DE19714045A1 - Piezoelektrisches Fluidventil mit Druckausgleich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisch betätigtes Fluidventil mit einem Gehäuse, einer Ventilkammer, einem balkenförmigen, piezoelektrischen Biegewandler und einem Ventilkörper, wobei die Ventilkammer über je einem im Gehäuse ausgebildeten Zufuhr- und Abfuhrkanal mit äußeren Anschlüssen verbunden ist, eine der beiden kammerseitigen Kanalmündungen eine gehäusefeste Ventilplatte mit Ventilsitz aufweist, der Biegewandler mit einem Ende im Gehäuse biegefest eingespannt und mit dem anderen Ende mit dem hinteren Ende des Ventilstößels verbunden ist und wobei der Ventilstößel über einen Teil seiner Längserstreckung im Gehäuse geführt ist und einen mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilkörper besitzt.

Derartige Ventile werden beispielsweise in hydraulischen Bremssystemen eingesetzt, um die Verbindung vom Haupt- Bremszylinder zu dem Bremszylinder an den Rädern bzw. von den Bremszylindern an den Rädern zur Niederdruckseite des Systems in schneller Folge zu öffnen und zu schließen, um die Bremswirkung an den einzelnen Rädern zu steuern. Die Schaltung der Ventile erfolgt durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Biegewandler, wodurch endseitig eine Auslenkung erzeugt wird, die über den Ventilstößel zum Öffnen bzw. Schließen des Strömungsquerschnitts zwischen Ventilsitz und Ventilkörper ausgenutzt werden kann. Dabei kann der piezoelektrische Biegewandler in an sich bekannter Weise zur Auslegung von spannungslos offenen wie auch spannungslos geschlossenen Fluidventilen verwendet werden.

Das Ausschalten kann passiv über einen parallel geschalteten Entladewiderstand erfolgen oder aktiv durch Anlegen einer Gegenspannung, womit die Schaltfrequenz erhöht werden kann.

Ein Fluidventil der eingangs genannten Art ist in der DE-A- 196 44 564.7 (noch nicht veröffentlicht) beschrieben. Es ist eine Weiterbildung bekannter piezoelektrisch betätigter Fluidventile, wobei man bestrebt war, im Rahmen der zulässigen Steuerspannungen und der vorgegebenen Abmessung erhöht Dichtigkeitsanforderungen zu befriedigen und stärkere Schließkräfte zu realisieren, indem der den Ventilkörper tragende Ventilstößel mit einer freien Stirnfläche ausgestattet und im Ventilgehäuse abdichtend so geführt wird, daß der auf den Ventilkörper wirkende Fluiddruck kompensiert wird. Dadurch erreicht man, daß die piezoelektrisch erzeugten Ventilstellkräfte vollständig für das Schließen bzw. Öffnen des Fluidventils zur Verfügung stehen und nicht in erheblichem Umfang zur Überwindung des Fluiddrucks verbraucht werden.

Zur konstruktiven Realisierung des Druckausgleichs ist bei dem vorbeschriebenen Fluidventil vorgesehen, daß die Ventilkammer über zwei getrennte Kanäle mit äußeren Anschlußstellen verbunden ist. Der erste Kanal ist außerdem noch über einen Querkanal mit einer äußeren Anschlußstelle verbunden. Die kammerseitige Mündung des ersten Kanals weist einen Ventilsitz auf, der mit einem Ventilkörper zusammenwirkt, der an einem Ventilstößel ausgebildet ist, dessen hinteres Ende mit dem Biegewandler verbunden ist und dessen vorderes Ende im Gehäuse geführt ist. Im Bereich der äußeren Mündung des ersten Kanals ist zwischen dem Gehäuse und dem geführten Ende des Ventilstößels eine Dichtung wirksam, wobei die Stirnfläche des Ventilstößels in einem Raum liegt, der den gleichen Druck aufweist wie der zweite Kanal. Zwischen Ventilkörper und im Gehäuse abdichtend geführten Endteil des Ventilstößels erstreckt sich der Teil des ersten Kanals, in den der Querkanal mündet.

Bei dieser vorbeschriebenen konstruktiven Ausführung wird der angestrebte Druckausgleich mit erheblichen Schwierigkeiten bei der Herstellung und Montage erkauft. Für einen vollständigen Druckausgleich muß die Druckausgleichsfläche möglichst genau dem durch den Ventilsitz definierten Strömungsquerschnitt entsprechen. Das bedeutet einmal, daß die Druckausgleichsfläche fertigungstechnisch genau auf den Ventilsitz abgestimmt werden muß. Zum anderen kann das Ventil bei dieser Realisierung nur von oben montiert werden, d. h. der im Gehäuse abdichtend geführte Teil des Ventilstößels muß durch den Ventilsitz hindurchgeführt werden. Dabei ergibt sich das Problem, daß die Druckausgleichsfläche einerseits zwangsläufig etwas kleiner sein muß als die Querschnittsfläche am Ventilsitz (unvollständiger Druckausgleich) und daß andererseits bei der Montage große Sorgfalt aufgewendet werden muß, damit der Ventilsitz beim Hindurchführen des Stößelendes nicht beschädigt wird.

Es besteht somit die Aufgabe, das vorbeschriebene Fluidventil so weiterzubilden, daß sowohl vollständiger Druckausgleich erreicht als auch die Montage erleichtert werden kann. Dabei soll der bisher erforderliche fertigungstechnische Aufwand den wirtschaftlich vertretbaren Rahmen nicht sprengen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß am Ventilstößel - vom Ventilsitz aus gesehen - axial hintereinander der Ventilkörper, der Führungsbereich und die Druckausgleichsfläche ausgebildet sind.

Dem liegt die Erwägung zugrunde, daß man die vorgenannten Schwierigkeiten vermeiden kann, wenn man die drei für den Druckausgleich maßgeblichen Elemente des Ventilstößels in Strömungsrichtung gesehen alle entweder vor oder nach dem Ventilsitz anordnet. Dabei muß man bei einem zur Ventilkammer hin ausgerichteten Ventilsitz keinen Teil des Ventilstößels durch den Ventilsitz hindurchführen, womit eine Beschädigung des Ventilsitzes weitgehend ausgeschlossen ist. Bei einem zum Kanal hin ausgerichteten Ventilsitz muß nur ein im Querschnitt deutlich kleiner ausführbares Verbindungsstück des Ventilstößels durch den Ventilsitz hindurchgeführt werden, wobei auch hier eine Beschädigungsgefahr praktisch ausgeschlossen werden kann. Damit ist es also möglich, den angestrebten vollständigen Druckausgleich zu erreichen, ohne daß die Montage über das bei derartigen Ventilen übliche Maß hinaus kompliziert wird.

Der Erfindungsgedanke kann sowohl bei spannungslos offenen wie auch bei spannungslos geschlossenen Fluidventilen realisiert werden und erlaubt eine Vielzahl konstruktiver Ausführungsformen. Besonders vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2-14 beschrieben.

Weitere Einzelheiten werden anhand der in den Fig. 1-4 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein spannungslos offenes Fluidventil gemäß der Erfindung mit zur Ventilkammer hin weisenden Ventilsitz.

Fig. 2 zeigt ein spannungslos geschlossenes Fluidventil mit zur Ventilkammer hin weisenden Ventilsitz.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein spannungslos offenes Fluidventil mit einem zum Kanal hin weisenden Ventilsitz.

Fig. 4 zeigt ein spannungslos geschlossenes Fluidventil mit zum Kanal hin weisenden Ventilsitz.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist ein balkenförmiger, piezoelektrischer Biegewandler 3 mit einem Ende in einem dreiteiligen Gehäuse 1 biegefest eingespannt und an seinem anderen Ende zur Übertragung der Stellkraft mit einem Ventilstößel 4 verbunden. Das Gehäuse bildet eine von einer Zwischenwand 12 unterteilte Ventilkammer, mit dem ersten Teil 2a und dem zweiten Teil 2b. Außerdem ist im Gehäuse ein Zufuhrkanal 5 und ein Abfuhrkanal 6 ausgebildet. Zwischen Zufuhrkanal 5 und erstem Teil 2a der Ventilkammer ist eine gehäusefeste Ventilplatte 7 vorgesehen, mit der ein am Ventilstößel 4 ausgebildeter Ventilkörper 10 zusammenwirkt. Im Ventilstößel ist ein Druckausgleichskanal 13 vorgesehen, der den Zufuhrkanal 5 im Bereich des Ventilsitzes mit dem zweiten Teil 2b der Ventilkammer verbindet, so daß gewährleistet ist, daß dieser zweite Teil 2b der Ventilkammer, in dem sich der Biegewandler und das hintere Ende 8 des Ventilstößels mit der Druckausgleichsfläche 11 befindet, stets den gleichen Druck aufweist wie im Zufuhrkanal. Auf diese Weise sind die auf den Stößel wirkenden Kräfte infolge des Drucks im Zufuhrkanal 5 kompensiert, so daß die vom Biegewandler 3 erzeugte Stellkraft voll zum Schließen des Ventils genutzt werden kann.

Unterhalb der Zwischenwand 12 bzw. des Führungsbereichs 9 ist eine Teflondichtung 14 angeordnet, die mit einer Druckfeder 16 beaufschlagt wird, die sich an einer gehäusefesten Platte 15 abstützt. Der Druckausgleichskanal 13 im Ventilstößel erstreckt sich aus fertigungstechnischen Gründen nur über etwa die halbe Länge des Ventilstößels 4, der oberhalb der Teflondichtung 14 eine unterhalb der Platte 15 mündende Querbohrung aufweist. Diese Platte 15 weist eine Bohrung auf, die wesentlich größer ist als der Durchmesser des Ventilstößels 4, so daß die Druckausgleichsverbindung zum zweiten Teil 2b der Ventilkammer sichergestellt ist.

Der piezoelektrische Biegewandler 3 besitzt nach außen geführte, nicht bezeichnete elektrische Anschlüsse für seine Ansteuerung.

In der Ventilplatte 7 ist noch ein Nebendurchgang 17 mit Rückschlagventil 19 vorgesehen. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß sich in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Ventilsitz kein höherer Druck aufbauen kann als im Zufuhrkanal 5.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt konstruktiv weitgehend mit Fig. 1 überein. Insoweit wird die Beschreibung nicht wiederholt. Es unterscheidet sich aber dadurch, daß Zufuhr- und Abfuhrkanal 5 und 6 vertauscht wurden und daß es als stromlos geschlossenes Fluidventil ausgebildet ist. In diesem Fall ist die Teflondichtung 14 unterhalb der Zwischenwand bzw. des Führungsbereichs 9 angeordnet und mittels einer Druckfeder 18 beaufschlagt, die sich auf der anderen Seite an dem am Ventilstößel 4 ausgebildeten Ventilkörper 10 abstützt. Damit ist sichergestellt, daß das spannungslose Fluidventil geschlossen ist. Weitere Unterschiede zu Fig. 1 bestehen insofern, als die Ventilplatte 7 keinen Nebendurchgang mit Rückschlagventil aufweist und daß in diesem Fall der Druckausgleichskanal 13 im Ventilstößel 4 den Abfuhrkanal 6 mit dem zweiten Teil 2b der Ventilkammer verbindet.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 zeigt ein spannungslos offenes Fluidventil, bei dem der Ventilsitz in der Ventilplatte 7 kanalseitig, d. h. auf der Seite des Zufuhrkanals 5 angeordnet ist. Auch hier ist ein dreiteiliges Gehäuse 1 mit einem endseitig eingespannten Biegewandler 3 vorgesehen, dessen freies Ende mit dem Ende 8 des Ventilstößels verbunden ist. Dabei wird vorzugsweise eine Verbindung realisiert, mit der nur Kräfte in Längsrichtung des Ventilstößels 4 übertragen werden können. Im Hinblick auf die gewünschte Selbstzentrierung des Ventilkörpers 10 am Ventilsitz sollen hier möglichst keine horizontalen Kräfte oder Biegekräfte übertragbar sein.

In diesem Fall ist die Ventilkammer 2 nicht unterteilt und mit einem seitlich geführten Abfuhrkanal 6 mit dem äußeren Anschluß verbunden. Der Ventilstößel 4 umfaßt einen ersten Teil 4a, der im wesentlichen im Zufuhrkanal 5 angeordnet ist und den Ventilkörper 10, den Führungsbereich 9 und die Druckausgleichsfläche 11 aufweist. Mit dem unteren Ende ist der erste Teil des Ventilkörpers 4a in einer Durchgangsbohrung 20 des Gehäuses 1 eingeführt und mittels einer federbelasteten Teflondichtung gegen das Gehäuse abgedichtet. Die Druckfeder 16 für die Teflondichtung 14 stützt sich an der Ventilplatte 7 ab, die wiederum mit einem Nebenkanal 17 mit Rückschlagventil 19 ausgestattet ist. Der zweite Teil 4b des Ventilstößels 4 stellt lediglich noch eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Teil 4a und dem Endteil 8 des Ventilstößels 4 dar und ist im Querschnitt wesentlich geringer ausgeführt als der Durchmesser des Ventilsitzes. Dadurch ist eine beschädigungsfreie Montage möglich. Die äußere Mündung 21 der Gehäuse-Durchgangsbohrung 20 liegt in einem Raum, in dem der gleiche Druck herrscht wie im Abfuhrkanal 6. Damit ist sichergestellt, daß die auf den Ventilstößel 4 wirkenden Fluiddrücke ausgeglichen sind und die piezoelektrisch erzeugte Stellkraft vollständig zum Schließen des Ventils ausgenutzt werden kann.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 bezieht sich auf ein spannungslos geschlossenes Fluidventil und stimmt konstruktiv weitgehend mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 überein. Insoweit wird die Beschreibung nicht wiederholt. Der einzige Unterschied besteht darin, daß zwischen Teflondichtung 14 und Ventilkörper 10 eine Druckfeder 18 eingespannt ist, die gleichzeitig als Schließfeder für das Fluidventil genutzt wird. Außerdem ist in diesem Fall die Ventilplatte ohne Nebenkanal und Rückschlagventil ausgebildet.

Alle dargestellten Ausführungsbeispiele besitzen an den äußeren Anschlüssen übliche Filter, damit Verunreinigungen nicht in die Ventilkammer eindringen und die Funktion des Fluidventils beeinträchtigen können. Diese Filter tragen keine Bezugsziffern, da sie dem Fachmann geläufig sind und mit dem Erfindungsgedanken nicht unmittelbar etwas zu tun haben.

Claims (15)

1. Piezoelektrisch betätigtes Fluidventil mit einem Gehäuse (1), einer Ventilkammer (2), einem balkenförmigen, piezoelektrischen Biegewandler (3) und einem Ventilkörper (4), wobei die Ventilkammer (2) über je einem im Gehäuse (1) ausgebildeten Zufuhr- und Abfuhrkanal (5, 6) mit äußeren Anschlüssen verbunden ist, eine der beiden kammerseitigen Kanalmündungen eine gehäusefeste Ventilplatte (7) mit Ventilsitz aufweist, der Biegewandler (3) mit einem Ende im Gehäuse (1) biegefest eingespannt und mit dem anderen Ende mit dem hinteren Ende (8) des Ventilstößels (4) verbunden ist und wobei der Ventilstößel (4) über einen Teil seiner Längserstreckung im Gehäuse (1) geführt ist (Führungsbereich 9) und einen mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilkörper (10) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventilstößel (4) - vom Ventilsitz aus gesehen - axial hintereinander der Ventilkörper (10) und der Führungsbereich (9) ausgebildet sind.

2. Fluidventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventilstößel (4) - vom Ventilsitz aus gesehen - axial hintereinander der Ventilkörper (10), der Führungsbereich (9) und eine der freien Querschnittsfläche des Ventilsitzes entsprechende Druckausgleichsfläche (11) ausgebildet sind, wobei der Ventilstößel (4) über einen Teil seiner Längserstreckung im Gehäuse (1) abdichtend geführt ist (Führungsbereich 9).

3. Fluidventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilplatte (7) an ihrer kammerseitigen Oberfläche mit einem Ventilsitz ausgestattet ist.

4. Fluidventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilplatte (7) an ihrer kanalseitigen Oberfläche mit einem Ventilsitz ausgestattet ist.

5. Fluidventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkammer (2) durch eine den Ventilstößel (4) abdichtend führende Zwischenwand (12) unterteilt ist, daß der Ventilkörper (10) und der Ventilsitz in einem ersten Teil (2a) der Ventilkammer (2) angeordnet sind, daß der Biegewandler (3) und die die Druckausgleichsfläche bildende stirnseitige Endfläche (11) des Ventilstößels (4) im zweiten Teil (2b) der Ventilkammer (2) angeordnet sind und daß der Ventilstößel (4) mit einem Druckausgleichskanal (13) ausgestattet ist, der eine Verbindung zwischen der Kanalmündung am Ventilsitz und dem Teil der Ventilkammer (2) bildet, in dem sich die Druckausgleichsfläche (11) des Ventilstößels (4) befindet.

6. Fluidventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung zwischen Ventilstößel (4) und Zwischenwand (2) eine federbelastete Teflondichtung (14) vorgesehen ist.

7. Fluidventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als spannungslos offenes Ventil ausgeführt ist, daß die Teflondichtung (14) auf der dem Ventilsitz abgewandten Seite der Zwischenwand (12) angeordnet ist und daß zwischen Teflondichtung (14) und einer gehäusefesten Platte (15) eine Druckfeder (16) eingespannt ist.

8. Fluidventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilplatte (7) einen Nebendurchgang (17) mit Rückschlagventil aufweist.

9. Fluidventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als spannungslos geschlossenes Ventil ausgeführt ist, daß die Teflondichtung (14) auf der dem Ventilsitz zugewandten Seite der Zwischenwand (12) angeordnet ist und daß zwischen Teflondichtung (14) und dem am Ventilstößel ausgebildeten Ventilkörper (10) eine Druckfeder (18) eingespannt ist, die gleichzeitig als Schließfeder des Fluidventils dient.

10. Fluidventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilstößel (4) aus einem ersten Teil (4a) und einem zweiten Teil (4b) besteht, wobei der erste Teil (4a) den Ventilkörper (10) aufweist, im Zufuhrkanal (5) angeordnet ist und endseitig abdichtend in einer Gehäuse-Durchgangsbohrung (20) geführt ist, an deren äußerer Mündung (21) der gleiche Druck herrscht wie im Abfuhrkanal (6), und wobei der zweite Teil (4b) sich unter Freilassung eines Strömungsquerschnitts durch den Ventilsitz hindurch erstreckt und endseitig mit den Biegewandlern (3) verbunden ist.

11. Fluidventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der inneren kanalseitigen Mündung der Gehäuse- Durchgangsbohrung (20) eine federbelastete Teflondichtung (14) angeordnet ist.

12. Fluidventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es als spannungslos offenes Ventil ausgebildet ist und daß zwischen Teflondichtung (14) und Gehäuse, insbesondere zwischen Teflondichtung (14) und Ventilplatte (7), eine Druckfeder (16) eingespannt ist.

13. Fluidventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilplatte einen Nebendurchgang (17) mit Rückschlagventil (19) aufweist.

14. Fluidventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es als spannungslos geschlossenes Ventil ausgebildet ist und daß zwischen Teflondichtung (14) und dem am Ventilstößel (4) ausgebildeten Ventilkörper (10) eine Druckfeder (18) eingespannt ist, die gleichzeitig als Schließfeder des Fluidventils dient.

15. Fluidventil nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Ventilstößels (4) gelenkig und bezüglich des Ventilsitzes selbstzentrierend mit dem Ende des piezoelektrischen Biegewandlers (3) verbunden ist.