DE19857247C1

DE19857247C1 - Piezoelektrischer Aktor

Info

Publication number: DE19857247C1
Application number: DE19857247A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Heinz; Bertram Sugg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2000-01-27
Anticipated expiration: 2018-12-12
Also published as: KR20010040885A; US6333587B1; WO2000036657A1; EP1053569A1; JP2002532658A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor (1), insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem piezoelektrischen Aktorkörper (1) insbesondere in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten, wobei eine der Stirnseiten des Aktorkörpers (1) an einem gut wärmeleitenden oder metallischen Aktorfuß (6) festgelegt ist, wobei der piezoelektrische Aktor dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens ein gute wärmeleitfähiger Kühlkörper (5; 5.1, 5.2) gut wärmeleitend mit den Seitenflächen des Aktorkörpers (1) und mit dem Aktorfuß (6) verbunden ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem piezoelektrischen Aktor insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem piezoelektrischen Aktorkörper insbesondere in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten, wobei eine der Stirnseiten des Aktorkörpers an einem gut wärmeleitenden oder metallischen Aktorfuß festgelegt ist.

Ein derartiger piezoelektrischer Aktor ist zum Beispiel bekannt aus der DE 196 50 900 A1 der Robert Bosch GmbH.

Wie allgemein bekannt, können piezoelektrische Aktoren zum Beispiel für Einspritzventile eines Kraftfahrzeugmotors sowie in Bremssystemen mit Antiblockiersystem und Antischlupfregelungen eingesetzt werden.

Derartige mit piezoelektrischen Aktoren ausgestattete Einspritzventile besitzen eine durch ein stößelartiges Verschlussorgan gesteuerte Einspritzdüse. Am Stößel ist eine düsenseitige Wirkfläche angeordnet, die vom Druck des der Düse zugeführten Kraftstoffs beaufschlagt wird, wobei die Druckkräfte den Stößel in Öffnungsrichtung des Verschlussorganes zu drängen suchen. Der Stößel ragt mit einem plungerartigen Ende, dessen Querschnitt größer ist als die vorgenannte Wirkfläche, in eine Steuerkammer hinein. Der dort wirksame Druck sucht den Stößel in Schließrichtung des Verschlussorganes zu bewegen. Die Steuerkammer ist über eine Eingangsdrossel mit der unter hohem Druck stehenden Kraftstoffzufuhr und über ein in der Regel gedrosseltes bzw. mit einer Ausgangsdrossel kombiniertes Auslassventil mit einer nur geringen druckaufweisenden Kraftstoffrückführleitung verbunden. Bei geschlossenem Auslassventil steht in der Steuerkammer ein hoher Druck an, durch den der Stößel gegen den Druck an seiner düsenseitigen Wirkfläche in Schließrichtung des Verschlussorganes bewegt bzw. in Verschlussstellung gehalten wird. Beim Öffnen des Auslassventiles fällt der Druck in der Steuerkammer ab, wobei das Maß des Druckabfalles durch die Bemessung der Eingangsdrossel und des Drosselwiderstandes des geöffneten Ausgangsventiles bzw. der damit kombinierten Ausgangsdrossel bestimmt wird. Im Ergebnis vermindert sich der Druck in der Steuerkammer bei geöffnetem Auslassventil derart, dass der Stößel aufgrund der an seiner düsenseitigen Wirkfläche wirksamen Druckkräfte in Öffnungsrichtung des Verschlussorgans bewegt bzw. in Offenstellung gehalten wird.

Im Vergleich mit elektromagnetisch betätigten Einspritzventilen können piezoelektrische Aktoren schneller schalten. Allerdings muss beim Aufbau eines piezoelektrischen Aktors beachtet werden, dass durch innere Verluste im piezoelektrischen Körper des Aktors Verlustwärme entsteht, die abgeführt werden muss, damit sich der Aktor nicht überhitzt. Da die Keramikmaterialien der Piezokeramik eine schlechte Wärmeleitfähigkeit haben, ist bei langen Aktoren, deren Länge größer ist als ihre Breite, die Ableitung innerhalb des im wesentlichen aus Keramikmaterial bestehenden Aktorkörpers ungünstig.

Aufgaben und Vorteile der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen piezoelektrischen Aktor, insbesondere langen Aktor, so zu ermöglichen, dass eine Kühlung im Betrieb desselben ohne flüssige Medien möglich ist, dass eine einfache Montage des piezoelektrischen Aktors möglich, keine flüssigen Kühlmittel und keine besonderen Dichtungen notwendig sind.

Ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Aktor vermeidet somit eine durch die Verlustleistung desselben bedingte Überhitzung, kommt ohne flüssige Kühlmedien und ohne die dafür notwendigen Abdichtungen und Kühlmittelwege aus, wodurch eine Leckage solcher Kühlmittel nicht möglich ist und die Montage des piezoelektrischen Aktors vereinfacht und dieser dadurch kostengünstig hergestellt werden kann.

Die Erfindung liegt darin, dass wenigstens ein gut wärmeleitfähiger Kühlkörper gut wärmeleitend mit den Seitenflächen des Aktorkörpers und mit dem Aktorfuß verbunden ist.

Bei der Erfindung lässt sich in vorteilhafter Weise ausnützen, dass die elektrischen Zuleitungen zu den metallischen bzw. elektrisch leitenden Elektroden des als vielschichtiges Laminat ausgeführten Aktorkörpers zu diesem nur an zwei Seiten desselben geführt sind, so dass die zwei anderen gegenüberliegenden Seitenflächen des Aktorkörpers frei bleiben und gut wärmeleitend mit dem genannten Kühlkörper oder den Kühlkörpern verbunden werden können.

Bevorzugt besteht oder bestehen der oder die Kühlkörper aus Metall, insbesondere bevorzugt aus Kupfer.

Dabei können entweder zwei separate Kühlkörper oder ein einziger U-förmiger Kühlkörper, der so gestaltet ist, dass er am Bodenabschnitt seiner U-Form mit der zum Aktorfuß weisenden Stirnseite des Aktorkörpers verbunden ist, mit den beiden gegenüberliegenden Seitenflächen des Aktorkörpers verbunden sein. Diese Verbindung geschieht bevorzugt durch einen elastischen, wärmeleitfähigen Klebstoff zwischen dem Kühlkörper und den Seitenflächen des Aktorkörpers. Ein solcher wärmeleitfähiger Klebstoff besteht zum Beispiel aus einem Silikon-Elastomer, das gegebenenfalls mit einem elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Füllstoff, zum Beispiel mit AlN oder Al₂O₃ gefüllt ist.

Damit die beim Anlegen der elektrischen Spannung verursachte Dehnung oder Schrumpfung des Aktorkörpers ohne Reißen des elastischen wärmeleitfähigen Klebstoffs ausführbar ist, können die an die Seitenflächen des Aktorkörpers angrenzenden Abschnitte des oder der Kühlkörper wellenförmig sein, das heißt die Form eines metallischen Wellenbandes haben.

Um die gute Wärmeleitfähigkeit des oder der Kühlkörper auszunutzen und die von ihnen geleitete Wärme auch abzuführen, ist der oder die Kühlkörper mit dem Aktorfuß verlötet oder verschweißt oder alternativ mit demselben durch einen Silberleitkleber wärmeleitend verbunden. Dadurch wird die vom piezoelektrischen Aktor erzeugte Verlustwärme vom Kühlkörper zum gut wärmeleitfähigen Aktorfuß sicher abgeleitet.

Wenn ein Aktorkörper verwendet wird, dessen beide Stirnseiten durch je eine Bandfeder vorgespannt sind, die entlang den von den Kühlkörpern nicht bedeckten Seitenflächen im Abstand vom Aktorkörper liegen, bietet es sich an, auch die Bandfedern zur Wärmeableitung zu nutzen, da diese auch am Aktorfuß festgelegt sind. Dazu werden die Zwischenräume zwischen dem Aktorkörper und den Bandfedern mit wärmeleitfähigem Elastomer ausgefüllt, gegebenenfalls unter Zusatz eines wärmeleitenden Füllstoffes. Außerdem können auch die elektrischen Anschlüsse der Elektroden des piezoelektrischen Aktorkörpers zusätzlich zur Wärmeableitung herangezogen werden, falls diese elektrischen Anschlussleitungen einen ausreichend großen Leitungsquerschnitt haben.

Es ist zu bemerken, dass die oben erwähnten Formen des oder der Kühlkörper lediglich beispielhaft sind und dass andere zweckmässige Formen, beispielsweise bei Aktorkörpern mit rundem Querschnitt verwendet werden können.

Nachstehend werden verschiedenen Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäß gestalteten piezoelektrischen Aktors anhand der Zeichnung näher erläutert.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt schematisch und in Form eines Teilschnittes ein erstes Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Aktors;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors längs der Schnittebene II-II, und

Fig. 3A-3E zeigt verschiedene weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäß vorgesehenen Kühlkörpers.

Ausführungsbeispiele

Bei dem in Fig. 1 als Teilschnitt in Längsrichtung dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors ist ein Aktorkörper 1, der die Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten haben kann, zwischen einem oberen Ringflansch 10 und einem Aktorfuß 6 durch zwei gewellte Federbänder 8 eingespannt. Der Aktorkörper 1 mit den gewellten Federbändern 8 sitzt in einem metallischen Gehäuse 3, an dessen Unterseite Klemmen sitzen zur Verbindung mit Elektrodenzuleitungen 7.

Wenn der Aktorkörper 1 mit einer pulsierenden elektrischen Spannung an seinen Elektroden beaufschlagt wird, führt er analog pulsierende Hübe unter Änderung des Abstandes zwischen seinen zwischen dem Ringflansch 10 und dem Aktorfuß 6 durch die Federbänder 8 eingespannten Stirnseiten aus.

Die im Betrieb des Aktors entstehende Wärme kann nur in geringem Maße nach oben durch den Ringflansch 10 und den Fortsatz 12 der daruntersitzenden Stößelplatte abgeführt werden. Außerdem ist wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit der für den Aktorkörper 1 verwendeten Keramik bei Aktoren, wie in Fig. 1 gezeigt, deren Länge größer als ihre Breite ist, die Ableitung der Wärme innerhalb der Keramik des Aktorkörpers 1 ungünstig.

Aus diesem Grund ist ein metallischer oder bevorzugt aus Kupfer bestehender Kühlkörper 5 gut wärmeleitend mit den Seitenflächen des Aktorkörpers 1 und mit dem Aktorfuß 6 verbunden. Diese gut wärmeleitende Verbindung ist bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Löt- oder Schweißnaht 11 ausgeführt. Es ist zu erwähnen, dass auf der entgegengesetzen Seite des Aktorkörpers 1, die in Fig. 1 nicht sichtbar ist, ein gleicher Kühlkörper 5 angebracht ist. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind außerdem die Zwischenräume zwischen den senkrecht zur Zeichenebene stehenden Seitenflächen des Aktorkörpers 1 und den Federbändern 8 mit einem wärmeleitfähigen Elastomer 9 ausgefüllt, dem ein wärmeleitender Füllstoff zugesetzt ist. Dadurch wird die Wärme zusätzlich durch das Federband 8 zum Aktorfuß 6 abgeleitet, mit dem die Bandfedern 8 wärmeleitend verbunden sind.

Die in Fig. 2 dargestellte Querschnittsansicht des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels längs der in Fig. 1 ersichtlichen Schnittebene II-II zeigt, dass die Kühlkörper 5 mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Aktorkörpers 1, der hier einen quadratischen Querschnitt hat, durch einen elastischen wärmeleitfähigen Klebstoff 4 angeklebt sind. Dieser wärmeleitfähige Klebstoff 4 besteht zum Beispiel aus Silikon-Elastomer das mit einem wärmeleitfähigen Füllstoff gefüllt ist. Silikon-Elastomer hat den Vorteil, dass es hochelastisch ist und somit die Hübe des Aktorkörpers 1 elastisch ausgleicht. Die Querschnittsansicht in Fig. 2 zeigt auch, dass die Elektrodenzuleitungen 7.1, 7.2 an die Seitenflächen des Aktorkörpers 1 führen, die nicht vom Kühlkörper 5 bedeckt sind.

Die Form und die Art der Befestigung des Kühlkörpers bzw. der Kühlkörper 5 am Aktorsockel 6 so, dass eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen Kühlkörper 5 und Aktorsockel 6 entsteht, können variieren, was nachfolgend anhand Fig. 3A-3E erläutert wird.

Gemäß Fig. 3A ist ein einstückiger U-förmiger gewinkelter metallischer Kühlkörper 5, bevorzugt aus Kupfer mit dem Boden des U-Profils am Aktorsockel 6 wärmeübertragend befestigt.

Gemäß Fig. 3B sind ein linker Kühlkörper 5.1 und ein rechter Kühlkörper 5.2 durch eine Löt- oder Schweißverbindung 11 wärmeleitend mit dem Aktorfuß 6 verbunden.

Auch in Fig. 3C sind ein linker Kühlkörper 5.1 und ein rechter Kühlkörper 5.2 durch eine Löt- oder Schweißverbindung 11 jeweils mit dem Aktorfuß 6 wärmeleitend verbunden, wobei jedoch die unteren Abschnitte der Kühlkörper 5.1, 5.2 nach außen abgewinkelt sind.

Das in Fig. 3D gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den bisher beschriebenen dadurch, dass zwei Kühlkörper 5.1 und 5.2 durch Silberleitkleber 13 mit dem Aktorfuß 6 wärmeleitend verbunden sind.

Bei dem in Fig. 3E gezeigten Ausführungsbeispiel sind ein linker Kühlkörper 5.1 und ein rechter Kühlkörper 5.2 in Form eines Wellenbandes ausgeführt und durch eine Löt- oder Schweißverbindung 11 wärmeleitend mit dem Aktorfuß 6 verbunden. Die als Kühlkörper fungierenden elastischen Metallwellenbänder 5.1 und 5.2 bewirken, dass jeder Kühlkörper elastisch den Aktorhüben folgen kann. Dadurch wird die Beanspruchung des Klebemittels 4 gemindert.

Bei allen in Fig. 3A-3E gezeigten Ausführungsbeispielen kann ein elastischer wärmeleitfähiger Klebstoff, zum Beispiel Silikon-Elastomer zum Verbinden des oder der Kühlkörper 5 bzw. 5.1, 5.2 mit dem Aktorkörper 1 dienen. Dieser Silikon-Elastomer-Klebstoff kann mit wärmeleitfähigen Füllstoff gefüllt sein.

Wie oben bereits anhand des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erläutert wurde, können zusätzlich die Bandfedern 8 zur seitlichen Wärmeabfuhr vom Aktorkörper 1 genutzt werden, indem die Zwischenräume zwischen Aktorkörper 1 und Federband 8 mit wärmeleitfähigem Elastomer aufgefüllt sind.

Als weitere zusätzliche Wärmeableitmöglichkeit können auch die Elektrodenleitungen 7 verwendet werden, sofern diese einen ausreichend großen Kabelquerschnitt haben.

Zusammenfassend wird mit dem oben erläuterten metallischen Kühlkörper oder den Kühlkörpern die Wärmeabfuhr vom piezoelektrischen Aktor ermöglicht, ohne dass flüssige Kühlmedien notwendig sind. Dadurch ist der Aktor leichter montierbar und es können keine Leckagen vorkommen. Es sind keine besonderen Dichtungen notwendig, und der gesamte piezoelektrische Aktormodul lässt sich dadurch kostengünstig fertigen.

Ein erfindungsgemäß gestalteter piezoelektrischer Aktor lässt sich zum Beispiel zur Betätigung der Einspritzventile für eine Common-Rail-Einspritzung in Diesel-PKW oder -NKW verwenden.

Claims

1. Piezoelektrischer Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem piezoelektrischen Aktorkörper (1) insbesondere in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten, wobei eine der Stirnseiten des Aktorkörpers (1) an einem gut wärmeleitenden oder metallischen Aktorfuß (6) festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein gut wärmeleitfähiger Kühlkörper (5; 5.1, 5.2) gut wärmeleitend mit den Seitenflächen des Aktorkörpers (1) und mit dem Aktorfuß (6) verbunden ist.

2. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Kühlkörper (5; 5.1, 5.2) aus Metall, bevorzugt Kupfer, besteht bzw. bestehen.

3. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aktorkörper (1) einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt hat, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Kühlkörper (5; 5.1, 5.2) mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Aktorkörpers verbunden ist bzw. sind.

4. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei separate Kühlkörper (5.1 und 5.2) mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Aktorkörpers (1) verbunden sind.

5. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger U-förmiger Kühlkörper (5) so gestaltet ist, dass er mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Aktorkörpers (1) und mit dessen zum Aktorfuß (6) weisenden Stirnseite verbunden ist.

6. Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Seitenflächen des Aktorkörpers (1) angrenzenden Abschnitte des oder der Kühlkörper (5; 5.1, 5.2) die Form eines Wellenbandes haben.

7. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Kühlkörper (5; 5.1, 5.2) mit einem elastischen wärmeleitfähigen Klebstoff (4) an den gegenüberliegenden Seitenflächen des Aktorkörpers (1) angeklebt ist bzw. sind.

8. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeleitfähige Klebstoff (4) aus einem Silikon-Elastomer besteht.

9. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Silikon Elastomer mit wärmeleitfähigem Füllstoff gefüllt ist.

10. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Kühlkörper (5; 5.1, 5.2) mit dem Aktorfuß (6) verlötet oder verschweißt ist bzw. sind.

11. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet dass der oder die Kühlkörper (5; 5.1, 5.2) mit dem Aktorfuß (6) durch einen Silberleitkleber verbunden sind.

12. Piezoelektrischer Aktor, wobei eine die beiden Stirnseiten des Aktorkörpers (1) vorspannende Bandfeder (8) vorgesehen ist, die entlang den von dem oder den Fühlkörper(n) (5; 5.1, 5.2) nicht bedeckten Seitenflächen im Abstand vom Aktorkörper (1) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume zwischen diesen Seitenflächen des Aktorkörpers (1) und der Bandfeder (8) mit wärmeleitfähigem Elastomer, gegebenenfalls mit zugesetzten wärmeleitendem Füllstoff ausgefüllt sind.