Seite einen Einwirkungsbereich 55. Vorzugsweise ist die Anordnung so getroffen, dass jedem Krafteinleitungsbereich 48 auf der entgegengesetzten Seite des Ventilgliedes 23 ein Einwirkungsbereich 55 gegenüberliegt.
Zur Aufsplittung der Federkräfte der zweiten Federmittel 54 sind letztere beim Ausführungsbeispiel in Form einer U-förmigen Blattfeder ausgeführt, die zwei in jeweils einem der Einwirkungsbereiche 55 am Ventilglied 23 anliegende Federarme 56 aufweist und die mit dem die Federarme 56 verbindenden Verbindungssteg 57 an der Tragwand 16 fixiert ist. Es versteht sich allerdings, dass die Federmittel auch in Form einzelner Blattfedern oder gänzlich anders gestalteter Federmittel ausgeführt sein können.
Bei deaktivierten Biegewandlern 43, 44 wird das Ventilglied 23 durch die ständig auf es einwirkenden zweiten Federmittel 54 in die aus 7 und 8 ersichtliche Grundstellung gedrückt. Diese ist zweckmäßigerweise durch zusätzliche Abstützmittel 58 klar definiert, die beim Ausführungsbeispiel von dem den ersten Aufnahmeraum 17 verschließenden Gehäusedeckel 13 gebildet und in 8 und 10 bis 12 nur schematisch angedeutet sind.
Die Abstützmittel 58 können prinzipiell so ausgebildet sein, dass das Ventilglied 23 in der Grundstellung an ihnen anliegt. Beim Ausführungsbeispiel ist eine als vorteilhafter angesehene Variante verwirklicht, bei der die Abstützmittel 58 nicht mit dem Ventilglied 23, sondern mit den Biegewandlern 43, 44 zusammenwirken. Diese werden durch die zweiten Federmittel 54 unter Vermittlung des Ventilgliedes 23 an den erwähnten Gehäusedeckel 13 angedrückt und dadurch abgestützt.
Im deaktivierten Zustand beider Biegewandler 43, 44 nimmt das Ventilglied 23 die aus 7 und 8 ersichtliche Grundstellung ein.
Zum Umschalten in die erste Arbeitsstellung gemäß 9 und 10 wird bei weiterhin deaktiviertem zweiten Biegewandler 44 der erste Biegewandler 43 aktiviert, so dass sein vorderer Endbereich 46 in dem zugeordneten Krafteinleitungsbereich 48 eine Betätigungskraft F_B auf das Ventilglied 23 ausübt. Zweckmäßigerweise wirkt der erste Biegewandler 43 hierbei direkt auf das Ventilglied 23 ein, was im übrigen auch bei entsprechender Aktivierung für den zweiten Biegewandler 44 gilt.
Durch diese Krafteinwirkung verlagert sich der zugeordnete Ventilgliedabschnitt 23a gemäß Pfeil 62 unter Überwindung der ihn beaufschlagenden Federkraft der Federmittel 54.
Ebenfalls bedingt durch die Federkraft der zweiten Federmittel 54 bleibt der andere Ventilgliedabschnitt 23b mit seinem Krafteinleitungsbereich 48 in Kontakt mit dem nicht ausgelenkten zweiten Biegewandler 44. Die Folge hiervon ist, dass das Ventilglied 23 beim Umschalten in die erste Arbeitsstellung gemäß dem Pfeil 62 eine Schwenkbewegung ausführt, wobei das Schwenkzentrum ”S” in dem am unbetätigten zweiten Biegewandler 44 anliegenden Krafteinleitungsbereich 48 liegt.
Wird alternativ hierzu bei deaktiviertem ersten Biegewandler 43 der zweite Biegewandler 44 aktiviert, erfolgt ein Verschwenken des Ventilgliedes 23 gemäß Pfeil 43 um den am nun nicht aktivierten ersten Biegewandler 43 anliegenden Krafteinleitungsbereich 48, wie dies in 11 angedeutet ist.
Die beiden Schwenkbewegungen verfügen also über unterschiedliche Schwenkzentren ”S”, die sich von Fall zu Fall nach Art eines Momentanpols ausbilden, ohne dass hierfür eine konkrete mechanische Schwenkachse installiert sein müsste.
Wird ein zuvor aktivierter Biegewandler wieder deaktiviert, schwenkt er aufgrund der ihn beaufschlagenden zweiten Federmittel 44 mit umgekehrter Bewegungsrichtung wieder in die Grundstellung zurück.
Beim Verändern der Schaltstellung gleitet das Ventilglied 43 reibungsarm auf der Grundfläche 25 ab.
Zur Stabilisierung seiner Lage kann das Ventilglied 23 mindestens eine an der Beaufschlagungsseite 47 vorstehende Zentriernase 64 aufweisen, die in den zwischen den beiden benachbarten Biegewandlern 43, 44 vorhandenen Spalt eintaucht und sich gegebenenfalls an den den Spalt begrenzenden Seitenrändern der beiden Biegewandler 43, 44 abstützen kann. Auf diese Weise ist das Ventilglied 23 in seiner Längsrichtung lagegesichert.
Aus der bisherigen Beschreibung ist ersichtlich, dass die von den beiden Biegewandlern 43, 44 erzeugbaren Betätigungskräfte F_B in der gleichen Richtung, jedoch an zueinander beabstandeten Krafteinleitungsbereichen 48, auf das Ventilglied 23 einwirken. Insbesondere dies macht es beim Ausführungsbeispiel auch möglich, durch Betätigung beider Biegewandler 43, 44 eine Verlagerung des Ventilgliedes 23 gemäß Pfeil 61 in die aus 12 ersichtliche dritte Arbeitsstellung hervorzurufen. Das Umschalten in die dritte Arbeitsstellung kann durch ausgehend von der Grundstellung stattfindende zeitgleiche Aktivierung der beiden Biegewandler 43, 44 erfolgen, oder durch zeitlich aufeinanderfolgende Aktivierung, wobei der Aktivierungszustand des zuerst aktivierten Biegewandlers beibehalten wird. Bei zeitgleicher Aktivierung aus der Grundstellung heraus erfolgt das Umschalten des Ventilgliedes 23 im Rahmen einer reinen Linearbewegung, sofern die Auslenkgeschwindigkeiten der beiden Biegewandler 43, 44 übereinstimmen. Im übrigen kann sich beim Umschalten des Ventilgliedes 23 auch eine Überlagerung zwischen einer Schwenkbewegung und einer Linearbewegung einstellen.
Das Ventil 1 lässt sich als Schaltventil und auch als Stetigventil betreiben. Bei einer Verwendung als Stetigventil kann durch stufenlose Variation der Ansteuerspannung der Auslenkhub der Biegewandler 43, 44 auf Zwischenstellungen zwischen den erwähnten Schaltstellungen eingestellt werden, um Strömungsraten zu erzielen, die zwischen dem abgesperrten Zustand und dem maximalen Offenzustand liegen.
Wird die Biegewandlereinheit 45 an dem rückwärtigen Endbereich 42 in einer Weise abgestützt, dass ein Verschwenken bezüglich des Ventilgehäuses 5 um eine zu der Querachse 33 parallele Schwenkachse möglich ist, erreicht man eine vorteilhafte Vergrößerung des Auslenkhubes der beiden Biegewandler 43, 44. Allerdings kann in einem solchen Fall normalerweise die aus 12 ersichtliche dritte Arbeitsstellung nicht erzeugt werden.

Claims

Biegewandlerventil, mit einer sich in einem Ventilgehäuse (5) längs einer Hauptachse (38) erstreckenden Biegewandleranordnung (37), die an ihrem rückwärtigen Endbereich (42) bezüglich dem Ventilgehäuse (5) abgestützt ist und mit ihrem durch elektrische Aktivierung quer zu der Hauptachse (38) auslenkbaren vorderen Endbereich eine Betätigungskraft (F_B) auf ein Ventilglied (23) ausüben kann, um dieses zur Steuerung von wenigstens zwei Kanalmündungen (28, 29) zu betätigen, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegewandleranordnung (37) zwei sich Seite an Seite nebeneinander erstreckende lamellenförmige Biegewandler (43, 44) aufweist, deren vordere Endbereiche (46) durch elektrische Aktivierung einzeln auslenkbar sind, um an zueinander beabstandeten Stellen auf ein und dasselbe Ventilglied (23) einzuwirken.
Biegewandlerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegewandler (43, 44) als piezoelektrische Biegewandler ausgebildet sind.
Biegewandlerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von den beiden Biegewandlern (43, 44) auf das Ventilglied (23) ausübbaren Betätigungskräfte (F_B) untereinander in die gleiche Richtung weisen.
Biegewandlerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Biegewandler (43, 44) mit ihren vorderen Endbereichen (46) seitlich neben das Ventilglied (23) ragen.
Biegwandlerventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Biegewandler (43, 44) auf der gleichen Seite des Ventilgliedes (23) mit ihren vorderen Endbereichen (46) seitlich neben das Ventilglied (25) ragen.
Biegewandlerventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (23) durch die beiden Biegewandler (43, 44) jeweils verschwenkbar ist.
Biegewandlerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Kanalmündungen (28, 29) in der Achsrichtung der Hauptachse (38) orientiert sind.
Biegewandlerventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Kanalmündungen (28, 29) der Biegewandleranordnung (47) zugewandt sind.
Biegewandlerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (23) quer zu der Hauptachse (38) gleitfähig auf einer bezüglich dem Ventilgehäuse (5) ortsfesten Grundfläche (25) aufliegt und bei Betätigung der Biegewandleranordnung (37) auf der Grundfläche (25) gleitet.
Biegewandlerventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Federmittel (34) vorhanden sind, die das Ventilglied (23) an die Grundfläche (25) andrücken.
Biegewandlerventil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfläche (25) im wesentlichen rechtwinkelig zu der Hauptachse (38) ausgerichtet ist.
Biegewandlerventil nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Kanalmündungen (28, 29) in der Grundfläche (25) ausgebildet sind.
Biegewandlerventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ventilglied (23) mindestens eine Überströmausnehmung (35) ausgebildet ist, die zu der gleitfähig auf der Grundfläche (25) aufliegenden Bodenfläche (24) des Ventilgliedes (23) ausmündet und ansonsten verschlossen ist, wobei sie abhängig von der Stellung des Ventilgliedes (23) variabel mit den mindestens zwei steuerbaren Kanalmündungen (28, 29) in Überdeckung bringbar ist.
Biegewandlerventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmausnehmung (35) schlitzartig gestaltet ist.
Biegewandlerventil nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Kanalmündungen (28, 29) eine schlitzartig längliche Querschnittskontur aufweisen.
Biegewandlerventil nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Grundfläche eine weitere, vom Ventilglied (23) nicht gesteuerte Kanalmündung (27) ausmündet, die von dem Ventilglied (23) ständig bedeckt ist.
Biegewandlerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (23) an einer quer zu der Hauptachse (38) orientierten Beaufschlagungsseite (47) zwei zueinander beabstandete Krafteinleitungsbereiche (48) für die Einleitung der von jeweils einem der Biegewandler (43, 44) generierten Betätigungskraft (F_B) aufweist und durch Federmittel (54) ständig entgegengesetzt zur möglichen Wirkrichtung der Betätigungskräfte (F_B) beaufschlagt ist, derart, dass das Ventilglied (23) bei Aktivierung jeweils eines Biegewandlers (43, 44) um den sich bezüglich des jeweils anderen Biegewandlers (44, 43) abstützenden Krafteinleitungsbereich (48) verschwenkt wird.
Biegewandlerventil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (23) zur Gewährleistung seiner Schwenkbeweglichkeit gleitverschieblich an einer zur Hauptachse (38) im wesentlichen rechtwinkeligen Grundfläche (25) anliegt.
Biegwandlerventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Kanalmündungen (28, 29) in der Grundfläche (25) ausgebildet sind.
Biegewandlerventil nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (23) zwei jeweils einen der Krafteinleitungsbereiche (48) aufweisende Ventilgliedabschnitte (23a, 23b) aufweist, wobei die Federmittel (54) an zueinander beabstandeten Einwirkungsbereichen (55) auf die beiden Ventilgliedabschnitte (23a, 23b) einwirken.
Biegewandlerventil nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich dem Ventilgehäuse (5) ortsfeste Abstützmittel (58) vorhanden sind, an denen die durch die Federmittel (54) beaufschlagten Biegewandler (43, 44) im deaktivierten Zustand abgestützt sind.
Biegewandlerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegewandler (43, 44) zur Ausübung der Betätigungskräfte (F_B) mit ihren vorderen Endbereichen (46) direkt an dem Ventilglied (23) anliegen.
Biegewandlerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegewandler (43, 44) derart aktivierbar sind, dass sie zur gleichen Zeit einen das Ventilglied (23) auslenkenden Zustand einnehmen.
Biegewandlerventil nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegewandler (43, 44) bei Einnahme des das Ventilglied (23) auslenkenden Zustands ausgehend von der deaktivierten Grundstellung in die gleiche Richtung ausgelenkt sind.
Biegewandlerventil nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Biegewandler ausgehend vom deaktivierten Zustand gleichzeitig aktivierbar sind.
Biegewandlerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegewandleranordnung (37) am rückseitigen Endbereich (42) bezüglich dem Ventilgehäuse (5) unbewegbar festgelegt ist.
Biegewandlerventil nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegewandleranordnung (37) am rückseitigen Endbereich (42) bezüglich dem Ventilgehäuse (5) fest eingespannt ist.
Biegewandlerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegewandleranordnung (37) als die beiden Biegewandler (43, 44) beinhaltende Biegewandlereinheit (45) ausgebildet ist.