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Die Erfindung betrifft einen Ventillinearantrieb zum Anschluss an einen einen Ventilsitz aufweisenden Ventilkörper sowie ein Ventil, insbesondere ein stromlos geschlossenes Ventil, d. h. ein normal geschlossenes Ventil (NC-Ventil).
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Aus dem Stand der Technik sind Ventile zur Steuerung oder Regelung von Fluiden bekannt, die einen Ventilkörper und einen vom Ventilkörper separat ausgebildeten Ventillinearantrieb aufweisen. Der Ventillinearantrieb und der Ventilkörper werden miteinander verbunden, um das Ventil auszubilden.
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Der Ventillinearantrieb weist eine Antriebseinheit auf, beispielsweise einen piezoelektrischen Aktor. Die Antriebseinheit kann über eine im Ventillinearantrieb vorgesehene Betätigungseinrichtung bzw. eine Betätigungsmechanik ein Ventilverschlusselement verstellen. So kann der Ventillinearantrieb das Ventilverschlusselement zumindest in eine Offen- und/oder eine Schließstellung verfahren, bei der das Ventilverschlusselement auf einem im Ventilkörper ausgebildeten Ventilsitz aufliegt und diesen abdichtet, sodass kein Fluid durch das Ventil strömen kann.
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Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass eine Einstelleinrichtung oder eine Einstellmöglichkeit vorgesehen sein kann, mit der eine Längenänderung im Ventillinearantrieb kompensiert werden kann, insbesondere der Betätigungseinrichtung. Die Längenänderung wird durch Temperaturänderungen oder Lebensdauereffekte hervorgerufen, beispielsweise Setzeffekte.
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Es kann eine bestimmte Werkstoffpaarung bei der Betätigungseinrichtung verwendet werden, über die zumindest temperaturbedingte Längenänderungen kompensiert werden können. Hierdurch ist es jedoch nicht möglich, auftretende Lebensdauereffekte zu kompensieren.
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Gemäß einer weiteren Möglichkeit wird eine Spannung angelegt, sofern es sich bei der Antriebseinheit um einen piezoelektrischen Aktor handelt. Hierdurch wird eine Längenänderung im Ventillinearantrieb aktiv hervorgerufen, insbesondere eine Längenänderung des piezoelektrischen Aktors, sodass dieser im Ausgangszustand aus ventilsteuerungstechnischer Sicht eine veränderte Länge hat. Die aktiv eingestellte Längenänderung kompensiert die durch Temperaturänderungen oder Lebensdauereffekte hervorgerufenen Längenänderungen.
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Eine weitere, aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit ist es, ein Spiel bzw. Leerhub vorzusehen, das bzw. der ausgenutzt werden kann, um auf auftretende Längenänderungen der Betätigungseinrichtung zu reagieren und diese zu kompensieren. Ein Leerhub ist derjenige Verstellweg der Betätigungseinrichtung bzw. der Betätigungsmechanik im Ventillinearantrieb, der nicht in eine axiale Bewegung des Ventilverschlusselements umgesetzt wird, weil zunächst das vorhandene Spiel in der Betätigungseinrichtung bzw. der Betätigungsmechanik überwunden werden muss.
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Aus der
DE 10 2010 027 518 A1 ist beispielsweise ein NC-Ventil bekannt, also ein normal geschlossenes Ventil, das einen einstellbaren Leerhub aufweist, der über ein außen angeordnetes Spannelement eingestellt werden kann. Die vom Aktor ausgehende Kraft wird über eine im Ventillinearantrieb vorgesehene Mechanik auf das Ventilverschlusselement übertragen, wobei die Betätigungsmechanik unter anderem Hebeleinrichtungen umfasst, also Umlenkmechaniken.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ventillinearantrieb sowie ein Ventil bereitzustellen, die einfach aufgebaut sind und mit denen ein Leerhub eingestellt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird unter anderem durch einen Ventillinearantrieb zum Anschluss an einen einen Ventilsitz aufweisenden Ventilkörper gelöst, wobei der Ventillinearantrieb ein Antriebsgehäuse, ein Ventilverschlusselement und einen piezoelektrischen Aktor umfasst, der innerhalb des Antriebsgehäuses angeordnet ist, wobei das Ventilverschlusselement über den piezoelektrischen Aktor und eine zwischengeschaltete Betätigungseinrichtung zwischen einer Offen- und einer Schließstellung in axialer Richtung verstellbar ist, wobei der piezoelektrische Aktor über seine zum Ventilverschlusselement gerichtete Seite an der Betätigungseinrichtung abgestützt ist, und wobei der Ventillinearantrieb eine Einstelleinrichtung umfasst, die derart ausgebildet ist, dass ein Leerhub des Ventillinearantriebs einstellbar ist.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist es, den mechanischen Aufbau des Ventillinearantriebs für das NC-Ventil zu vereinfachen, indem der piezoelektrische Aktor auf der zum Ventilverschlusselement gerichteten Seite der Betätigungseinrichtung abgestützt ist. Hierdurch wird ein Lager für den piezoelektrischen Aktor am unteren Ende des piezoelektrischen Aktors geschaffen, also an der zum Ventilverschlusselement gerichteten Seite. Das andere Ende des piezoelektrischen Aktors ist demnach ein freies Ende, was sich bei einer veränderten Spannung des piezoelektrischen Aktors entsprechend axial verstellt, und zwar vom Ventilverschlusselement weg. An diesem freien Ende des piezoelektrischen Aktors kann in einfacher Weise die Betätigungsmechanik bzw. Betätigungseinrichtung angeordnet werden, die dann eine Zugkraft auf das Ventilverschlusselement überträgt, sofern sich der piezoelektrische Aktor ausdehnt. Die Betätigungseinrichtung des Ventillinearantriebs, die benötigt wird, um die vom piezoelektrischen Aktor ausgehende Kraft an das Ventilverschlusselement zu übertragen, vereinfacht sich entsprechend. Eine in der Betätigungsmechanik bzw. Betätigungseinrichtung vorgesehene, kompliziert ausgebildete Hebelwirkung kann entfallen, die die Kraftrichtung umkehrt. Die Einstellung des Leerhubs kann insbesondere nur einmalig bei der Montage des Ventils erfolgen.
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Über die Einstelleinrichtung ist ferner sichergestellt, dass der Leerhub in der Betätigungseinrichtung eingestellt werden kann, wodurch auf nicht zu verhindernde Längenänderungen in der Betätigungsmechanik des Ventillinearantriebs reagiert werden kann, die beispielsweise aufgrund von Lebensdauer- bzw. Temperatureffekten hervorgerufen werden. Der Leerhub wird entsprechend an die auftretenden Längenänderungen angepasst, sodass diese kompensiert werden können und keinen Einfluss auf das Öffnungs- oder Schließverhalten des Ventillinearantriebs haben.
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Ein Aspekt sieht vor, dass die Betätigungseinrichtung ein Mitnahmeelement und ein Zugstück umfasst, insbesondere wobei zwischen dem Mitnahmeelement und dem Zugstück ein Spiel über die Einstelleinrichtung einstellbar ist, das dem Leerhub entspricht. Die Betätigungseinrichtung ist demnach mehrteilig ausgebildet, wobei zwei Teile vorgesehen sind, die nicht starr miteinander verbunden sind. Demnach sind das Mitnahmeelement und das Zugstück generell relativ zueinander beweglich. Die Einstelleinrichtung wirkt entsprechend mit der Betätigungseinrichtung zusammen, um das zwischen dem Mitnahmeelement und dem Zugstück vorgesehene Spiel zu verändern, wenn dies nötig ist.
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Das Mitnahmeelement ist vorzugsweise mit dem piezoelektrischen Aktor gekoppelt und nimmt das Zugstück mit, wenn der piezoelektrische Aktor eine Zugkraft auf das Mitnahmeelement überträgt, also eine vom Ventilverschlusselement weggerichtete Kraft. Das Zugstück ist wiederum mit dem Ventilverschlusselement gekoppelt und zieht dieses dann aus seiner Schließstellung in Richtung Offenstellung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Einstelleinrichtung eine axial verstellbare Zughülse, die den piezoelektrischen Aktor zumindest teilweise umgibt und Teil der Betätigungseinrichtung ist, insbesondere fest mit dem Mitnahmeelement der Betätigungseinrichtung gekoppelt ist. Der piezoelektrische Aktor wird von der Zughülse im Ventillinearantrieb zusätzlich mechanisch geschützt. Darüber hinaus stellt die konzentrische Anordnung sicher, dass die vom piezoelektrischen Aktor ausgehenden Kräfte in homogener Weise über die Zughülse übertragen werden.
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Die Zughülse ist sowohl Teil der Einstelleinrichtung als auch Teil der Betätigungseinrichtung. Dementsprechend wird eine an der Einstelleinrichtung vorgesehene Änderung über die Zughülse auf das Mitnahmeelement übertragen, sodass das Spiel zwischen dem Mitnahmeelement und dem Zugstück verändert wird, was eine Änderung bzw. Einstellung des Leerhubs des Ventillinearantriebs zur Folge hat.
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Das Mitnahmeelement und die Zughülse können einstückig zusammen ausgebildet sein, sodass eine Zugmitnahmehülse gebildet ist, die mit dem freien Ende des piezoelektrischen Aktor gekoppelt ist und direkt mit dem Zugstück zusammenwirkt.
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Die Zughülse ist zudem mit einem axialen Ende des piezoelektrischen Aktors gekoppelt, insbesondere mit dem vom Ventilverschlusselement wegweisenden Ende des piezoelektrischen Aktors. Hierbei handelt es sich um das nicht fixierte Ende des piezoelektrischen Aktors, über das eine Längenänderung übertragen wird, wenn der piezoelektrische Aktor entsprechend angesteuert wird. Dieses axiale Ende kann auch als freies Ende des piezoelektrischen Aktors bezeichnet werden.
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Bei einer Veränderung der Länge des piezoelektrischen Aktors wird die Zughülse verstellt und wirkt auf das Mitnahmeelement der Betätigungseinrichtung, wodurch wiederum das Ventilverschlusselement verstellt wird. Sofern der piezoelektrische Aktor aufgrund einer entsprechenden Ansteuerung seine Länge verändert, bewegt sich die mit dem Aktor gekoppelte Zughülse also mit. Dabei zieht die Zughülse an dem mit der Zughülse gekoppelten Mitnahmeelement, das das Zugstück mitnimmt, sofern das zwischen dem Mitnahmeelement und der Zughülse vorgesehene und einstellbare Spiel überwunden wurde, also der Leerhub.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Betätigungseinrichtung ein mit dem piezoelektrischen Aktor direkt gekoppeltes Lagerelement auf, an dem sich der piezoelektrische Aktor abstützt, insbesondere wobei das Lagerelement fest im Antriebsgehäuse gelagert ist. Das Lagerelement stellt demnach das Lager des piezoelektrischen Aktors im Ventillinearantrieb dar, über den sich der piezoelektrische Aktor mit seinem fixierten Ende bzw. Lagerende abstützen kann. Da das Lagerelement fest im Antriebsgehäuse gelagert ist, ist sichergestellt, dass der piezoelektrische Aktor an dieser Seite fest in Bezug zum Ventillinearantrieb gelagert ist.
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Insbesondere weist die Zughülse wenigstens eine Aussparrung auf, durch die sich das Lagerelement erstreckt. Hierdurch ist sichergestellt, dass sich die Zughülse in axialer Richtung verstellen lässt, wenn beispielsweise der Leerhub bzw. das Spiel verändert wird bzw. das Ventil generell in eine andere Stellung verstellt wird. Die Zughülse kann auch zwei separate Aussparungen aufweisen, durch die sich entsprechende Schenkel des Lagerelements erstrecken, um sich am Antriebsgehäuse abzustützen.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Betätigungseinrichtung ein Federsystem umfasst, über das der piezoelektrische Aktor vorgespannt ist, insbesondere wobei das Federsystem sich mit einer Seite am Lagerelement abstützt, vorzugsweise auf der zum piezoelektrischen Aktor entgegengesetzten Seite des Lagerelements. Das Federsystem drückt das Mitnahmeelement in Richtung Ventilverschlusselement, wodurch die mit dem Mitnahmeelement gekoppelte Zughülse in Richtung Ventilverschlusselement gezogen wird. Die Zughülse spannt dadurch das freie axiale Ende des piezoelektrischen Aktors vor, da das freie axiale Ende des piezoelektrischen Aktors von der Zughülse in Richtung Ventilverschlusselement gedrückt wird.
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Darüber hinaus kann eine Schließfeder vorgesehen sein, die sich am Antriebsgehäuse abstützt und das Ventilverschlusselement vom piezoelektrischen Aktor weg beaufschlagt, sodass das Ventilverschlusselement bei einem angeschlossenen Ventilkörper auf den Ventilsitz gedrückt wird, sofern am piezoelektrischen Aktor keine Spannung anliegt. Dadurch ist das NC-Ventil ausgebildet.
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Insbesondere überträgt der piezoelektrische Aktor in der Schließstellung keine Kraft auf das Ventilverschlusselement. Dementsprechend handelt es sich bei dem Ventillinearantrieb um einen Antrieb für ein NC-Ventil, da in der Schließstellung keine Kräfte vom piezoelektrischen Aktor ausgehen. Nur wenn das Ventilverschlusselement aus der Schließstellung in Richtung Offenstellung verstellt wird, wird über den piezoelektrischen Aktor eine Kraft übertragen, die das Ventilverschlusselement aus der Schließstellung verstellt.
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Das Ventilverschlusselement kann einen Dichtabschnitt und einen Membranabschnitt umfassen, die insbesondere einteilig miteinander ausgebildet sind. Der Dichtabschnitt dient dazu, einen Zuflusskanal oder einen Abflusskanal im Ventilkörper abzudichten, sofern der Ventillinearantrieb mit dem Ventilkörper gekoppelt ist, um das Ventil auszubilden. Über den zumindest einen Membranabschnitt ist sichergestellt, dass weitere Strömungsräume entsprechend abgedichtet sind, wie ein Sammelraum.
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Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch ein Ventil gelöst, insbesondere ein NC-Ventil, das einen Ventilantrieb der zuvor genannten Art aufweist. Die entsprechenden Vorteile des Ventillinearantriebs, die zuvor genannt worden sind, gelten in analoger Weise für das Ventil.
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Insbesondere weist das Ventil einen Ventilkörper auf, der zumindest einen Zuflusskanal, zumindest einen Abflusskanal und/oder zumindest einen Sammelraum umfasst. Die entsprechenden Kanäle und Räume werden über das Ventilverschlusselement in der Schließstellung abgedichtet. Hierzu weist das Ventilverschlusselement entsprechend den Dichtabschnitt und/oder den Membranabschnitt auf.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ventils,
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2 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Ventils gemäß 1,
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3 eine Detailansicht der 2, wobei sich der Ventillinearantrieb in der Schließstellung befindet,
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4 den Ausschnitt der 3, wobei sich der Ventillinearantrieb in Richtung Offenstellung bewegt, und
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5 eine weitere Detailansicht der 2, die eine Einstelleinrichtung des Ventillinearantriebs zeigt.
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In den 1 und 2 ist ein Ventil 10 gezeigt, das zur Steuerung oder Regelung von Fluiden eingesetzt wird. Das Ventil 10 ist in der gezeigten Ausführungsform zweiteilig aufgebaut und umfasst einen Ventilkörper 12 und einen daran gekoppelten Ventillinearantrieb 14.
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Der Ventilkörper 12 weist einen Fluideingang 16 auf, über den dem Ventil 10 ein zu steuerndes oder zu regelndes Fluid zugeführt wird. Zudem weist der Ventilkörper 12 einen Fluidausgang 18 auf, über den das Fluid das Ventil 10 verlassen kann.
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Im Ventilkörper 12 ist ferner ein Zuflusskanal 20 ausgebildet, der mit dem Fluideingang 16 in Strömungsverbindung steht. Der Zuflusskanal 20 mündet in einen Sammelraum 22, der wiederum mit zwei Abflusskanälen 24 in Strömungsverbindung steht, die in den Fluidausgang 18 münden.
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Der Ventilkörper 12 ist insbesondere aus einem nichtrostenden Material ausgebildet. Insbesondere die Innenseiten der fluidführenden Kanäle und Räume sind aus nichtrostendem Material.
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Dem Zuflusskanal 20 ist zudem ein Ventilsitz 26 (siehe 3) zugeordnet, mit dem ein Ventilverschlusselement 28 des Ventillinearantriebs 14 zusammenwirkt, um den Durchfluss durch das Ventil 10 zu steuern bzw. zu regeln, wie nachfolgend noch erläutert wird. Zudem dichtet das Ventilverschlusselement 28 den fluidischen Teil des Ventils 10, der im Ventilkörper 12 ausgebildet ist, vom Ventillinearantrieb 14 ab. Das Ventilverschlusselement 28 stellt demnach gleichzeitig eine Dichtbarriere dar und ist in der dargestellten Ausführungsform eine Membrane.
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Aus den 1 und 2 geht ferner hervor, dass der Sammelraum 22 sowie der Ventilsitz 26 in einem vom Grundkörper des Ventilkörpers 12 abstehenden Flanschabschnitt 30 ausgebildet sind, an den der Ventillinearantrieb 14 mit einem axialen Ende gekoppelt ist.
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Der Ventillinearantrieb 14 weist ein mehrteiliges Antriebsgehäuse 31 mit einem topfförmigen Unterteil 31a und einem hülsenförmigen, darauf aufgesetzten Oberteil 31b auf. In dem Antriebsgehäuse 31 ist ein als Stapelaktor ausgebildeter piezoelektrischer Aktor 32 vorgesehen, der mit einer Betätigungseinrichtung 34 zusammenwirkt. Das Unterteil 31a hat einen Boden 35, der das Verschlusselement 28 zwischen sich und dem Ventilkörper 12 klemmt oder nur haltert. Das Unterteil 31a definiert einen Aufnahmeraum zusammen mit dem Oberteil 31b, in dem der Aktor 32 und die Betätigungseinrichtung 34 untergebracht sind.
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Eine Längenänderung des piezoelektrischen Aktors 32 wird über die Betätigungseinrichtung 34 an das Ventilverschlusselement 28 übertragen, wodurch sich dieses zwischen einer Offen- und einer Schließstellung in axialer Richtung verstellen lässt. Dementsprechend kann die Betätigungseinrichtung 34 auch als eine Betätigungsmechanik bezeichnet werden.
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Zudem umfasst die Betätigungseinrichtung 34 eine Zughülse 36, die mit dem piezoelektrischen Aktor 32 über ein axiales oberes Ende des piezoelektrischen Aktors 32 gekoppelt ist. Hierbei handelt es sich um das axiale Ende des piezoelektrischen Aktors 32, welches vom Ventilverschlusselement 28 bzw. dem Ventilkörper 12 weggewandt ist und zudem beweglich im Antriebsgehäuse 31 ist. Dieses axiale Ende wird auch als freies Ende des piezoelektrischen Aktors 32 bezeichnet.
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Mit der Zughülse 36 ist ferner ein Mitnahmeelement 38 gekoppelt, das ebenfalls Teil der Betätigungseinrichtung 34 ist. Dementsprechend ist das Mitnahmeelement 38 fest mit dem piezoelektrischen Aktor 32 gekoppelt, nämlich über die Zughülse 36.
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Alternativ können die Zughülse 36 und das Mitnahmeelement 38 auch einteilig miteinander ausgebildet sein, sodass sie eine Zugmitnahmehülse ausbilden.
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Des Weiteren umfasst die Betätigungseinrichtung 34 ein Zugstück 40, welches mit dem Ventilverschlusselement 28 fest verbunden ist. Beispielsweise kann das Zugstück 40 ein Gewinde aufweisen, über das das Zugstück 40 in das Ventilverschlusselement 28 eingeschraubt ist. Das Ventilverschlusselement 28 weist entsprechend einen z. B. hülsenförmigen Befestigungsabschnitt 42 auf, der ein korrespondierendes Gegengewinde hat, in das das Zugstück 40 über sein Gewinde eingreift.
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Die Betätigungseinrichtung 34 weist ferner ein auf einem Absatz des Unterteils 31a sitzendes Lagerelement 44 auf, an dem wiederum der piezoelektrische Aktor 32 über sein zum Ventilverschlusselement 28 gerichtetes Ende abgestützt ist. Dieses Ende kann auch als Lagerende, fixiertes Ende oder fest gelagertes Ende des piezoelektrischen Aktors 32 bezeichnet werden.
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Der piezoelektrische Aktor 32 weist somit ein fest gelagertes axiales Ende, das am Lagerelement 44 abgestützt ist, sowie ein freies axiales Ende auf, das axial beweglich im Antriebsgehäuse 31 vorgesehen ist und mit dem die Zughülse 36 fest gekoppelt ist, sodass die Bewegung des piezoelektrischen Aktors 32 auf die Zughülse 36 übertragen wird.
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Das Lagerelement 44 ist fest auf einem Absatz des Unterteils 31a gelagert, sodass das Lagerelement 44 unbeweglich im Antriebsgehäuse 31 angeordnet ist.
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Wie insbesondere aus den 2 bis 4 hervorgeht, erstrecken sich seitliche Schenkel 45 des Lagerelements 44 durch die Zughülse 36 hindurch, um im Antriebsgehäuse 31 gelagert zu sein. Die Zughülse 36 weist hierzu zumindest eine entsprechende Aussparung 46 auf, vorzugsweise zwei sich gegenüberliegende Aussparungen, durch die das Lagerelement 44 mit zwei entsprechenden Schenkeln 45 hindurchgreift.
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Des Weiteren geht aus den Figuren hervor, dass sich am Lagerelement 44 auf der zum piezoelektrischen Aktor 32 entgegengesetzten Seite ein Federsystem 48 (hier ein Tellerfederpaket) abstützt, das gegen das Mitnahmeelement 38 drückt und dieses entsprechend in Richtung zum Ventilverschlusselement 28 kraftbeaufschlagt. Hierdurch wird eine Vorspannung des piezoelektrischen Aktors 32 erreicht.
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Die vom Federsystem 48 ausgehende Federkraft wird über das Mitnahmeelement 38 sowie die daran befestigte Zughülse 36 an den piezoelektrischen Aktor 32 übertragen, dessen freies axiales Ende entsprechend gegen das Lagerelement 44 gedrückt wird, wodurch die Vorspannung im piezoelektrischen Aktor 32 erzeugt wird.
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Zusätzlich zum Federsystem 48 ist eine Schließfeder 50 vorgesehen, die sich am Boden 35 abstützt und das Ventilverschlusselement 28 in Richtung Schließstellung beaufschlagt, also in Richtung des Ventilsitzes 26.
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Das Ventilverschlusselement 28 weist zudem in Verlängerung des Befestigungsabschnitts 42 einen Dichtabschnitt 52 auf, der dem Zuflusskanal 20 bzw. dem Ventilsitz 26 zugeordnet ist. Der Dichtabschnitt 52 ist auf der entgegengesetzten Seite des Befestigungsabschnitts 42 vorgesehen und drückt im geschlossenen Zustand gegen den Ventilsitz 26.
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Darüber hinaus weist das Ventilverschlusselement einen Membranabschnitt 54 auf, welcher dem Sammelraum 22 zugeordnet ist und diesen in der Schließstellung abdichtet.
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Aus den 2 und 5 geht ferner hervor, dass der Ventillinearantrieb 14 eine Einstelleinrichtung 56 umfasst, über die die relative Position der Zughülse 36 zum piezoelektrischen Antrieb 32 eingestellt werden kann. Die Einstelleinrichtung 56 umfasst ein Halterungselement 58, das mit der Zughülse 36 gekoppelt (eingeschraubt) ist. In ein zentrisches Innengewinde des Halterungselements 58 ist eine Einstellschraube 60 eingedreht, die gegen ein auf dem oberen Ende des Aktors 32 aufliegendes Lagerteil 59 drückt. Eine zentrische Vertiefung am Lagerteil 59 zentriert dieses zum konvexen Ende der Einstellschraube 60.
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Dementsprechend ist die Zughülse 36 gleichzeitig Teil der Einstelleinrichtung 56 sowie Teil der Betätigungseinrichtung 34. In analoger Weise sind auch das Halterungselement 58 und die Einstellschraube 60 gleichzeitig Teil der Einstelleinrichtung 56 sowie Teil der Betätigungseinrichtung 34, da die vom piezoelektrischen Antrieb 32 ausgehende Kraft auf die Einstelleinrichtung 56 und die damit verbundene Zughülse 36 übertragen wird.
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Dies ergibt sich aus der Funktionsweise des Ventils 10 sowie der Funktion der Einstelleinrichtung 56, die nachfolgend erläutert wird. Hierzu wird insbesondere auf die 3 bis 5 eingegangen.
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Bei dem Ventil 10 handelt es sich um ein normal geschlossenes Ventil, also ein NC-Ventil. Dies bedeutet, dass sich das Ventilverschlusselement 28 in seiner Schließstellung befindet, wenn am piezoelektrischen Aktor 32 keine Spannung anliegt. Diese Schließstellung ist in 3 gezeigt.
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Aus der in 3 gezeigten Schließstellung geht insbesondere hervor, dass zwischen dem Mitnahmeelement 38 und dem Zugstück 40 ein axiales Spiel S vorliegt. Das Mitnahmeelement 38 und das Zugstück 40 sind demnach nicht starr miteinander verbunden.
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In der Schließstellung befindet sich der piezoelektrische Aktor 32 in seiner Ausgangsstellung, weswegen die Zughülse 36 in ihrer, in Axialrichtung gesehen, tiefsten Stellung ist. Dementsprechend befindet sich auch das mit der Zughülse 36 gekoppelte Mitnahmeelement 38 in seiner, axial gesehen, tiefsten Stellung, wodurch das entsprechende Spiel S zwischen dem Mitnahmeelement 38 und dem Zugstück 40 entsteht. Das Zugstück 40 kann, axial gesehen, nicht tiefer sein, da das mit dem Zugstück 40 gekoppelte Ventilverschlusselement 28 auf dem Ventilsitz 26 aufliegt.
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Sofern der Ventillinearantrieb 14 von der in 3 gezeigten Stellung in die Offenstellung verstellt wird, dehnt sich der piezoelektrische Aktor 32 mit seinem freien Ende in die zum Ventilverschlusselement 28 entgegengesetzte Richtung aus, also mit dem Ende, an dem die Zughülse 36 befestigt ist.
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Hierbei wird die Zughülse 36 vom piezoelektrischen Aktor 32 vom Ventilverschlusselement 28 wegbewegt, sodass eine Zugkraft über die Zughülse 36 auf das Mitnahmeelement 38 ausgeübt wird. Das Mitnahmeelement 38 bewegt sich entsprechend ebenfalls vom Ventilverschlusselement 28 weg, wodurch das zwischen dem Mitnahmeelement 38 und dem Zugstück 40 vorgesehene Spiel S zunächst verringert wird, bis das Mitnahmeelement 38 am Zugstück 40 anliegt, was in 4 gezeigt ist. Hierbei entsteht zumindest in axialer Richtung ein Formschluss zwischen dem Mitnahmeelement 38 und dem Zugstück 40.
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Das zwischen dem Mitnahmeelement 38 und dem Zugstück 40 vorgesehene Spiel S entspricht demnach einem geringen Leerhub des Ventillinearantriebs 14, da die vom Ventillinearantrieb 14, insbesondere dem piezoelektrischen Aktor 32, erzeugte axiale Bewegung, um das Spiel S zu schließen, keinen Einfluss auf das Ventilverschlusselement 28 hat. Dies verharrt nach wie vor in seiner Schließstellung.
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Ab Kontakt des Mitnahmeelements 38 mit dem Zugstück 40 wird jedoch vom Mitnahmeelement 38 eine Kraft auf das Zugstück 40 übertragen, sofern sich der piezoelektrische Aktor 32 weiter ausdehnt, wodurch das Zugstück 40 am Ventilverschlusselement 28 zieht, sodass das Ventilverschlusselement 28 vom Ventilsitz 26 gezogen wird, insbesondere im Bereich des Dichtabschnitts 52.
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Das Ventil 10 öffnet sich dann entsprechend, und ein Fluidfluss zwischen dem Zuflusskanal 20 und Abflusskanal 24 wird ermöglicht bzw. zwischen dem Fluideingang 16 und dem Fluidausgang 18.
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Die vom piezoelektrischen Aktor 32 ausgehende Kraft ist dementsprechend größer als die Federkraft der Schließfeder 50 und die Federkraft des Federsystems 48, sodass das Ventilverschlusselement 28 entgegen der Federkräfte des Federsystems 48 und der Schließfeder 50 verstellt werden kann.
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Eine komplizierte Richtungsumkehrung der vom piezoelektrischen Aktor 32 ausgehenden Kraft findet demnach in der Betätigungseinrichtung 34 nicht statt, da die Zughülse 36, das Mitnahmeelement 38 sowie das Zugstück 40 allesamt in dieselbe Richtung bewegt werden, sofern das Ventil 10 geöffnet werden soll.
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Um das Ventil 10 aus seiner geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung zu überführen, wird der piezoelektrische Aktor 32 einfach stromlos geschalten bzw. wird die zuvor angelegte Spannung nicht mehr angelegt. Dadurch kehrt der piezoelektrische Aktor 32 in seine ventilsteuerungstechnische Ausgangsposition zurück. Die Federkraft der Schließfeder 50 drückt das Ventilverschlusselement 28 auf den Ventilsitz 26. Hieraus geht anschaulich hervor, dass es sich bei dem Ventil 10 um ein normal schließendes Ventil handelt.
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Sofern das Spiel S zwischen dem Mitnahmeelement 38 und dem Zugstück 40 zu klein oder zu groß ist, was aufgrund von Längenänderungen in der Betätigungsmechanik geschehen kann, die temperaturbedingt oder lebensdauerbedingt sind, kann das entsprechende Spiel S und somit der Leerhub des Ventillinearantriebs 14 über die Einstelleinrichtung 56 eingestellt werden. Ein gewisser Leerhub ist auch deshalb nötig, weil alle in Reihe gekoppelten Teile Herstellungstoleranzen unterliegen und es nicht vorkommen darf, dass das Zugelement 40 zu früh am Mitnahmeelement 38 anliegt und das Verschlusselement 28 den Ventilsitz nicht erreichen kann.
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Zur Einstellung des Spiels S wird das Schraubelement 58 der Einstelleinrichtung 56 betätigt, insbesondere manuell, wodurch sich die relative Position der Zughülse 36 zum piezoelektrischen Aktor 32 verändert, insbesondere zum freien axialen Ende des piezoelektrischen Aktors 32.
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Die Zughülse 36 wird hierdurch in Bezug auf den piezoelektrischen Aktor 32 axial verstellt, wodurch das mit der Zughülse 36 gekoppelte Mitnahmeelement 38 ebenfalls axial verstellt wird. Das Spiel S zwischen dem Mitnahmeelement 38 und dem Zugstück 40 ändert sich dementsprechend, da das Zugstück 40 nicht fest mit dem Mitnahmeelement 38 gekoppelt ist.
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Der Zugang zur Einstelleinrichtung 56 ist über das Antriebsgehäuse 31 in einfacher Weise möglich, da das Antriebsgehäuse 31 beispielsweise ein Deckelelement 61 umfasst, welches vom Rest des Antriebsgehäuses 31 entfernt werden kann.
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Die zur elektrischen Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 32 benötigten elektrischen Kabel 62 können ebenfalls in einfacher Weise durch das Deckelelement 61 geführt werden.
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Nachdem der Ventillinearantrieb 14 mit dem Ventilkörper 12 gekoppelt worden ist, können der Flanschabschnitt 30 und die seitlichen Wände des Ventilverschlusselements 28 insbesondere miteinander verschweißt werden, um das Ventil 10 hermetisch abzudichten.
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Das Spiel S bzw. der Leerhub kann insbesondere lediglich einmalig bei der Montage des Ventils 10 eingestellt werden; beispielsweise wenn der Ventilkörper 12 mit dem Ventillinearantrieb 14 gekoppelt wird.
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Generell ist somit ein Ventillinearantrieb 14 und ein normal schließendes Ventil 10 geschaffen, das einfach aufgebaut ist und dennoch die Möglichkeit bereitstellt, das in der Betätigungseinrichtung 34 vorhandene Spiel S einzustellen, um auf temperaturbedingte bzw. lebensdauerbedingte Änderungen oder herstellungsbedingte Toleranzen zu reagieren bzw. diese zu kompensieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010027518 A1 [0008]
