DE102009014494A1

DE102009014494A1 - Method for operating piezoelectric multi-layered stack as e.g. piezoelectric multi-layered actuator, in low-temperature injector, involves regulating internal temperature of piezoelectric stack to desired value within tolerance range

Info

Publication number: DE102009014494A1
Application number: DE102009014494A
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Bernhard Fischer; Matthias Dr. Gerlich; Oliver Dr. Hennig; Michael Dr. Höge; Christian Tump
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2010-10-07

Abstract

The method involves regulating an internal temperature of the piezoelectric multi-layered stack to a desired value within a tolerance range. An actual value of the internal temperature is detected by capacity of the piezoelectric multi-layered stack. The piezoelectric multi-layered stack is electrically heated by creating an alternating voltage at the piezoelectric multi-layered stack before operating the piezoelectric multi-layered stack. The multi-layered stack is heated when the actual value falls below the desired value. An independent claim is also included for a piezoelectric multi-layered stack.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Obergriff des Hauptanspruchs und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.The The present invention relates to a method according to the preamble of the main claim and a device according to the preamble of the secondary claim.

Herkömmlicherweise ergibt sich ein Hubverlust von Piezomehrschichtstapeln, die als Piezomehrschichtaktuatoren (PiezoMultilayerAktuatoren; PMA) oder Piezomehrschichtsensoren betrieben werden, bei tiefen Temperaturen. Eine Tieftemperatur ist beispielsweise ein Temperaturbereich kleiner ca. 0°Celsius. Ein weiterer Tieftemperaturbereich kann ebenso kleiner ca. minus 100°Celsius sein. Mit Bezug auf flüssigen Stickstoff ist eine Tieftemperatur beispielsweise ca. minus 196°Celsius. Herkömmlicherweise ergibt sich das Problem, dass sich die Kapazität und damit der Hub von Piezomehrschichtstapeln stark mit der Temperatur ändert.traditionally, results in a stroke loss of Piezomehrschichtstapeln, as Piezo multilayer actuators (PiezoMultilayerAktuatoren; PMA) or Piezomehrschichtsensoren be operated at low temperatures. A cryogenic temperature is, for example, a temperature range of less than approx. 0 ° Celsius. Another low temperature range can also be smaller about minus 100 ° C be. With reference to liquid Nitrogen is a low temperature, for example, about minus 196 ° Celsius. traditionally, The problem arises that the capacity and thus the stroke of piezostocking layers changes strongly with the temperature.

1 zeigt einen herkömmlichen Piezomehrschichtstapel. 1 shows a conventional Piezomehrschichtstapel.

2 zeigt den Hub eines Piezomehrschichtstapels bei Zimmertemperatur oder Raumtemperatur (RT) (obere Hysteresekurve) und in flüssigem Stickstoff bei –196°Celsius (untere Hysteresekurve). Wie die Hysteresekurve von 2 zeigt, geht der Hub des Piezomehrschichtstapels bei der Abkühlung von Zimmertemperatur auf –196°Celsius, das ist die Temperatur von flüssigem Stickstoff, von 60 Mikrometer auf 12 Mikrometer zurück. Den verkleinerten Piezoeffekt noch zu nutzen bereitet erhebliche technische Schwierigkeiten. Zudem produziert der Piezomehrschichtstapel im Betrieb Abwärme, sodass nicht einmal von einem niedrigen aber wenigstens stabilen Hub ausgegangen werden kann. 2 shows the stroke of a piezometer layer stack at room temperature or room temperature (RT) (upper hysteresis curve) and in liquid nitrogen at -196 ° Celsius (lower hysteresis curve). Like the hysteresis curve of 2 shows, the stroke of the piezoresist layer stack is on cooling from room temperature to -196 ° C, which is the temperature of liquid nitrogen, from 60 microns to 12 microns back. The reduced piezoelectric effect still uses considerable technical difficulties. In addition, the piezoelectric multilayer stack produces waste heat during operation, so that not even a low but at least stable stroke can be assumed.

Die Automobiltechnik ist zur Zeit die Hauptanwendung von Piezoeinspritzventilen. Herkömmlicherweise wird in der Automobiltechnik versucht Informationen über den Brennvorgang zu gewinnen, und zwar mittels Lambdaosonde, Zylinderinnendruckmessung oder Abgassensorik. Die Aufladung eines Piezomehrschichtaktuators wird dessen Zustand und dem Änderungsprofil angepasst. Das ist umso einfacher, je konstanter der Zustand des Piezomehrschichtaktuators ist. Insofern kann die vorliegende Erfindung auch in der Automobiltechnik Anwendung finden.The Automotive technology is currently the main application of piezo injectors. traditionally, is being sought in automotive information about the Burning to win, by means of lambda probe, in-cylinder pressure measurement or exhaust gas sensors. The charging of a piezomehrschichtaktuators becomes its state and the change profile customized. This is easier, the more constant the state of the Piezomehrschichtaktuators is. In this respect, the present invention also find application in the automotive industry.

Für tiefe Temperaturen gibt es derzeit keine bekannte Lösung, die den Einsatz von Piezomehrschichtstapeln insbesondere als Piezoinjektoren praktikabel erscheinen läßt. Als tiefe Temperaturen können beispielsweise Temperaturen kleiner 0°Celsius angenommen werden.For deep Temperatures, there is currently no known solution, the use of piezometer layer stacks especially as a piezoinjectors seems practicable. When low temperatures can For example, temperatures below 0 ° C are assumed.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung Piezomehrschichtstapel, die als Piezomehrschichtaktuatoren (PMA) oder Piezomehrschichtsensoren betrieben werden, derart zu verbessern, dass der Hub unabhängig von äußeren Temperatureinflüssen stabilisiert bleibt.It Object of the present invention Piezomehrschichtstapel, the operated as Piezo multi-layer actuators (PMA) or Piezomehrschichtsensoren be to improve so that the stroke stabilized regardless of external temperature influences remains.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.The Task is by a method according to the main claim and a Device according to the independent claim solved.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Piezomehrschichtstapels als Piezomehrschichtaktuator oder als Piezomehrschichtsensor in einer Tieftemperaturvorrichtung, insbesondere in einem Tieftemperatur-Injektor, bereitgestellt. Es erfolgt ein Regeln der inneren Temperatur des Piezomehrschichtstapels auf einem Soll-Wert innerhalb eines Toleranzbereiches.According to one The first aspect of the present invention is a method for Operation of a piezomehrschichtstapels as Piezomehrschichtaktuator or as a piezometer layer sensor in a cryogenic device, especially in a cryogenic injector. It the internal temperature of the piezoelectric multilayer stack is regulated at a target value within a tolerance range.

Gemäß einem zweiten Aspekt ist ein Piezomehrschichtstapel zur Ausführung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 11 vorgesehen, wobei der Piezomehrschichtstapel ein Piezomehrschichtaktuator oder ein Piezomehrschichtsensor und Bestand teil einer Tieftemperatur-Vorrichtung insbesondere eines Tieftemperatur-Injektors ist. Es wird ein Regelkreis bereit gestellt, der eine innere Temperatur des Piezomehrschichtstapels auf einen Soll-Wert innerhalb eines Toleranzbereichs regelt.According to one The second aspect is a piezoelectric multilayer stack for carrying out a Process according to the claims 1 to 11, wherein the piezomehrschichtstapel a Piezomehrschichtaktuator or a Piezomehrschichtsensor and component of a cryogenic device in particular a cryogenic injector. It becomes a loop provided an internal temperature of the piezoelectric multilayer stack regulated to a desired value within a tolerance range.

Eine Regelung könnte folgendermaßen ablaufen:

1. Messung der aktuellen Betriebstemperatur
2. Ist die Betriebstemperatur innerhalb der Toleranz:
3. Wenn ja, erfolgt ein Betrieb mit periodischer Kontrolle der Betriebstemperatur
4. Wenn nein, erfolgt ein elektrisches Erwärmen des Piezomehrschichtstapels in einem unkritischen Bereich. Unkritisch ist beispielsweise eine Erwärmung in Betriebspausen und mit kleinen Amplituden.

A regulation could proceed as follows:

1. Measurement of the current operating temperature
2. Is the operating temperature within the tolerance:
3. If so, operation is performed with periodic control of the operating temperature
4. If not, electrical heating of the piezoelectric multilayer stack takes place in a noncritical region. Uncritical is, for example, a warming during breaks and with small amplitudes.

Auf diese Weise bleibt der Hub erhalten. Dadurch, dass der Hubverlust bei tiefen Temperaturen vermieden wird, entstehen keine neuen technischen Probleme. Sonst müsste man etwa durch Hebel oder Erhöhung der Feldstärke den Hubverlust kompensieren. Ersteres ist mechanisch aufwendig und führt zu Kraftverlusten, zweites erhöht die Gefahr von Überschlägen. Ein weiterer Vorteil ist die Unabhängigkeit von Umgebungs- und Betriebsbedingungen. Da die innere Temperatur des Piezomehrschichtstapels geregelt wird, dürfen sich die äußeren Bedingungen ändern, solange diese ausgeregelt werden können. Damit ergeben sich viele Einsatzmöglichkeiten. Beispielsweise kann bei einem Injektor mit einem Piezomehrschichtaktuator flüssiger Stickstoff mit einer Temperatur von –196°Celsius oder flüssiges Neon bei einer Temperatur von –246°Celsius mit demselben Injektor eingebracht werden. Ein Wechsel zwischen den beiden Kühlmitteln wäre möglich, ohne dass der Injektor ausgetauscht oder modifiziert werden muss. Auf diese Weise ist z. B. ein unterbrechungsfreier Betrieb möglich.In this way, the stroke is maintained. By avoiding the loss of lift at low temperatures, no new technical problems arise. Otherwise you would have to compensate for the stroke loss by lever or increasing the field strength. The former is mechanically complex and leads to power losses, second increases the risk of flashovers. Another advantage is the independence of environmental and operating conditions. Since the internal temperature of the piezoelectric multilayer stack is regulated, the external conditions may change as long as they can be corrected. This results in many uses. For example, in an injector with a Piezo multi-layer actuator liquid nitrogen at a temperature of -196 ° Celsius or liquid neon be introduced at a temperature of -246 ° C with the same injector. A change between the two coolants would be possible without the injector having to be replaced or modified. In this way, z. B. an uninterrupted operation possible.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.Further advantageous embodiments are claimed in conjunction with the subclaims.

Gemäß einer vorteilhaften. Ausgestaltung kann ein Erfassen eines Ist-Wertes der inneren Temperatur mittels der Kapazität des Piezomehrschichtstapels erfolgen. Physikalisch gesehen ändert sich die Kapazität der Piezomehrschichtstapel mit der Temperatur. In 2 ist die Kapazität bei Raumtemperatur etwa vier Mal so hoch wie bei minus 196°Celsius. Die Kapazität kann auf einfache Weise gemessen werden. Beispielsweise bei modernen Piezotreibern, steht die Kapazität bereits zur Verfügung. Diese kann also für eine Regelung verwendet werden. Diese könnte so ablaufen:

1. Messung der aktuellen Kapazität
2. Kapazität und damit Betriebstemperatur innerhalb der Toleranz?
3. Wenn ja, erfolgt ein Betrieb, insbesondere Injektorbetrieb, mit periodischer Kontrolle der Kapazität
4. Wenn nein, erfolgt ein elektrisches Erwärmen des Piezomehrschichtstapels in einem unkritischen Bereich. Unkritisch ist beispielsweise eine Erwärmung in Betriebspausen und mit kleinen Amplituden.

According to an advantageous. Embodiment, a detection of an actual value of the internal temperature by means of the capacity of the piezoelectric multilayer stack take place. Physically, the capacitance of the piezoelectric multilayer stacks changes with temperature. In 2 the capacity at room temperature is about four times higher than at minus 196 ° Celsius. The capacity can be easily measured. For example, with modern piezo drivers, the capacity is already available. This can therefore be used for a regulation. This could happen like this:

1. Measurement of the current capacity
2. Capacity and thus operating temperature within the tolerance?
3. If so, is an operation, in particular injector operation, with periodic control of capacity
4. If not, electrical heating of the piezoelectric multilayer stack takes place in a noncritical region. Uncritical is, for example, a warming during breaks and with small amplitudes.

Auf diese Weise verkleinert sich die Varianz im Hub. Die starke Temperaturabhängigkeit des Hubs wird durch eine einfache Kapazitätsmessung ausgeregelt. Auf diese Weise ist ein Betrieb mit relativ konstantem Hub möglich. Die Temperatur des Piezomehrschichtstapels wird also indirekt durch eine Kapazitätsmessung bestimmt.On this way, the variance in the stroke decreases. The strong temperature dependence the stroke is compensated by a simple capacitance measurement. On In this way, operation is possible with a relatively constant stroke. The Temperature of Piezomehrschichtstapels is thus indirectly by a capacity measurement certainly.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein elektrisches Erwärmen des Piezomehrschichtstapels bei Unterschreitung eines Ist-Wertes unter dem Soll-Wert größer als ein zulässiger Toleranz-Wert erfolgen.According to one Another advantageous embodiment, an electrical heating of the Piezo top layer stack below an actual value below the target value is greater than a legal one Tolerance value.

Gemäß einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung kann das elektrische Erwärmen mittels Anlegen einer Wechselspannung an den Piezomehrschichtstapel erfolgen.According to one further advantageous embodiment, the electrical heating means Applying an AC voltage to the Piezomehrschichtstapel done.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Anlegen der Wechselspannung vor einem Betrieb des Piezomehrschichtstapels vorgesehen sein. Die Wechselspannung kann vor dem Betrieb den Piezomehrschichtstapel aufwärmen.According to one Another advantageous embodiment, the application of the AC voltage be provided before operation of the piezome layer stack. The Alternating voltage can be the Piezomehrschichtstapel before operation warm up.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Anlegen der Wechselspannung während des Betriebs eines Piezomehrschichtstapels in Pausen zwischen einzelnen aktiven Phasen des Piezomehrschichtstapels vorgesehen sein. Während eines laufenden Betriebs ist eine derartige Temperaturregelung möglich. Sie kann beispielsweise bei einem Injektor in den Pausen zwischen den einzelnen Einspritzungen durchgeführt werden. In der Automobiltechnik sind diese Pausen im Allgemeinen viel länger als die Einspritzung selbst. Selbst bei 6000 Umdrehungen pro Minute erfolgt eine Einspritzung nur alle 20 Millisekunden. Bei einer typischen Einspritzdauer von einer Millisekunde sind also 19 Millisekunden oder 95% der Zeit frei für die Erwärmung eines Piezomehrschichtaktuators. Man spricht von 5% „duty cycle”.According to one Another advantageous embodiment, the application of the AC voltage during the Operation of a piezomehrschichtstapels in pauses between individual active phases of Piezomehrschichtstapels be provided. During one ongoing operation, such a temperature control is possible. she For example, with an injector in the breaks between the individual injections are performed. In the automotive industry These breaks are generally much longer than the injection itself. Even at 6000 revolutions per minute is an injection only every 20 milliseconds. For a typical injection duration of one millisecond is 19 milliseconds or 95% of the time free for the warming a piezomehrschichtaktuators. This is called a 5% duty cycle.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine aktive Phase die Dauer einer Einspritzung sein. D. h. der Piezomehrschichtstapel ist ein Piezomehrschichtaktuator und kann Bestandteil eines Tieftemperatur – Injektors sein.According to one Another advantageous embodiment, an active phase the Duration of an injection. Ie. the piezometer layer stack is a piezoelectric multilayer actuator and can be part of a cryogenic injector be.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Wechselspannung eine Amplitude kleiner als eine Öffnungsspannung des Piezomehrschichtaktuators des Injektors aufweisen. Am einfachsten ist es, die Amplitude der Wechselspannung so klein zu halten, dass eine Öffnungsspannung nicht erreicht wird.According to one Another advantageous embodiment, the AC voltage a Amplitude less than an opening voltage having the piezomehrschichtaktuators of the injector. The easiest is to keep the amplitude of the AC voltage so small that an opening tension is not achieved.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Wechselspannung eine Amplitude größer als eine Öffnungsspannung des Piezomehrschichtaktuators des Injektors aufweisen und zusätzlich eine dem Piezomehrschichtaktuator verkürzende Gleichspannung angelegt sein, die größer oder gleich einer Differenz aus Amplitude und Öffnungsspannung ist. Wenn die Amplitude der Wechselspannung trotzdem so groß werden soll, dass der Injektor öffnen würde, dann kann also ein negatives Biasing angewendet werden. Dazu wird eine Gleichspannung angelegt, die so gepolt ist, dass sich der Piezomehrschichtaktuator verkürzt. Um die verkürzte Länge sind dann höhere Oszillationen möglich, ohne dass der Injektor öffnet.According to one Another advantageous embodiment, the AC voltage a Amplitude greater than an opening tension of Piezomehrschichtaktuators of the injector and additionally have a applied to the Piezomehrschichtaktuator shortening DC voltage be greater or equal a difference between amplitude and opening voltage. When the amplitude the AC voltage should still be so large that the injector would open, then So a negative biasing can be used. This will be a DC voltage applied, which is poled so that the Piezomehrschichtaktuator shortened. To the shortened Length are then higher Oscillations possible, without the injector opening.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Frequenz der Wechselspannung hoch sein im Vergleich zur Betriebsfrequenz. Typisch ist ein Hochfrequenzbereich von 3 Megaherz bis ca. 300 Gigaherz. Der Piezomehrschichtstapel wird durch die hochfrequente Anregung auf eine definierte Betriebstemperatur gebracht, die genügend Hub für die jeweilige Aufgabe bereitstellt. Eine hochfrequente Aufladung kann so appliziert werden, dass beispielsweise die Funktion einer Einspritzung bei einem Injektor nicht beeinträchtigt wird.According to one Another advantageous embodiment, the frequency of the AC voltage high be compared to the operating frequency. Typical is a high frequency range from 3 megahertz to about 300 gigaherz. The Piezomehrschichtstapel is due to the high-frequency excitation to a defined operating temperature brought enough Hub for the respective task provides. A high frequency charge can be applied so that, for example, the function of an injection not affected by an injector becomes.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine äußere Umgebungstemperatur des Piezomehrschichtstapels in einem Tieftemperaturbereich von kleiner 0°Celsius sein.According to one Another advantageous embodiment, an external ambient temperature of the Piezo microtiter layer stack in a low temperature range of smaller 0 ° C be.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann an den Piezomehrschichtstapeln eine Wechselspannungsquelle elektrisch angeschlossen sein.According to one Another advantageous embodiment may be at the Piezomehrschichtstapeln an AC voltage source to be electrically connected.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann um den Piezomehrschichtstapel herum eine Wärmeisolierung ausgeführt sein. Konstruktiv kann die Erwärmung des Piezomehrschichtstapels unterstützt werden, indem ein Einbau möglichst Wärme isolierend ausgebildet wird. Die konstruktive Besonderheit liegt darin, dass der Piezomehrschichtstapel wärmeisoliert eingebaut ist. Dadurch wird erreicht, dass die benötigte Heizleistung, um den Piezomehrschichtstapel auf Temperatur zu halten, minimiert wird. Zur Unterstützung der erfindungsgemäßen Verfahren wird der Piezomehrschichtstapel, beispielsweise als Piezomehrschichtaktuator in einem Injektor, möglichst isoliert angebracht. Auf diese Weise bleibt der Wärmeverlust unkritisch und die Betriebstemperatur wird schnell erreicht.According to one further advantageous embodiment may be around the piezomehr layer stack around a heat insulation accomplished be. Constructively, the warming be supported by a piezome layer stack preferably Insulating heat is trained. The constructive feature is that the Piezomehrschichtstapel thermally insulated is installed. This ensures that the required heating power, to keep the piezometer layer stack at a temperature minimized becomes. For support the inventive method becomes the Piezomehrschichtstapel, for example as Piezomehrschichtaktuator in an injector, if possible isolated attached. In this way, the heat loss remains uncritical and the operating temperature is reached quickly.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Wärmeisolierung eine Vakuumkammer sein. Der Piezomehrschichtstapel kann von einem Vakuum umgeben sein.According to one Another advantageous embodiment, the heat insulation, a vacuum chamber be. The piezoelectric multilayer stack may be surrounded by a vacuum.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Wärmeisolierung ein mit einem Gas, beispielsweise mit trockener Luft, gefüllter Hohlraum sein. Ein Piezomehrschichtstapel kann beispielsweise von trockener Luft umgeben sein.According to one further advantageous embodiment, the heat insulation with a gas, for example, with dry air, filled cavity. A piezometer layer stack For example, it may be surrounded by dry air.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Wärmeisolierung eine verspiegelte Innenwand sein oder die Wärmeisolierung kann eine verspiegelte Innenwand aufweisen. Die Innenwände können verspiegelt sein.According to one Another advantageous embodiment, the heat insulation, a mirrored inner wall his or her heat insulation can have a mirrored inner wall. The inner walls can be mirrored be.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann zwischen Vakuum oder Gas einerseits und einer Injektionsflüssigkeit bei einem Piezomehrschichtaktuator in einem Injektor andererseits eine axialflexible Trennung, insbesondere ein Dehnrohr, ausgebildet sein. Diese Ausführungsart betrifft insbesondere einen Injektor. Für eine beim Injektor notwendige axialflexible Medientrennung gibt es bereits herkömmliche Lösungen, wie beispielsweise ein sogenanntes Balk-Dehnrohr.According to one Another advantageous embodiment can be between vacuum or gas on the one hand and an injection liquid in a piezomehrschichtaktuator in an injector, on the other hand, an axially flexible separation, in particular an expansion tube, be formed. This embodiment particularly applies an injector. For a necessary axialflexible media separation at the injector it already conventional Solutions, such as a so-called Balk-expansion tube.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:The Invention is based on embodiments closer in connection with the figures described. Show it:

1 ein Ausführungsbeispiel eines Piezomehrschichtstapels; 1 an embodiment of a Piezomehrschichtstapels;

2 eine Darstellung zum Piezohub in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur; 2 a representation of the piezohub depending on the ambient temperature;

3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors; 3 an embodiment of an injector according to the invention;

4 ein Regelkreis einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 4 a control loop of a device according to the invention.

1 zeigt einen herkömmlichen Piezomehrschichtstapel 1. Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Rohrfeder Bezugszeichen 5 kennzeichnet die elektrischen Anschlüsse für den Piezomehr schichtstapel 1. Der Piezomehrschichtstapel 1 kann ein Piezomehrschichtaktuator (PMA) oder ein Piezomehrschichtsensor sein. 1 shows a conventional Piezomehrschichtstapel 1 , reference numeral 3 denotes a Bourdon tube reference numeral 5 identifies the electrical connections for the piezo layer stack 1 , The Piezomehrschichtstapel 1 may be a piezoelectric multilayer actuator (PMA) or a piezoelectric multilayer sensor.

2 zeigt eine Darstellung zur Abhängigkeit eines Piezohubes in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Die Rechtswertachse stellt eine Piezospannung in Volt und die Hochwertachse einen Hub H in μm dar. 2 zeigt den Hub eines Piezomehrschichtaktuators PMA bei Raumtemperatur (RT) (Kurve mit den senkrechten Strichen) und im flüssigen Stickstoff bei minus 196°Celsius (durchgezogene Linie unten). Wie die Hysteresekurve von 2 zeigt, geht der Hub des Piezomehrschichtaktuators bei der Abkühlung von Zimmertemperatur (RT) auf minus 196°Celsius (das ist die Temperatur von flüssigem Stickstoff) von 60 Mikrometer auf 12 Mikrometer zurück. Die Rechtswertsachse zeigt die an einen Piezomehrschichtstapel angelegte oder abgegriffene Spannung und die Hochwertachse den vom Piezomehrschichtstapel erzeugten oder von diesem aufgenommenen Hub in Mikrometer. 2 shows a representation of the dependence of a piezohubes as a function of the ambient temperature. The right-hand value axis represents a piezo voltage in volts and the high-value axis represents a stroke H in μm. 2 shows the stroke of a piezoelectric multilayer actuator PMA at room temperature (RT) (curve with the vertical bars) and in liquid nitrogen at minus 196 ° Celsius (solid line below). Like the hysteresis curve of 2 As shown, the stroke of the piezo film layer actuator decreases from 60 micrometers to 12 micrometers as it is cooled from room temperature (RT) to minus 196 degrees Celsius (that is, the temperature of liquid nitrogen). The right-value axis shows the voltage applied to a piezoelectric multilayer stack or tapped-off voltage and the high-value axis shows the stroke generated by or picked up by the piezoelectric multilayer stack in micrometers.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß stabilisierten Piezomehrschichtaktuators 2. Ein derartiger Piezomehrschichtaktuator 2 (PMA) wird hier für einen Injektor verwendet. Andere Vorrichtungen, bei denen Piezomehrschichtstapel verwendet werden sind ebenso vom Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung umfasst. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen arbeiten bei Temperaturen kleiner 0°Celsius und insbesondere in einem Tieftemperaturbereich kleiner minus 100°Celsius insbesondere bei minus 196°Celsius bei Verwendung von flüssigem Stickstoff oder bei Temperaturen von minus 246°Celsius bei Verwendung von Neon als Kühlmittel beispielsweise. Vom Schutzbereich der Erfindung sind alle Temperaturen umfasst bei denen der Hub wesentlich im Vergleich zu einem Hub bei Raumtemperatur verringert ist. 3 zeigt den Piezomehrschichtaktuator 2 (PMA) mit einer Rohrfeder 3. Der Piezomehrschichtstapel wird hier für einen Injektor verwendet. Andere Vorrichtungen bei denen Piezomehrschichtstapel Verwendung finden können sind ebenso möglich. Bezugzeichen 7 kenn zeichnet ein Injektorgehäuse, Bezugszeichen 5 kennzeichnet die elektrischen Anschlüsse mit der eine Gleichspannung zur Erzeugung des Hubs angelegt wird und ebenso eine Wechselspannung zur Aufheizung des Piezomehrschichtaktuators 2 angelegt werden kann. Bezugzeichen 9 kennzeichnet eine um den Piezomehrschichtaktuator 2 ausgebildete Wärmeisolierung. Bezugszeichen 11 kennzeichnet eine verspiegelte Innenwand, die ebenso zur Wärmeisolierung ausgebildet ist. Bezugszeichen 13 bezeichnet ein kaltes Fluid, das eingespritzt wird. Ausführungsbeispiel für kalte Fluide sind beispielsweise flüssiger Stickstoff mit Temperaturen von minus 196°Celsius oder flüssiges Neon von einer Temperatur von minus 246°Celsius. Bezugszeichen 15 kennzeichnet eine axialflexible Medientrennung, die beispielsweise ein Isolationsgas, das in einer Kammer um den Piezomehrschichtaktuator 2 herum erzeugt ist, von einem einzuspritzenden Kühlmittel 13 trennt. Konstruktiv kann eine Erwärmung des Piezomehrschichtaktuators 2 unterstützt werden, indem ein Einbau möglichst Wärme isolierend ausgeführt ist. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Antrieb für einen Tieftemperatur-Injektor. Bezugszeichen 15 ist beispielsweise ein herkömmliches Balg-Dehnrohr. Dieses dient für eine notwendige axialflexible Medientrennung. Beispielsweise kann flüssiger Stickstoff oder flüssiges Neon mit demselben Injektor gemäß 3 eingebracht werden. Ein Wechsel zwischen den beiden Kühlmitteln ist also möglich, ohne das der Injektor gemäß 3 ausgetauscht oder modifiziert werden muss. Auf diese Weise ist ein unterbrechungsfreier Betrieb möglich. 3 shows an embodiment of a stabilized according to the invention Piezomehrschichtaktuators 2 , Such Piezomehrschichtaktuator 2 (PMA) is used here for an injector. Other devices employing piezoelectric multilayer stacks are also included within the scope of the present application. The inventive devices operate at temperatures below 0 ° Celsius and especially in a low temperature range below minus 100 ° C, especially at minus 196 ° Celsius when using liquid nitrogen or at temperatures of minus 246 ° C when using neon as a coolant, for example. The scope of the invention includes all temperatures at which the stroke is significantly reduced compared to a room temperature sweep. 3 shows the Piezomehrschichtaktuator 2 (PMA) with a Bourdon tube 3 , The piezoelectric multilayer stack is used here for an injector. Other devices in which piezoelectric multilayer stacks can be used are also possible. reference numeral 7 label an injector housing, reference numeral 5 indicates the electrical connections to which a DC voltage for generating the stroke is applied and also an AC voltage for heating the piezomehrschichtaktuators 2 can be created. reference numeral 9 indicates one around the piezomehrschichtaktuator 2 trained thermal insulation. reference numeral 11 indicates a mirrored inner wall, which is also designed for thermal insulation. reference numeral 13 denotes a cold fluid that is injected. Examples of cold fluids are for example liquid nitrogen with temperatures of minus 196 ° Celsius or liquid neon of a temperature of minus 246 ° Celsius. reference numeral 15 indicates an axially flexible separation of media, for example, an insulating gas, in a chamber around the piezomehrschichtaktuator 2 is generated around, from a coolant to be injected 13 separates. Constructively, a heating of Piezomehrschichtaktuators 2 be supported by an installation is carried out as possible insulating heat. 3 is an embodiment of a drive for a cryogenic injector. reference numeral 15 For example, it is a conventional bellows expansion tube. This serves for a necessary axially flexible media separation. For example, liquid nitrogen or liquid neon with the same injector according to 3 be introduced. A change between the two coolants is therefore possible without the injector according to 3 replaced or modified. In this way, an uninterrupted operation is possible.

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Regelkreis. Bezugszeichen 17 kennzeichnet den Regler Bezugszeichen 19 die Regelstrecke. Die Regelgröße bzw. der Ist-Wert ist die aktuelle innere Temperatur T eines Piezomehrschichtstapels 1. Diese wird mit einem Soll-Wert S verglichen. Entsprechend regelt der Regler 17 die Regelstrecke 19. 4 shows an embodiment of a control circuit according to the invention. reference numeral 17 indicates the regulator reference number 19 the controlled system. The controlled variable or the actual value is the current internal temperature T of a piezoelectric multilayer stack 1 , This is compared with a desired value S. The controller regulates accordingly 17 the controlled system 19 ,

Claims

Method for operating a piezoelectric multilayer stack as Piezomehrschichtaktuator or as Piezomehrschichtsensor in a cryogenic apparatus, in particular in a cryogenic injector, characterized by controlling an internal temperature of the piezoelectric multilayer stack to a target value within a tolerance range.

Method according to claim 1, characterized by detecting an actual value of the internal temperature by means of a capacitance of the piezoelectric multilayer stack.

A method according to claim 1 or 2, characterized by electric heating of the piezometer layer stack when it falls below an actual value below the target value greater than a legal one Tolerance value.

Method according to claim 3, characterized that the electric heating by applying an alternating voltage to the Piezomehrschichtstapel accomplished becomes.

Method according to claim 4, characterized in that in that the application of the alternating voltage before operation of the piezometer layer stack is provided.

Method according to claim 4 or 5, characterized in that the application of the alternating voltage during operation of the piezoelectric multilayer stack in pauses between individual active phases of the piezoelectric multilayer stack is provided.

Method according to Claim 6, characterized that the piezoelectric multilayer stack is a piezomehrschichtaktuator and Part of a cryogenic injector is and an active phase the duration of an injection is.

Method according to claim 7, characterized in that that the AC voltage has an amplitude smaller than an opening voltage having the piezomehrschichtaktuators of the injector.

Method according to claim 7, characterized in that that the AC voltage has an amplitude greater than an opening voltage of Piezomehrschichtaktuators of the injector and additionally has a the piezomehrschichtaktuator shortening DC voltage applied will be greater or equal a difference between amplitude and opening voltage.

Method according to one of claims 4 to 9, characterized that the frequency of the AC voltage in a high frequency range of 3 MHz to about 300 GHz.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that an external ambient temperature of the piezoresist layer stack in a low temperature region of less than zero Celsius is.

Piezoelectric multilayer stack for carrying out a method according to one of claims 1 to 11, wherein the piezoelectric multilayer stack is a piezomehrschichtaktuator or a Piezomehrschichtsensor and part of a cryogenic apparatus, in particular a cryogenic injector, characterized by an internal temperature of the piezoelectric multilayer stack to a desired value in within a tolerance regulating control loop.

Piezo core layer stack according to claim 12, characterized by an electrically connected to the Piezomehrschichtstapel AC voltage source.

Piezo multi-layer stack according to claim 12 or 13, characterized in that around the Piezomehrschichtstapel around formed a thermal insulation is.

Piezoelectric layer stack according to claim 14, characterized characterized in that the thermal insulation a Vacuum chamber is.

Piezo multi-layer stack according to claim 14 or 15 characterized in that the thermal insulation with a gas filled Chamber, in particular chamber filled with dry air, is.

Piezoelectric multilayer stack according to claim 14, 15 or 16, characterized in that the heat insulation is a mirrored Inner wall is or has.

Piezoelectric layer stack according to one of claims 15 or 16, characterized in that the Piezomehrschichtstapel a Piezo tube layer actuator of an injector and between vacuum or gas on the one hand and an injection fluid on the other axially flexible separation, in particular a bellows-expanding tube, formed is.