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Die
Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisch betätigbares
Ventil mit mindestens einem Ventilkanal, der mittels eines an einem
piezoelektrischen Biegewandler gehaltenen Dichtelementes verschließbar ist,
wobei der Biegewandler mit einem mit einer elektrischen Spannungsquelle
verbindbaren Anschlussende zur Ventilbetätigung im Ventilgehäuse fixiert
ist.
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Aus
der
DE 36 08 550 A1 ist
ein piezoelektrisch betätigbares
Ventil bekannt, in dessen Ventilgehäuse mindestens drei Ventilkanäle zur Bildung
eines Drei-Wege-Ventils
einmünden.
Das als Pneumatik- oder Hydraulikventil verwendbare Ventil weist
innerhalb dessen Ventilgehäuses
mindestens einen piezoelektrischen Biegewandler auf, dessen Anschlussende
zum Anschließen
einer elektrischen Spannungsquelle in einer Gehäuseschmalseite fixiert ist. Das
in den Gehäuseinnenraum
hineinragende Freiende des Biegewandlers trägt auf dessen dem jeweiligen
Ventilkanal zugewandten Seite ein Dichtelement zum Verschließen dieses
Ventilkanals.
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Um
in einem Ausgangs- oder Ruhezustand bei einem geöffneten Ablaufkanal einen diesem
gegenüberliegenden
Zulaufkanal zu verschließen,
ist der entsprechende Biegewandler mechanisch vorgespannt und/oder
mittels Federkraft gegen den Ventilsitz des Zulaufkanals gedrückt. Der
gegenüberliegende
Ablaufkanal ist in diesem Zustand dadurch geöffnet, dass ein von demselben
oder von einem weiteren anschlussseitig im Gehäuse fixierten Biegewandler
gehaltenes Dichtelement dem Ventilsitz des Ablaufkanals beabstandet
gegenübersteht.
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Im
Betriebszustand ist das Anschlussende des oder jedes Biegewandlers
an eine Spannungsquelle angeschlossen, wobei je nach Polung das Freiende
des Biegewandlers in Richtung auf den jeweiligen Ventilkanal oder
in entgegengesetzter Richtung ausgelenkt wird. Dadurch verschließt das mit dem
Freiende des Biege wandlers mitbewegte Dichtelement den Ablaufkanal
bei gleichzeitigem Öffnen des
Zulaufkanals. Dadurch wird ein über
den Zulaufkanal in das Ventilgehäuse
einströmendes
Medium über
einen Arbeitskanal abgeführt,
während
im Ruhezustand bei geschlossenem Zulaufkanal ein über den
Arbeitskanal einströmendes
Medium über
den Ablaufkanal aus dem Ventilgehäuse herausströmt.
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Bei
diesem bekannten piezoelektrisch betätigten Ventil besteht insbesondere
unter extremen Betriebsbedingungen das Problem einer nicht ausreichenden
Dichtigkeit des je nach Betriebszustand geschlossenen Ventilkanals.
So können
bei einem mit hohem Druck und/oder hoher Strömungsgeschwindigkeit über das
Ventil geführten
Medium unerwünscht
hohe Leckraten infolge einer unzureichenden Abdichtung insbesondere
des im Ruhezustand geöffneten
und mittels des erregten Biegewandlers zu schließenden Ventilkanals auftreten.
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Ferner
sei auf die
US 5,630,440
A hingewiesen, die ein piezoelektrisch betätigbares
Ventil gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 zeigt. Bei dem bekannten Ventil ist der piezoelektrische
Biegewandler beidendseitig fest in dem Ventilgehäuse eingespannt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches
Ventil, insbesondere ein Pneumatikventil, anzugeben, bei dem zur
Verbesserung der Betriebssicherheit der zu sperrende Ventilkanal
zuverlässig
verschlossen wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Dazu ist das eine Ende des Biegewandlers in seiner Längsrichtung
beweglich gehalten, während
eine Bewegung quer zur Längsrichtung
eingeschränkt
ist. Hierdurch ergibt sich eine gute Flexibilität des Biegewandlers bei guter
Kraftübertragung.
Vorzugsweise ist das Dichtelement im Wesentlichen mittig zwischen
den Enden des Biegewandlers angeordnet.
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Die
Erfindung geht dabei von der Überlegung aus,
dass ein zuverlässiges
Verschließen
des zu sperrenden und somit jeweils deaktivierten Ventilkanals auch
unter extremen Betriebsbedingungen, insbesondere bei einem hohen
Druck und einer hohen Strömungsgeschwindigkeit
eines zu steuernden Mediumflusses, durch Erhöhung der Kraft erreicht werden
kann, mit der das Dichtelement mittels des jeweiligen Biegewandlers
gegen den Ventilsitz des entsprechenden Ventilkanals gepresst oder
gedrückt wird.
Diese erhöhte
Andruck- oder Anpresskraft kann durch den Biegewandler selbst erzeugt
werden, wenn dieser innerhalb des Ventilgehäuses beidendseitig gehalten
ist.
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Die
Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass bei gegebener
Anschluss- oder
Betriebsspannung und demzufolge bei konstantem Biegemoment des piezoelektrischen
Wandlers die von diesem erzeugte Kraft mit abnehmendem Hebelarm
gemäß der Beziehung
M = F∙x
zunimmt, wenn M konstant ist. Wird somit der Biegewandler einerseits
beidendseitig gehalten und andererseits das Dichtelement im mittleren
Bereich des Biegewandlers angeordnet, so ist die infolge einer Ausbiegung
des Biegewandlers vom Dichtelement auf den Ventilsitz des entsprechenden
Ventilkanals ausgeübte
Anpresskraft im Vergleich zu einem einseitig eingespannten und somit
freiendseitig freibeweglichen Biegewandler mindestens verdoppelt.
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Um
bereits im Ausgangs- oder Ruhezustand ein zuverlässiges Verschließen eines
Ventilkanals in besonders einfacher und wirkungsvoller Art und Weise
zu erzielen, ist der Biegewandler in vorteilhafter Ausgestaltung
im spannungslosen Zustand in Richtung auf diesen Ventilkanal konkav
gebogen. Der Biegungsverlauf des Biegewandlers im spannungslosen
oder erregungsfreien Ruhezustand wird zweckmäßigerweise dadurch erreicht,
dass der Biegewandler selbst blattfederartig vorgespannt ist. Eine derartige
Vorspannung wiederum wird zweckmäßigerweise
durch ein geeignetes Herstellungsverfahren erreicht. Dabei wird
von einem lamellierten Biegewandler mit einem zumindest eine elektrisch
leitfähige
Trägerschicht
und eine Piezokeramikschicht aufweisenden Schichtaufbau ausgegangen,
der durch Erhitzen und anschließendes
Abkühlen
infolge materialbedingt unterschiedlicher Kontraktionseigenschaften
zu verschieden stark vorgespannten Schichten oder Lagen (prestressed
layers) führt.
Die unterschiedliche Vorspannung der Schichten wiederum führt zu einer
Ausbiegung des flachen Biegewandlers um eine quer zu dessen Längsseiten
verlaufende und parallel zu dessen Schmalseiten liegende Biegeachse.
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Um
eine Beweglichkeit des Biegewandlers im erregten Zustand in einfacher
Art und Weise zu erreichen, ist das dem fixierten Anschlussende
gegenüberliegende
Freiende in einer im Ventilgehäuse
vorgesehenen Längsnut
geführt.
Diese Führung
ermöglicht
eine Längsbewegung
des Biegewandlers, während
eine seitliche Bewegung des Freiendes dadurch verhindert ist, dass
bei einer Anregung des Biegewandlers die Nutseitenwände beidseitige
Anschläge für das Freiende
bilden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
sind innerhalb des Ventilgehäuses
zwei Biegewandler zueinander im Wesentlichen parallel verlaufend
angeordnet. Deren jeweiliges Anschlussende ist gehäusefest
gehalten, während
das jeweilige Freiende in Längsrichtung
wiederum beweglich gehalten ist. Bezogen auf eine Gehäusemittelachse sind
die beiden Biegewandler in Richtung auf den diesen jeweils zugeordneten
Ventilkanal konvex gewölbt.
Dabei ist im spannungslosen Zustand ein erster Ventilkanal mittels
eines von einem ersten Biegewandler getragenen Dichtelements verschlossen, während ein
gegenüberliegender
zweiter Ventilkanal geöffnet
ist. Diesem zweiten Ventilkanal liegt dann ein vom zweiten Biegewandler
getragenes Dichtelement beabstandet gegenüber. Durch Anlegen der Betriebsspannung
mit entsprechender Polung werden beide Biegewandler erregt, so dass
der erste Ventilkanal geöffnet
und der zweite Ventilkanal geschlossen wird. Ein über einen
zusätzlichen
Einströmkanal
in das Ventilgehäuse
einströmendes
Medium wird somit im Ruhezustand über den zweiten Kanal und im
Betriebszustand über
den ersten Kanal aus dem Ventilgehäuse herausgeführt. Je
nach Betriebsweise kann auch ein über den geöffneten zweiten Ventilkanal
einströmendes
Medium über
den Einströmkanal
aus dem Ventilgehäuse
abströmen.
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Bei
Einsatz eines einzelnen Biegewandlers ist dieser im spannungslosen
Zustand in Richtung auf einen ersten Ventilkanal konkav gebogen,
wobei sich ein diesem gegenüberliegender
zweiter Ventilkanal innerhalb des Ventilgehäuses bis in die wirksame Nähe der konkaven
Seite des Biegewandlers erstreckt. Insbesondere bei dieser Ausführungsform mit
nur einem einzelnen Biegewandler trägt dieser ein beidseitig dessen
mittleren Bereiches wirksames Dichtelement.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in
einer Schnittdarstellung eine erste Ausführungsvariante eines piezoelektrisch
betätigbaren
Ventils mit zwei beidendseitig gehaltenen Biegewandlern,
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2 eine
zweite Ausführungsvariante
des Ventils gemäß 1,
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3 in
einer Darstellung gemäß den 1 und 2 ein
piezoelektrisch betätigbares
Ventil mit einem einzelnen beidendseitig gehaltenen Biegewandler,
und
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4 in
Darstellungen A und B Versuchsaufbauten eines einseitig bzw. beidseitig
gehaltenen piezoelektrischen Biegewandler im erregten und erregungsfreien
Zustand.
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Dabei
sind gleiche Teile in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Das
piezoelektrisch betätigbare
Ventil 1 gemäß den 1 und 2 weist
ein vorzugsweise aus Kunststoff bestehendes und quaderförmiges Ventilgehäuse 2 mit
einem ebenfalls quaderförmigen oder
auch kreiszylindrischen Innenraum 3 auf. In den Innenraum 3 münden zwei
sich diametral gegenüberliegende
Ventilkanäle 4 und 5 ein.
Ein weiterer in den Innenraum 3 des Ventilgehäuses 2 einmündender Ventil-
oder Eintrittskanal 6 verläuft quer zu den beiden Ventilkanälen 4 und 5.
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Im
Innenraum 3 des Ventilgehäuses 2 sind zwei plättchenförmige Biegewandler 7 und 8 angeordnet.
Jeder Biegewandler 7,8 weist ein Anschlussende 7a,8a und
ein Freiende 7b,8b auf. Das jeweilige Anschlussende 7a,8a des
Biegewandlers 7 bzw. 8 ist im Bereich einer anschlussseitigen
Schmalseite 2a des Ventilgehäuses 2 gehalten und
dort fixiert. An das jeweilige Anschlussende 7a,8a des
Biegewandlers 7 bzw. 8 sind Anschlusskontakte 9 geführt, die mit
jeweils einer Span nungsquelle U1 bzw. U2 über Anschlussleitungen 10 verbunden
sind. Die Anschlussquellen U1,U2 liefern
eine Gleichspannung von z.B. 200V.
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Auf
der gegenüberliegenden
Gehäuseschmalseite 2b des
Ventils 1 liegen die Freienden 7b,8b des
jeweiligen Biegewandlers 7 bzw. 8 in Gehäusenuten 11 ein.
Innerhalb dieser Gehäusenuten 11 sind
die Freienden 7b,8b der Biegewandler 7 bzw. 8 in
Wandlerlängsrichtung 12,
die auch der Gehäuselängsrichtung
entspricht, beweglich gehalten. Die Gehäusenuten 11 bilden
dabei seitliche Anschläge für das jeweilige
Freiende 7b,8b in bzw. entgegen der durch den
Pfeil 13 veranschaulichten Gehäusequerrichtung.
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Bei
dem im Ausführungsbeispiel
dargestellten Ruhe- oder Ausgangszustand sind die Biegewandler 7,8 spannungslos
und somit erregungsfrei. In diesem Ruhezustand ist der im Ausführungsbeispiel
gemäß den 1 und 2 rechte
Ventilkanal 4 verschlossen. Dazu trägt der Biegewandler 7 im mittleren
Bereich der diesem Ventilkanal 4 zugewandten Außenseite
ein vorzugsweise aus Kunststoff oder Gummi bestehendes Dichtelement 14.
Dieses liegt am Ventilsitz 15 des Ventilkanals 4 an
und dichtet diesen gehäuseinnenseitig
ab. Die dazu erforderliche Anpresskraft F1 wird
vom Biegewandler 7 selbst dadurch aufgebracht, dass dieser
im Ruhezustand in Richtung auf den Ventilsitz 15 konkav
gewölbt
und dabei durch eine entsprechende Einbaulage blattfederartig vorgespannt
ist.
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Der
dargestellte Biegungs- oder Krümmungsverlauf
des jeweiligen Biegewandlers 7,8 wird durch ein
spezielles Herstellungsverfahren erreicht, bei dem in nicht näher dargestellter
Art und Weise ein Schichtaufbau mit einer elektrisch leitfähigen Trägerschicht,
vorzugsweise in Form eines flachen Blechstreifens, und mit einer
darauf anhäsiv
gehaltenen Piezokeramikschicht durch Erhitzen und anschließendes Abkühlen entlang
der Wandlerlängsrichtung 12 vorgespannt
werden.
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Der
dem (linken) Ventilkanal 5 zugeordnete Biegewandler 8,
der bezüglich
dessen Form und Aufbau dem Biegewandler 7 entspricht, trägt ebenfalls
in dessen mittle ren Bereich ein Dichtelement 16. Dieses
ist im dargestellten geöffneten
Zustand des Ventilkanals 5 gegenüber dessen Ventilsitz 17 mit
einem Abstand a angeordnet. Auch dieser Biegewandler 8 ist
im spannungslosen Ruhezustand in Richtung auf diesen Ventilsitz 17 und
damit auf den Ventilkanal 5 konvex gewölbt.
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Zum
Betrieb des Ventils 1 werden die beiden Biegewandler 7 und 8 bei
entsprechender Polung der Spannungsquellen U1 bzw.
U2 erregt. Dabei bewegen sich beide Biegewandler 7,8 in
Richtung oder Biegerichtung des Pfeils 13, so dass das
vom Biegewandler 7 getragene Dichtelement 14 vom
Ventilsitz 15 abhebt und somit den Ventilkanal 4 öffnet, während das vom
Biegewandler 8 getragene Dichtelement 16 gegen
den Ventilsitz 17 gepresst wird und somit den Ventilkanal 5 verschließt. Die
Freienden 7b und 8b beider Biegewandler 7 bzw. 8 können sich
dabei aufgrund deren Halterung innerhalb der Gehäusenuten 11 in Längsrichtung 12 verschieben.
Die Freienden 7b und 8b sind dabei derart tief
in die Gehäusenuten 11 eingeführt, dass
diese bei einer Ausbiegung der Biegewandler 7,8 im
erregten Zustand nicht aus den Gehäusenuten 11 heraustreten
können.
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Während im
Ruhezustand aufgrund der Vorspannung des gebogenen Biegewandlers 7 das
von diesem getragene Dichtelement 14 bereits mit einer ausreichend
hohen Anpresskraft F1 gegen den Ventilsitz 15 gedrückt wird,
wird die zum Verschließen des
im Ruhezustand offenen Ventilkanals 5 erforderliche Anpresskraft
F2 durch die beidendseitige Halterung des
Biegewandlers 8 in Kombination mit der mittenlagigen Anordnung
des Dichtelements 16 erreicht. Grund hierfür ist eine
Krafterhöhung
infolge einer besonders günstigen
Hebelarmwirkung bei konstantem Biegemoment gemäß der Beziehung M = F∙x. Dabei ist
M das von der elektrischen Spannung U abhängige Biegemoment, F die auf
das jeweilige Dichtelement 14,16 wirkende Auslenkkraft
und x der Abstand zwischen dem Anschlussende 7a,8a des
Biegewandlers 7 und dem von diesem jeweils getragenen Dichtelement 14 bzw. 16.
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Beim
Betrieb des im Ausführungsbeispiel
als Drei-Wege-Ventil ausgeführten
Pneumatikventils 1 wird über den Eintritts- oder Einlasskanal 6 in
das Ventilge häuse 2 mit
einem vorgegebenen Druck p und mit einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit
v einströmende
Luft L über
den in diesem spannungslosen Ruhezustand geöffneten Ventilkanal 5 aus
dem Ventilgehäuse 2 abgeführt. Der
Einströmkanal 6 kann
dabei gemäß 1 durch
eine Längsseite des
Ventilgehäuses 2 auf
zumindest annähernd
gleicher Höhe
der beiden diametral gegenüberliegenden Ventilkanäle 4 und 5 in
den Innenraum 3 geführt
werden. Alternativ kann gemäß 2 der
Einlasskanal 6 durch die mit den Gehäusenuten 11 versehene Schmalseite 2b des
Ventilgehäuses 2 in
den Innenraum 3 geführt
sein. Bei dieser Ausführungsform
verläuft
der Einlasskanal 6 zweckmäßigerweise zwischen den beiden
Gehäusenuten 11 und
mündet
somit zwischen den beiden Biegewandlern 7 und 8 in den
Innenraum 3 ein.
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Zum
Umschalten des Ventils 1 werden die beiden Biegewandler 7 und 8 durch
Anlegen einer Betriebsspannung U bei entsprechender Polung der Spannungsquellen
U1 und U2 erregt
und in gleicher Richtung (Biegungsrichtung) 13 ausgelenkt.
Dabei wird der im Ruhezustand geschlossene Ventilkanal 4 geöffnet, während der
im Ruhezustand geöffnete Ventilkanal 5 geschlossen
wird. Die über
den Einlasskanal 6 in das Ventilgehäuse 2 einströmende Luft
L wird somit über
den Ventilkanal 4 abgeführt.
Durch entsprechende Polung der Spannungsquellen U1 und U2 können
auch beide Ventilkanäle 4 und 5 geöffnet oder
geschlossen werden.
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Bei
der in 3 ohne Spannungsanschlüsse 9,10 dargestellten
Variante mit einem einzelnen, wiederum beidendseitig im Ventilgehäuse 2 gehaltenen Biegewandler 7 ist
dessen mittlerer Bereich im Ausführungsbeispiel
im Ruhezustand in Richtung auf den Ventilkanal 4 gewölbt oder
gebogen. Der dem Ventilkanal 4 gegenüberliegende Ventilkanal 5 ist
im Innenraum 3 in Richtung zum Dichtelement 14' hin verlängert und
erstreckt sich somit bis in die wirksame Nähe des Biegewandlers 7.
Das auf den Biegewandler 7 aufgesetzte oder aufgebrachte
und sowohl auf dessen konvexer als auch auf dessen konkaver Seite
wirksame Dichtelement 14' ist
zweckmäßigerweise
beidseitig gewölbt
ausgeführt.
Einander entgegengerichtete Dichtwölbungen 14'a,14'b sind dabei zweckmäßigerweise
halbku gelförmig
ausgebildet. Dadurch wird insbesondere auch bei einer vergleichsweise
kleinen lichten Weite oder einem vergleichsweise kleinen Innendurchmesser
der Ventilkanäle 4,5 eine
besonders zuverlässige
Dichtwirkung erzielt.
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Beim
Betrieb des Pneumatikventils 1 gemäß 3 wird im
spannungslosen Zustand – oder
auch bei entsprechender Polung der (nicht dargestellten) Spannung
U – mittels
des vorgespannten, gebogenen Biegewandlers 7 das Dichtelement 14' gegen den Ventilsitz 15 gepresst
und somit der Ventilkanal 4 verschlossen, während der
Ventilkanal 5 geöffnet ist.
Durch Umpolen der Spannung U werden infolge einer Ausbiegung des
Biegewandlers 7 entgegen der dargestellten Biegerichtung 13 der
Ventilkanal 5 geschlossen und gleichzeitig der Ventilkanal 4 geöffnet.
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4 veranschaulicht
Versuchsaufbauten A und B mit einem einzelnen anschlussseitig eingespannten
Biegewandler 7, wobei die nachfolgenden Ausführungen
für den
Biegewandler 8 gemäß den 1 und 2 analog
gelten. Während
das Freiende 7b des Biegewandlers 7 gemäß dem Versuchen
A nach Art eines Auslegers frei beweglich ist, ist dieses Freiende 7b gemäß dem Versuch
B lediglich längsverschiebbar
gehalten. Bei beiden Versuchen A und B wurde der gleiche Biegewandler 7 eingesetzt,
dessen Piezokeramikschicht die Abmessungen 38,00 × 12,70 × 0,20 und
dessen Trägerschicht
die Abmessungen 63,4 × 13,7 × 0,15 (Länge, Breite
und Dicke in mm) aufwies. Messparameter war die erforderliche Rückstellkraft
F, um den mit einer Spannung U = 200V(DC) erregten Biegewandler
7 am jeweiligen Punkt PA, PB aus
der ausgelenkten Position Aa, Ba in die
erregungsfrei Ruhe- oder Neutralposition Ab,
bzw. Bb zurückzuführen.
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Beim
Versuch A wurde die Rückstellkraft
F am Freiende 7b des Biegewandlers 7 im Messpunkt PA erfasst, während diese beim Versuch B
im mittleren Bereich des Biegewandlers 7 im Messpunkt PB ermittelt
wurde. Die der Anpress- oder Andruckkraft F1,2 entsprechende
Rückstellkraft
F wurde beim Versuch A mit 0,2N (entspricht 20g) und beim Versuch
B mit 1,25N (entspricht 125g) gemessen.
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Dies
bedeutet, dass durch die erfindungsgemäße Anordnung eines beidendseitig
gehaltenen Biegewandlers 7,8 mit in dessen mittleren
Bereich angeordnetem Dichtelement 14, 16 innerhalb
eines piezoelektrisch betätigten
Ventil 1 eine Erhöhung
der Kraft F1,2 zum Verschließen eines
Ventilkanals 4 bzw. 5 gegenüber einem einseitig eingespannten
Piezoelement um ein Vielfaches erreicht wird.
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- 1
- Ventil
- 2
- Ventilgehäuse
- 2a,b
- Schmalseite
- 3
- Innenraum
- 4,5
- Ventilkanal
- 6
- Eintritts-Ventilkanal
- 7,8
- Biegewandler
- 7a,8a
- Anschlussende
- 7b,8b
- Freiende
- 9
- Anschlusskontakt
- 10
- Anschlussleitung
- 11
- Gehäusenut
- 12
- Wandler-/Gehäuselängsrichtung
- 13
- Biege-/Gehäusequerrichtung
- 14
- Dichtelement
- 14a,b
- Dichtwölbung
- 15
- Ventilsitz
- 16
- Dichtelement
- 17
- Ventilsitz
- a
- Abstand
- L
- Luft
- F1,2
- Anpresskraft