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Ventil für strömende Medien Die Erfindung betrifft ein Ventil für
strömende Medien mit einem Ventilgrundkörper mit Ourchflußkanälen und einem einen
Durchflußquerschnitt für ein zu steuerndes Medium beeinflussenden Steuerteil.
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Bei bekannten Ventilen, insbesondere bei solchen für hohe Einstell-
oder Ansprechgeschwindigkeiten, z.B. bei servohydraulischen Ventilen, wird eine
elektromagnetische Ansteuerung, gegebenenfalls mit Zwischenverstärkern verwendet.
Solche Ventile sind jedoch nur bis zu bestimmten Frequenzen verwendbar und daher
in ihrem Frequenzbereich nach oben begrenzt.
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Auch ihr Regelverhalten ist nicht immer befriedigend, da bei höheren
Frequenzen ein Amplitudenabfall und eine Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und
Ausgangssignal auftritt.
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Eine elektromagnetische Anstewsung wird auch für andere Ventile, wie
Proportionalventile und Schaltventile beliebiger Art vorgesehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ventil für strömende
Medien zu schaffen, das insbesondere für einen hohen Frequenzbereich verwendbar
ist, ein genaues Regelverhalten aufweist und besonders feinfühlig einstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäR durch die in den Patentansprüchen angegebenen
Merkmale gelöst, die auch vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung erfassen.
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Nach der Erfindung werden piezoelektrische Elemente als Absperr- oder
Betätigungselemente für Ventile für strömende Medien eingesetzt. Der piezoelektrische
Effekt ist in der Technik bekannt. Wenn man bestimmte Kristalle durch mechanische
Beanspruchung verformt, werden elektrische Ladungen auf ihnen erzeugt. Auch die
Umkehrung des piezoelektrischen Effekts oder Piezoeffekts ist bekannt, d.h. die
gleichen Materiaiien ändern unter dem Einfluß einer elektrischen Ladung ihre Abmessungen.
Kristalle
oder piezoelektrische Elemente, bei denen solche Erscheinungen auftreten, sind z.B.
Duarzkristalle oder synthetisch hergestellte Keramikelemente (Metalloxyde).
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Die Eigenfrequenz von Ventilen mit piezoelektrischen Elementen liegt
um einige Zehnerpotenzen über der Eigenfrequenz von Ventilen bekannter Art und reicht
in den Megahertz-Bereich.
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Dadurch läßt sich ein genaues Regelverhalten besonders bei hohen Frsquenzen
erzielen, ohne daß ein Amplitudenabfall td.h. eine Verringerung der Ventilöffnung)
oder eine Phasenversfiebung (zwischen dem elektrischen Eingangssignal und z.B. dem
VentildurchfluB) eintritt. Die sehr kleinen Verformungen bzw. Wege, die bei piezoelektrischen
Elementen beim Anlagen einer Spannung auftreten, bringen es mit sich, daß mit solchen
Elementen eine besonders genaue und feinfühlige Ventileinstellung und zwar sowohl
bei statischem als auch bei dynamischem Betrieb möglich ist.
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Das erfindungsgemäße Ventil kann für beliebige flüssige und gasförmige
Medien, z.B. für die Steuerung von Durchflüssen oder Drücken verwendet werden und
beispielsweise als Steuer-, Regel- oder Schaltventil eingesetzt werden. Durch mehrere,
in geeigneter Weise zusammengeschaltete Ventile kann ein leckfrei arbeitendes Servoventil
hergestellt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend mit Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen
schematisch dargestellt und näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 und 2 ein Durchflußregelventil mit einem piezoelektrischen
Absperrelement (Fig. 1 Längsschnitt, Fig. 2 Querschnitt) Fig. 3 a bis Beispiele
für Ausführungsformen von Ventilen f mit piezoelektrischen Elementen Fig. 4 ein
hydraulisches Servoventil mit einem piezoelektrischen Betätigungselement
Fig.
5 Digitalventil mit piezoelektrischen Elementen Fig. 6 Mehrwegeventil mit piezoelektrischen
Elementen Fig. 7 hyfraulischer Belastungszylinder mit angebauten piezoelektrischen
Ventilen.
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In Fig. 1 und 2 ist ein Ventil dargestellt, das einen Durchfluß sperrt,
freigibt oder ändert. In einem Ventilgrundkörper 1 sind Druckmittelzuführungskanäle
2, 2' und Druckmittelabführungskanäle 3, 8 zum Verbraucht angeordnet. Der Grundkörper
1 kann hierbei, wie in der Zeichnung angedeutet, beispielsweise zweiteilig ausgeführt
und durch 5chraubwrbindungen 4, 4' druckmitteldicht verbunden sein. In den Zuführungskanälen
2, 2' ist ein piezoelektrisches Element 5 angeordnet. Oieses Element ist als kurzer
Zylinder ausgebildet, der an seinem Umfang im Grundkörper 1 geführt-ist (siehe Fig.
2).
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Das piezoelektrische Element 5 hat im Ruhezustand in Achsrichtung
die Länge 1. Hierbei kann es durch eine angelegte Spannung bereits vorgespannt sein.
Durch die Spannung kann auch ein in den Zuführungskanälen 2, 2' auf das Element
wirkender Druck kompensiert werden. Das Element liegt mit beiden Stirnflächen am
Grundkörper 1 an und sperrt dabei den Durchfluß des Druckmittels Q, 4' von den Druckmittelzuführungskanälen
2, 2' zum Druckmittelabführungskanal 3 leckfrei ab.
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Wird an das piezoelektrische Element 5 eine geeignete elektrische
Spannung U angelegt, so verkürzt sich das Element in Achsrichtung, beispielsweise
um den Betrag 1. Dadurch entstehen Spalte 6, 6'. Das Druckmittel 0, Q' kann jetzt
über de Spalte 6, 6' sowie im Grundkörper 1 angeordnete Nuten 7 und Abführungskanäle
8 und 3 als Durchfluß Qv zum Verbraucher fließen. Die Durchflußrichtung kann auch
umgekehrt werden so daß das Druckmittel bei 3 zufließen und bei 2 und 2' abfließen
kann.
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Die Kennlinie eines piezoelektrischen Elements, d.h. die Beziehung
zwischen
mechanischer Verformung bzw. mechanischer Spannung und elektrischer Spannung ist
im allgemeinen nicht linear. Nichtlinearitäten und Hystereseerscheinungen können
jedoch durch geeignste Kompensationseinrichtungen ausgeglichen werden.
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Et dem beschriebenen Ventil kann sowoh-l der Durchfluß als auch der
Druck in einem angeschlossenen Verbraucher gesteuert oder geregelt werden. Hierzu
wird lediglich die an das piezoelektrische Element 5 angelegte Spannung U verändert.
Da das piezoelektrische Element eine sehr hohe Eigenfrequenz hat, können Durchflüsse
bzw. Drücke mit entsprechend hoher Frequenz gesteuert bzw. geregelt werden, ohne
daß eine Durchflußänderung oder eine Phasenverschiebung zwischen Eingangssignal
(der angelegten Spannung) und Ausgangssignal (z.B.
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dem Ventildurchfluß) auftritt. Ein solches Ventil eignet sich daher
z. a. besonders für hydraulische Regelkreise zur Nachbildung von hochfrequenten
Schwingungen in Prüfeinrichtungen.
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In den Figuren 3a bis 3f sind einige weitere Ausführungsformen von
Ventilen mit möglichen Anordnungen von piezoelektrischen Elementen stark vereinfacht
dargestellt. Der Ventilgrundkörper mit den Druckmittelkanälen ist jeweils mit 1
und das piezoelektrische Element mit 5 bezeichnet. Die Schließstellung des Ventils
bzw. piezoelektrischen Elements ist voll, die Offnungsstellung gestrichelt gezeichnet.
Die Pfeile geben die Durchflußrichtung an, wobei im allgemeinen auch eine Umkehrung
möglich ist.
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Das piezoelektrische Element 5 kann bei den in den Figuren 3 a bis
e dargestellten Anordnungen z.B. zylinderförmig ausgebildet sein und einen runden
Querschnitt aufweisen. Bei diesen Ausführungsformen wird praktisch nur eine Längenänderung,
d.h. eine eindimensionale Änderung des Elements ausgenützt.
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Bei den Ausführungsformen nach Fig. 3 a bis c, 3 e und 3 f wird das
piezoelektrische Element an einer Stirnseite fest mit dem Ventilgrundkörper verbunden,
bei der Ausführung nach Fig, 3 d ist das Element umfangseitig befestigt. Bei der
Ausführung
3c ist das piezoelektrische Element in einer elastischen
Hülse 12 druckmitteldicht aufgenommen.
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Bei der Ausführung nach Fig. 3 e ist das piezoelektrische Element
5 mit einem Absperrelement 10 verbunden, das mit einem Ventilsitz im Ventilgrundkörper
zusammenwwirkt. Bei allen übrigen Ausführungsformen wirkt das piezoelektrische Element
selbst als Absperrelement. Die Stimfläche des Absperrelements kann hierbei aus einem
für Ventile bzw. Abdichtungen geeigneten Material bestehen. Je nach Form des Absperrelements
und des Ventilsitzes ergeben sich unterschiedliche Spaltformen bei Öffnungsstellung
des Ventils, z.B. Flachspalte (Fig. 3 c), Ringspalte (Fig. 3 a, 3 d), usw.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 f kann das piezoelektrische Element
beispielsweise einen quadratischen Qurschnitt aufweisen dadurch können zwei- oder
dreidimensionale Abmessungsänderungen des Elements zur Beeinflussung des Durchflußquerschnitts
ausgenutzt werden.
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In Fig. 4 ist ein hydraulisches Servoventil 20 zur Steurung eies hydraulischen
Belastungszylinders 21 dargestellt. Solche Anordnungen von Servoventilen und hydraulischen
Belastungszylindern sind bekannt. Der Steuerschieber 22 des Servoventils 20 weist
jedoch als Betätigungselement nicht ein übliches elektromagnet-sch wirkendes Element,
sondern ein piezoelektrisches Element 25 auf. Dieses Element ändert bei elektrischer
Ansteuerung seine Länge und verschiebt damit den Steuerschieber 22 des Servoventiis
20 in axialer Richtung ts. Doppelpfeil). Dadurch wird die Druckmittelzufuhr und
damit z.B. die Druckmittelmenge oder der Druck in den Zylinderkammern 23, 2.3' gesteuert
bzw. geregelt. Durch die Betätigung des Servoventils über ein piezoelektrisches
Element läßt sich eine höhere Eigenfrequenz als bei bisher bekannten Servoventilen
erreichen.
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Digitale Ventilanordnungen können dadurch hergestellt werden,
daß
mehrere Ventile nach den Figuren 1 bis 3 mit unterschiedlochen Nenndurchflüssen
in einem Ventilblock zusammengefaßt werden. Eine mogliche Ausführungsform für ein
Digitalventil zeigt Fig. 5. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind 4 Ventile I bis
IV für unterschiedlich große Durchflüsse in einem Grundkörper 11 zusammengefaßt.
Die piezoelektrischen Elemente 5, die als flache Zylinder dargestellt sind und zum
Beispiel einen kreisförmigen Ouerschnitt aufweisen können, wirken unmittelbar als
Abperrelemente. Eine Stirnseite der piezoelektrischen Elemente 5 ist fest mit dem
Grundkörper 11 verbunden, die andere Stirnseite wirkt mit den im Grundkörper angeordneten
kegelförmigen Ventilsitzen (bei Ventil IV in der Figur mit 13 angedeutet) zusammen
und sperrt die Ventilöffnung ab oder gibt sie frei. Bei freigegebener Ventilöffnung
entstehen im dargestellten Beispiel Ringspalte, durch die das Druckmittel über Verbindungskanäle
14 zum Verbraucher fließen kann.
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Die Schließstellung der Absperrelemente 5 ist voll, die Öffnungsstellung
gestrichelt gezeichnet. Die Durchflußrichtung ist durch Pfeile angegeben. Sie ist
auch hier umkehrbar.
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Die Ventile I bis IV können einzeln oder in beliebigen Kombinationen
geschaltet werden. Für die einzelnen Ventile kann beispielsweise eine geometrische
Stufung der Durchflußquerschnitte vorgesehen werden. Auf diese Weise läßt sich mit
einer entsprechenden elektrischen Schaltung bei digitalen Ventilen mit wenigen Ventileinheiten
eine sehr feine Stufung der Durchflußmenge über einen weiten Arbeitsbereich erreichen.
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Durch Zusammenschaltung mehrerer gleicher Einzelventile können Mehrwegeventile
hergestellt werden. Ein einfaches Ausführungsbeispiel eines solchen Ventils ist
in Fig. 6 dargestellt. In einem Grundkörper sind zwei Ventile V1 und V2 mit piezoelektrischen
Elementen angeordnet. Die Ventile können z.B. entsprechend Fig. 3 a ausgeführt sein.
Das Mehrwegeventil weist drei Anschlüsse A, B und P auf. Die Anschlüsse A und P
können z.P. Verbraucheranschlüsse sein, der Anschluß P kann z.B. von einer Druckmittelpumpe
kommen. Mit dem Ventil sind vier Schaltstellungen
möglich: beide
Ventile V1 und V2 offen oder geschlossen; nur Ventil V1 offen; nur Ventil V2 offen.
In ähnlicher Weise können durch Kombination von Einzelventilen Wegeventile beliebiger
Art mit den vrschiedensten Verbrauciranschlüssen hergestellt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 bilden die Ventile V1 bis
V4 ebenfalls ein Mehrwegeventil. Die Ventile mit piezoelektrischen Elementen sind
unmittelbar am Verbraucher, im dargestellten Beispiel einem hydraulischen Belastungszylinder,
angebaut. Sie wirken bei entspechender Schaltung wie ein hydraulisches Servoventil.
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Das von einer Pumpe P kommende Druckmittel wird über die Ventile V1
oder V2 dem Zylinderraum A oder B des Belastungszylinders zugeführt und wirkt auf
den Kolben K. Die Ventile V3 und V4 sperren die Rüddaufleitungen RA und RB ab bzw.
geben sie frei. Über die Rüddaufleitungen RA, RB und R kann das Druckmittel in den
Vorratsbehälter T zurückgeführt werden.
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Wenn die dargestellte Anordnung als Servoventil arbeitet, werden im
allgemeinen drei Schaltstellungen verwendet: Schaltstellung 1: alle Ventile geschlossen,
Kolben K befindet sich in Ruhestellung, es tritt kein Leckfluß auf.
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Schaltstellung 2: V1 und V4 geöffnet, Kolben K bewegt sich nach rechts
Schaltstellung 3: V2 und V3 geöffnet, Kolben K bewegt sich nach links.
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Die Einzelventile können hierbei je nach Ansteuerung unterschiedlich
weit geöffnet werden, so daß - wie bei bekannten Servoventilen - jeweils beliebige
Zwischenstellungen zwischen dem geschlossenen und dem vollständig geöffneten Zustand
möglich sind. Da die Ventile unabhängig voneinander geschaltet werden können, ist
es darüberhinaus möglich, den K.aftverlauf im Belastungszylinder zusätzlich zu beeinflussen.
So kann z.B.
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bei Stoßvorgängen das Auslaßventil (z.B. V4) bereits bei noch offenem
Einlaßventil Cz.B. V1) geschlossen werden. Dadurch lassen sich hohe Verzögerungen
bzw. ein besonders steilsr
Kraftanstieg erzielen. Die im Belastungszylinder
auftretenden Drücke können dabei erheblich über dem Systemdruck liegen.
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Die Ventile V1 bis V4 können zusätzlich als Druckmeßelemente ausgebildet
sein. Die elektrische Schaltung und Beaufschlagung der Ventile muß entsprechend
ausgeführt und abgestimmt sein.
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Auf diese Weise ist es möglich mit der dargestellten Ventilanordnung
auch den Druck im Belastungszylinder bzw. die vom Kolben ausgeübte Kraft zu messen
und gegebenenfalls zu steuern oder zu regeln. Die gleichzeitige Verwendung der piezoelektrischen
Elemente als Absperr- und Druckmeßelement kann auch bei den meisten anderen Ausführungsbeispielen
vorgesehen werden.
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Le e r s e i t e