DE3515499A1

DE3515499A1 - Elektropneumatischer wandler

Info

Publication number: DE3515499A1
Application number: DE19853515499
Authority: DE
Inventors: Motoshige Sohka Saitama Ikehata; Katsuhiko Odazima
Original assignee: Shoketsu Kinzoku Kogyo Tokio/tokyo KK; Shoketsu Kinzoku Kogyo KK
Current assignee: SMC KK
Priority date: 1984-05-01
Filing date: 1985-04-30
Publication date: 1986-01-02
Anticipated expiration: 2005-05-01
Also published as: DE3515499C2; US4898200A

Description

KEIL& Schaafhausen

S 67 PG 7 Frankfurt am Main

29.04.1985

SHOKETSU KINZOKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA
16-4, Shinbashi 1-chome Minato-ku

Tokyo 105
Japan

Elektropneumatxscher Wandler

Beschreibung:

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektropneumatischen Wandler für die Umwandlung eines elektrischen Signals in einen Fluiddruck, vorzugsweise einen pneumatischen Druck, und insbesondere auf einen elektropneumatischen Wandler, welcher als Wandlerelement eine Düsenklappe mit einem elektrostriktiven Element aufweist sowie ein Schaltventil zur Erhöhung einer Ausgangsverstärkung haben kann.

Bisher wurden als elektropneumatisch^ Wandler für die Umwandlung elektrischer Signale in pneumatische Drücke Drehmomenterzeuger verwendet. Der Drehmomenterzeuger hat eine mit einem Strom versorgte Spule, um eine dem zugeführten Strom entsprechende Rotationskraft zu erzeugen, welche über Klappen-, Ventil- u. dgl. Mechanismen in einen pneumatischen Druck umgewandelt wird. Normalerweise ist der Strom, welcher dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, ein Gleichstrom in der Größenordnung von 4 mA bis 20 mA.

KEIL& SCHAAFHAUSEN

-Ja-

Wo eine Steuereinrichtung, beispielsweise ein elektropneumatischer Wandler mit einem Drehmomenterzeuger, verwendet wird, ist diese umso widerstandsfähiger gegen mechanische Schwingungen und andere Störungen und stabiler in ihrer Funktionsweise, je größer das von dem Erzeuger gelieferte Drehmoment ist.

Entsprechend der jüngeren Forderung nach kleineren und leichteren Steuereinrichtungen besteht ein wichtiges Ziel darin, den Drehmomenterzeuger in seinen Abmessungen zu verringern. Im allgemeinen ist jedoch die Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Schwingungen umso geringer, desto kleiner der Drehmomenterzeuger und damit das in Abhängigkeit von dem zugeführten Strom erzeugte Drehmoment ist. Deswegen ist es in einer Anzahl von Fällen, in welchen eine solche Steuereinrichtung eingesetzt werden soll, technisch unmöglich, einen Drehmomenterzeuger zu verwenden.

Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Steuereinrichtung in Abmessung und Gewicht bei Vergrößerung oder wenigstens Erhaltung der Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Vibrationen und Stöße zu verringern. Das Wesen der Erfindung bezieht sich in diesem Zusammenhang auf die Verwendung elektrostriktiver Elemente als Wandlerelement für die Umwandlung eines elektrischen Signals in einen pneumatischen Druck. Obgleich es unterschiedliche Gestalten und Materialien für elektrostriktive Elemente gibt, ist die allgemeine Anordnung als bimorphes (zweiplattiges) elektrostriktives Element in der Form einer dünnen im wesentlichen rechteckigen Platte vorgesehen, welche als Auskragung mit einem eingespannten und einem freien Ende ausgebildet ist. Wenn eine Spannung zwischen

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die Elektroden des elektrostriktiven Elements angelegt wird, wird das freie Ende des bimorphen elektrostriktiven Elements in seiner Lage geringfügig verändert. Durch den Bau einer Düsenklappe aus einem elektrostriktiven Element kann daher eine Spannungsänderung einfach in einen Düsengegendruck umgewandelt werden. Eine bekannte Düsenklappe, welche ein elektrostriktives Element verwendet, ist in der PCT/SE 80/00057-Schrift gezeigt. Mit einer solchen Anordnung kann der üblicherweise als Wandlerelement verwendete Drehmomenterzeuger durch ein elektrostriktives Element ersetzt werden. Wenn das elektrostriktive Element eine Größe von etwa 10 mm χ 20 mm und eine Dicke von etwa 0,6 mm hat, besitzt die Düsenklappe eine vernachlässigbare Masse im Vergleich zu dem Drehmomenterzeuger und ist gegen mechanische Schwingungen und Stöße hoch widerstandsfähig.

Obgleich die Ausbildung der Düsenklappe als elektrostriktives Element gewisse Verbesserungen bezüglich der Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Schwingungen und Stöße mit sich bringt, bestehen Probleme bei ihrer Kombination mit einem Schaltventil zur Herstellung eines fertig funktionsfähigen elektropneumatischen Wandlers.

Da insbesondere das elektrostriktive Element im allgemeinen nur geringfügig in Abhängigkeit von einer Änderung der angelegten Spannung in seiner Lage veränderbar ist, muß bisher die angelegte Spannung erhöht und dadurch die erforderliche elektrische Schaltung kompliziert werden, wenn eine relativ große Lageveränderung mit dem elektrostriktiven Element erzielt werden soll. Bei einer großen Lageveränderung hat das elektrostriktive Element außerdem eine geringere Lebensdauer.

KEIL& SCHAAFHAUSEN

-JS-

Angesichts der zuvor beschriebenen Schwierigkeiten üblicher elektropneumatischer Wandler ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines elektropneumatischen Wandlers mit einem elektrostriktiven Element in, Kombination mit einem nicht-belüfteten Schaltventil, welches eine geringe Menge an Luft benötigt, auch wenn es unter hohem Druck eingesetzt wird, wobei das elektrostriktive Element eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Schwingungen und Stöße und der elektropneumatische Wandler gering an Größe und leicht an Gewicht ist.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht im wesentlichen in einem elektropneumatischen Wandler, welcher ein Gehäuse mit Versorgungs- und Ausgangsöffnungen, einen Düsenklappenmechanismus in dem Gehäuse für die Veränderung eines Düsengegendruckes in Abhängigkeit von der Lageveränderung einer Düsenklappe, ein inneres Ventil in einem Durchlaß, welcher die Versorgungsöffnung mit der Ausgangsöffnung verbindet, um den Durchlaß unter der Wirkung einer Zwischenwandanordnung zu öffnen und zu schließen, welche in Abhängigkeit von dem Düsengegendruck wirksam ist, aufweist. Die Düsenklappe weist ein elektrostriktives Element auf, welches in Abhängigkeit von einer Änderung in einem daran angelegten elektrischen Signal lageveränderbar ist. Die Zwischenwandanordnung weist zwei flexible Zwischenwände auf, welche mittig mit Hilfe eines Verbindungsgliedes zusammengekoppelt sind und in Eingriff mit dem inneren Ventil gehalten werden, wobei der Düsenklappenmechanismus eine Düse aufweist , die eine Verbindungsöffnung in Richtung einer der Zwischenwände aufweist, und wobei die andere Zwischenwand in eine Atmosphärendruckkammer weist, welche in dem Gehäuse gebildet und mit der Atmosphäre in Strömungsverbindung steht.

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Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Es zeigt :

Fig. 1 einen Vertikalschnitt eines die Erfindung aufweisenden elektropneumatischen Wandlers mit einem elektrostriktiven Element und einem Schaltventil,

Fig. 2 eine Seitenansicht des elektrostriktiven Elements,

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Rückkopplungssteuersystems für den elektropneumatischen Wandler,

Fig. 4 einen Vertikalschnitt eines elektropneumatischen Wandlers nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 5 bis 9 vertikale Schnittdarstellungen von elektropneumatischen Wandlern entsprechend noch weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Identische oder einander entsprechende Teile sind im folgenden mit identischen oder entsprechenden Bezugszeichen in den verschiedenen Darstellungen versehen.

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Fig. 1 veranschaulicht einen elektropneumatischen Wandler nach der Erfindung mit einem Einheitenkörper oder Gehäuse 10, welcher einen Düsenklappenmechanismus 12 aufnimmt, welcher in einem oberen Abschnitt des Gehäuses 10 untergebracht ist, sowie eine Steuer- oder Schaltventilanordnung 14, welche in einem unteren Abschnitt des Gehäuses 10 untergebracht ist.

Der Düsenklappenmechanismus 12 besteht aus einer Düse 18 mit einem vorgegebenen Mundstückdurchmesser, welcher über einen Durchlaß 17 mit einer Düsengegendruckkammer 16 der Schaltventilanordnung 14 in Strömungsverbindung steht. Der Düsenklappenmechanismus 12 hat ferner eine Klappe 22 in der Form einer auskragenden Platte, deren eines Ende mittels einer Schraube 20 an dem Gehäuse 10 fest eingespannt ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, weist die Klappe 22 ein elektrostriktives Element auf, welches aus zwei Gliedern, nämlich einem oberen und einem unteren piezoelektrischen keramischen Glied 24a, 24b besteht, welche auf ihrer oberen Fläche und ihrer unteren Fläche jeweils Elektroden und eine dazwischenliegende Elektrodenplatte 26 aufweisen, welche sandwichartig zwischen den piezoelektrischen keramischen Gliedern 24a, 24b liegt. Das obere piezoelektrische keramische Glied 24a und die zwischenliegende Elektrodenplatte 26 sind jeweils an Verbindungsleitungen 28a, 28b angeschlossen, über welche eine Spannung an die Klappe 22 anlegbar ist.

Die Schaltventilanordnung 14 weist zwei obere und untere Zwischenwände 30, 32 auf, welche hintereinander angeordnet sind, sowie ein Auslaßventil 34 und ein inneres Ventil 36, welche mit den Zwischenwänden 30, 32 zusammenwirken. Das Auslaßventil 34 besteht aus einem im wesentlichen zylindri-

KEIL& SCHAAFHAUSEN

M -Väschen Körper, welcher am unteren Ende einer Zwischenwandscheibe 33 ausgebildet ist, mittels welcher die Zwischenwände 30, 32 miteinander verbunden und im Abstand voneinander gehalten werden. Wie später noch beschrieben wird, ist ein Abschnitt des inneren Ventils 36 auf den zylindrischen Körper des Auslaßventils 34 aufsetzbar. Das innere Ventil 36 hat einen ersten Ventilkörper 35 und einen zweiten Ventilkörper 37, welche miteinander verbunden sind.

Das Gehäuse 10 hat eine Versorgungsöffnung 38, welche in einer Seitenwand vorgesehen ist und mit der Düsengegendruckkammer 16 über gegenseitig miteinander in Strömungsverbindung stehende Durchlässe 40a, 40b, 40c, 4Od und 40e in Strömungsverbindung steht. Ein festliegendes Mundstück 44 ist in dem Durchlaß 4Od stromab der Versorgungsöffnung 28 angeordnet, um die Strömungsrate der Luft, welche unter Druck zugeführt wird, zu beschränken.

Eine Versorgungsdruckkammer 46 ist direkt mit dem Luftdruck von der Versorgungsöffnung 38 über einen Durchlaß 47, welcher von dem Durchlaß 40b ausgeht, beaufschlagt. Eine Atmosphärendruckkammer 48 ist unterhalb der unteren Zwischenwand 32 gebildet; sie steht mit Atmosphäre über einen Durchlaß oder eine Auslaßöffnung 50 in Verbindung.

Das Gehäuse 10 hat auch eine Ausgangsöffnung 52, welche in einer Seitenwand gegenüber der Versorgungsöffnung 38 gebildet ist. Wenn der Düsengegendruck in der Kammer 16, der Versorgungsdruck in der Kammer 46 und der Atmosphärendruck in der Kammer 48 im Gleichgewicht stehen, verschließt das inneren Ventil 36 eine Luftaufnahmeöffnung 54, welche die Versorgungsöffnung 38 und die Ausgangsöffnung 52 verbindet. Hierbei sitzt der zweite Ventilkörper 37 des inneren Ventils

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36 auf einem Ventilsitz oder einer Auslaßöffnung 60 des Auslaßventils 34, um einen Auslaßdurchlaß 58, welcher zur Atmosphärendruckkammer 48 führt, zu schließen. Daher ist die Schaltventilanordnung 14 vom nicht belüfteten Typ, welcher unter Druckgleichgewicht keine Luft abgibt. Das innere Ventil 36 wird normalerweise mittels einer Feder 74 in eine Richtung gedrückt, um das Luftzufuhrloch 54 zu schließen.

Ein O-Ring 64 ist in einem Durchlaß 62 angeordnet, in welchem der zylindrische Körper des Auslaßventils 34 gleitend bewegbar ist, um, dadurch zu verhindern, daß der Ausgangsdruck in der Ausgangsöffnung 52 zu der unteren Zwischenwand 32 zurückgeführt wird. Der Ausgangsdruck wird von einem Druckfühler 66 (Fig. 3) in ein elektrisches Signal umgewandelt , welches elektrisch an ein Signaleingangsende zurückgeführt wird. Insbesondere ist der Druckfühler 66, welcher eine Halbleitermembrane aufweisen kann, in dem Gehäuse 10 untergebracht, wie mit gestrichelten Linien in Fig. 1 veranschaulicht. Der Druckfühler 66 ist dabei mit der Ausgangsöffnung 52 über einen Durchlaßweg 67 verbunden. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird der Ausgangsdruck von der Schaltventilanordnung 14 als ein von dem Druckfühler 66 kommendes elektrisches Signal nachgewiesen und das elektrische Signal wird dann einer Steuereinrichtung 70 über einen Verstärker 68 zurückgeführt. Die Steuereinrichtung 70 vergleicht das Signal von dem Verstärker 68 mit einem elektrischen Eingangssignal, welches an den elektropneumatischen Wandler angelegt wird. Die Differenz zwischen den miteinander verglichenen Signalen wird dann von einem Verstärker 72 verstärkt und das verstärkte Signal der Klappe 22 aufgegeben.

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Die Betriebsweise des so aufgebauten elektropneumatischen Wandlers ist folgende:

Es sei angenommen, daß die Drücke in den elektropneumatischen Wandlern sich im Gleichgewicht befinden. Zu diesem Zeitpunkt steht der Düsengegendruck an der oberen Oberfläche der oberen Zwischenwand 30 an, während der Versorgungsdruck an der unteren Oberfläche der oberen Zwischenwand 30 ansteht. Der Versorgungsdruck wird auch der oberen Oberfläche der unteren Zwischenwand 32 aufgegeben, während Atmosphärendruck an der unteren Oberfläche der unteren Zwischenwand 32 ansteht. Unter diesem Gleichgewichtszustand sind das Luftaufnahmeloch 54 und die Auslaßöffnung 60 von dem inneren Ventil 36 geschlossen. Wenn die an die Klappe 22 mit dem elektrostriktiven Element anliegende Spannung ansteigt, wird das freie Ende der Klappe 22 in seiner Lage in einer solchen Richtung verändert, daß die Düse 18 geschlossen wird. Da die von der Düse 18 ejizierte Luftmenge verringert wird, steigt der Düsengegendruck in der Düsengegendruckkammer 16 an und wirkt auf die obere Oberfläche der oberen Zwischenwand 30, um die Zwischenwandscheibe 33 nach unten zu drücken. Die Drücke gelangen somit außer Gleichgewicht und die Abwärtsbewegung der oberen und unteren Zwischenwände 30, 32 senkt das Auslaßventil 34, welches einstückig mit der Zwischenwandscheibe 33 ausgebildet ist, ab; damit bewegt sich auch das innere Ventil 36. Der erste Ventilkörper 35 des inneren Ventils 36 wird von seinem Sitz abgehoben, so daß das Luftaufnahmeloch 54 geöffnet wird; dadurch wird ein Teil des Druckes, welcher von der Versorgungsöffnung 38 geliefert wird, als Ausgangsdruck in der Ausgangsöffnung 52 erzeugt. Der Ausgangsdruck, welcher dem Anstieg der an die Klappe 22 angelegten Spannung entspricht, wird dann einem (nicht dargestellten) Verbraucher

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aufgegeben, um an dem Verbraucher die erforderliche Arbeit zu leisten.

Der Durchlaß 62, in welchem das Auslaßventil 64 gleitend beweglich ist, ist in luftdichter Weise mittels eines O-Ringes 64 abgedichtet und die Unterseite der unteren Zwischenwand 32 ist zur Atmosphäre hin über den Durchlaß 50 hin belüftet, wie zuvor beschrieben. Deswegen wird der Ausgangsdruck nicht auf die untere Zwischenwand 32 zurückgeführt und folglich ist die Verstärkung des Ausgangsdruckes bezüglich des Düsengegendruckes so groß, daß der Ausgangsdruck stark variiert, auch wenn sich der Düsengegendruck nur geringfügig ändert.

In dem Maße, wie der Ausgangsdruck mittels des Druckfühlers 66 als ein elektrisches Signal zu dem Signaleingangsende zurückgeführt wird, kehrt der Düsengegendruck auf seinen ursprünglichen Pegel zurück, wenn der Ausgangsdruck eine Höhe erreicht, welche durch das Eingangssignal angegeben wird. Dann kehrt das innere Ventil 36 unter der Vorspannung der Feder 35 zurück, um das Luftaufnahmeloch 54 und die Auslaßöffnung 60 zu schließen, worauf die Drücke in einen neuen Gleichgewichtszustand gebracht werden.

Fig. 4 zeigt einen elektropneumatischen Wandler gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Das Gehäuse 10 hat einen Umgehungsdurchlaß (Bypass) 76 von verringertem Durchmesser, welcher in Strömungsverbindung mit der Versorgungsöffnung 38 und der Ausgangsöffnung 52 unter Umgehung des Luftzufuhrloches 54 gehalten wird. Der Umgehungsdurchlaß 76 erlaubt es, daß eine geringe Luftmenge unter Druck von der Versorgungsöffnung 58 in die Ausgangsöffnung 52 gelangt. Da der Ausgangsdruck unter dem Druckgleichgewichtszustand

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allmählich ansteigt , wird der Anstieg des Ausgansdruckes von dem Druckfühler 66 festgestellt, welcher die an die Prallplatte 22 angelegte Spannung verändert. Der Düsengegendruck wird dann verändert, um die Zwischenwände 30, 32 und das Auslaßventil 34 anzuheben. Als Ergebnis wird der zweite Ventilkörper 37 des inneren Ventils 36 leicht geöffnet , um den erhöhten' Ausgangsdruck abzubauen, während das innere Ventil 36 in schwimmendem Zustand gehalten wird. Das innere Ventil 36 hat nunmehr eine erhöhte Empfindlichkeit, weil es auf eine geringe Änderung des Düsengegendruckes reagiert. Wenn der Umgehungsdurchlaß 76 nicht vorhanden wäre, würde der zweite Ventilkörper 37, wenn er geschlossen ist, gegen den Ventilsitz 60, welcher ein Auskleidungsglied aus Gummi (nicht dargestellt) aufweist, angedrückt und an diesem festgelegt, was zu einer verringerten Empfindlichkeit führt.

Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung gemäß Fig. 5 hat das innere Ventil 36 einen Umgehungsdurchlaß 78, welcher in ihn selbst gebildet ist, um eine Strömungsverbindung zwischen der Versorgungsöffnung 38 und der Ausgangsöffnung 52 unter Überbrückung des Luftaufnahmeloches 54 zu schaffen, und zwar zum gleichen Zweck wie anhand von Fig. 4 bezüglich des Umgehungsdurchlaßes 76 erläutert. Der Umgehungsdurchlaß 78 erstreckt sich axial in dem inneren Ventil 36; ein Ende von ihm liegt auf der Unterseite des ersten Ventilkörpers 35 offen und das gegenüberliegende Ende öffnet sich seitlich in die Ausgangsöffnung 52. Das innere Ventil 36 wird während der gesamten Zeit in schwimmendem Zustand gehalten, so daß es auf Veränderungen des Düsengegendruckes schnell reagiert.

Eine weitere Ausführungsform des elektropneumatischen Wand-

KEIL& SCHAAFHAUSEN

lers entsprechend der Erfindung ist aus Fig. 6 zu entnehmen. Ein Umgehungsdurchlaß 80 ist in dem inneren Ventil 36 in Strömungsverbindung zwischen der Auslaßöffnung 60 und der Ausgangsöffnung 52 gebildet. Bei dieser Ausführungsform wird zum Ausgleich einer allmählichen Verringerung des Ausgangsdruckes, wenn Gleichgewicht herrscht, das innere Ventil 36 leicht geöffnet , um den Versorgungsdruck in die Ausgangsöffnung 52 zu führen.

Wo ein Auskleidungsglied beispielsweise aus Gummi auf dem ersten Ventilkörper 35 angeordnet ist , wird es nicht gegen die Kante um das Luftaufnahmeloch 54 gedrückt und festgesetzt , da das innere Ventil 36 in einem schwimmenden Zustand gehalten wird, wodurch eine hohe Ventilempfindlichkeit gesichert ist.

Fig. 7 zeigt einen elektropneumatischen Wandler gemäß einer noch weiteren Ausführungsform. Wie dort veranschaulicht, ist eine Auslaßöffnung 86 unterhalb des inneren Ventils 36 festgelegt, welches im Vergleich zu den inneren Ventilen 36 in den vorhergehenden Ausführungsformen umgedreht ist. Das innere Ventil 36 sitzt an der Zwischenwandscheibe 33 und greift an der Auslaßöffnung 86 an. Die Auslaßöffnung 86 ist in einem Luftaufnahmeventil 88 gebildet , welches gleitend in einer Bohrung 90 des Gehäuses 10 aufgenommen und normalerweise unter der Kraft einer Schraubenlinienfeder 92 nach oben gedrückt wird, so daß es an einem Ventilsitz 96 mittels einer Gummidichtung 94 sitzt.

Wenn sich der Druck in der Dusengegendruckkammer 16 ändert, senken sich die Zwischenwände 30, 32 ab, um das innere Ventil 36 und dadurch das Luftaufnahmeventil 88 gegen die Federkraft der Schraubenlinienfeder 92 niederzudrücken. Zu

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diesem Zeitpunkt hebt die Gummidichtung 94 von dem Ventilsitz 96, welche die Form einer scharfen Kante hat, ab; die Versorgungsöffnung 38 und die Ausgangsöffnung 52 werden dadurch in Strömungsverbindung miteinander gebracht. Der Ausgangsdruck von der Ausgangsöffnung 52 steigt dadurch an, um die gewünschte Arbeit an einen Verbraucher zu leisten, wobei der erhöhte Ausgangsdruck dem Anstieg in der angelegten Spannung entspricht.

Ein elektropneumatischer Wandler gemäß einer noch weiteren Ausführungsform ist in Fig. 8 gezeigt. Der elektropneumatisch^ Wandler von Fig. 8 hat keine Versorgungsdruckkammer, jedoch eine Ausgangsdruckkammer 84, welche zwischen den Zwischenwänden 30, 32 gebildet und mit der Ausgangsöffnung 52 über einen Durchlaß 82 von geringem Durchmesser verbunden ist, um einen Teil des Ausgangsdruckes über den Durchlaß 52 in die Ausgangsdruckkammer 84 zu übertragen. Durch Auswahl einer geringen Differenz zwischen den wirksamen Flächen der Zwischenwände 30, 32 kann die Verstärkung des Ausgangsdruckes bezüglich des Düsengegendruckes sehr hoch gemacht werden, so daß der Ausgangsdruck in Abhängigkeit von einer geringen Veränderung des Düsengegendruckes stark variiert.

Die Ausgangsdruckverstärkung kann in Abhängigkeit von dem Düsengegendruck wie folgt bestimmt werden: Die folgenden Gleichungen können aufgestellt werden, wenn die auf die Zwischenwandscheibe 33 wirkenden Kräfte ausgeglichen sind:

^PN^AN = ^P0^(AN - V
Io ^AN

P ~ A _ A

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Ai -

wobei P der Druck ist, welcher auf die Zwischenwandscheibe 33 wirkt, d. h. der Düsengegendruck, P ist der Ausgangsdruck, A_x, ist die wirksame Fläche der Zwischenwand 30 und A_n ist die wirksame Fläche der Zwischenwand 32. Um die Druckverstärkung P /P zu erhöhen, sollte die Differenz zwischen den wirksamen Flächen A A verringert werden. Wenn beispielsweise A = 5 und A = 4 ist, dann ist:

⁵ ₅

P 5-4
N

Somit ist die Verstärkung des Ausgangsdruckes in Bezug auf den Düsengegendruck gleich 5.

Fig·. 9 veranschaulicht eine noch weitere Ausführungsform nach der Erfindung. Der elektropneumatisch^ Wandler nach Fig. 9 ist ähnlich dem von Fig. 8, hat jedoch ein Luftaufnahmeventil 88, welches mit dem Luftaufnahmeventil 88 von Fig. 7 identisch ist. Die Ausgangsdruckkammer 84 zwischen den Zwischenwänden 30, 32 ist über einen Durchlaß 98 in Strömungsverbindung mit der Ausgangsöffnung 52 gehalten.

Wenn sich in Betrieb der Druck in der Düsengegendruckkammer 16 ändert, senken sich die Zwischenwände 30, 32 ab, um das innere Ventil 36 und dadurch das Luftaufnahmeventil 88 gegen die Rückstellkraft der Schraubenlinienfeder 92 nach unten zu drücken. Zu diesem Zeitpunkt wird die Gummidichtung 94 von dem Ventilsitz 96 in Form einer scharfen Kante abgehoben; die Versorgungsöffnung 38 und die Ausgangsöffnung 52 werden in Strömungsverbindung zueinander gebracht . Die so in dem Ausgangsdruck der Ausgangsöffnung 52 erzeugte Veränderung wird über den Durchlaß 58 auf die

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Ausgangsdruckkammer 84 übertragen, um die Zwischenwandscheibe 33 anzuheben. Demzufolge wird das innere Ventil 36 ebenfalls angehoben, so daß der Ausgangsdruck über die Auslaßöffnung 86 abgebaut werden kann.

Während in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Düsenklappenmechanismus 12 und die Schalt- bzw. Steuerventilanordnung 14 in einem einzigen Wandlergehäuse 10 aufgenommen sind, können diese selbstverständlich auch in getrennten Gehäuse angeordnet sein.

Bei der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung ist der Wandler, da die Düsenklappe ein elektrostriktives Element aufweist, gegen mechanische Schwingungen und Stöße sehr unempfindlich; außerdem ist geringe Größe und leichtes Gewicht gewährleistet. Soweit der Ausgangsdruck nicht als pneumatischer Druck zu den Zwischenwänden der Schaltventilanordnung zurückgeführt wird, kann der Ausgangsdruck in Abhängigkeit von einer geringen Lageveränderung des elektrostriktiven Elementes in weiten Grenzen verändert werden. Deswegen verbraucht der erfindungsgemäße Wandler nur eine geringe Energiemenge und ist sehr genau in seiner Funktionsweise entsprechend der verringerten Hysterese und Nicht-Linearität des elektrostriktiven Elements. Das elektrostriktive Element ist außerdem sehr dauerhaft, da es nur geringen Lageveränderungen unterworfen wird. Da fernerhin die Schalt- und Steuerventilanordnung vom nicht belüfteten Typ ist, verbraucht sie nur eine geringe Luftmenge, auch wenn sie unter hohem pneumatischen Druck steht.

Der erfindungsgemäße elektropneumatische Wandler kann als ein Steuerrelais, vorzugsweise in Form eines elektropneu-

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-IB-

matischen Stellgliedes für die Steuerung der Lageveränderung eines Steuerventils verwendet werden.

Obgleich bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele näher dargestellt und beschrieben worden sind, können ersichtlich verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Wandler nicht auf eine pneumatische Funktionsweise beschränkt, sondern ermöglicht ebenso eine hydraulische Funktionsweise, wenn statt eines gasförmigen Fluids, wie Luft, ein flüssiges Fluid, wie beispielsweise Öl verwendet wird.

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Claims

KeiL&SCHAAFHAUSEN \ S 67 PG 7 Frankfurt am Main 29.04.1985 K/GÖ SHOKETSU KINZOKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA 16-4, Shinbashi 1-chome, Minato-ku Tokyo 105 Japan Elektropneumatischer Wandler Ansprüche:

1. Elektropneumatischer Wandler mit:

a) einem Gehäuse (10) mit einer Versorgungsöffnung (38) und einer Ausgangsöffnung (52),

b) einem Dusenklappenmechanismus (12) in dem Gehäuse (10) für die Veränderung eines Düsengegendrucks in Abhängigkeit von der Lageveränderung einer Düsenklappe (22),

c) einem inneren Ventil (36) in einem Durchlaß, welcher die Versorgungsöffnung (38) mit der Ausgangsöffnung (52) verbindet, um den Durchlaß unter der Wirkung einer Zwischenwandanordnung (30, 32), welcher in Abhängigkeit von dem Düsengegendruck arbeitet, zu öffnen und zu schließen,

d) wobei die Düsenklappe (22) ein elektrostriktives Element aufweist, welches in Abhängigkeit von einem daran ange-

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daran angelegten elektrischen Signal in seiner Lage veränderbar ist , und

e) wobei die Zwischenwandanordnung (30, 32) zwei flexible Zwischenwände (30, 32) aufweist, welche mittig über ein Verbindungsglied (33) miteinander gekoppelt sind, welches in Eingriff mit dem inneren Ventil (36) gehalten wird, wobei der Dusenklappenmechanismus (12) eine Düse (18) aufweist, welche eine Verbindungsöffnung (17) in Richtung auf eine Zwischenwand (30) hat, während die andere Zwischenwand (32) in eine Atmosphärendruckkammer (48) weist, welche in dem Gehäuse (10) gebildet ist und mit der Atmosphäre in Strömungsverbindung steht.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ventil (36) ein nicht entlüftetes Schaltventil (14) aufweist.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrostriktive Element vom bimorphen Typ ist und eine auskragende im wesentlichen rechteckige Platte (36) aufweist, deren eines Ende an dem Gehäuse (10) befestigt und deren gegenüberliegendes Ende frei ist.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsglied (33) ein Auslaßventil (34) hat, welches von einem Ende des inneren Ventils (36), welches mit diesem in Eingriff steht, offenbar und schließbar ist.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zwischenwände (30, 32) eine

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Kammer (46) zwischen sich begrenzen, welche in Strömungsverbindung mit der Versorgungsöffnung (38) über einen Durchlaß (47) in dem Gehäuse (10) steht, so daß ein Versorgungsdruck von der Versorgungsöffnung (38) in die Kammer (46) übertragen wird, wobei die eine Oberfläche einer Zwischenwand (30) dem Düsengegendruck und eine Oberfläche der anderen Zwischenwand (32) dem Atmosphärendruck in der Atmosphärendruckkammer (48) ausgesetzt ist.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ventil (36) einen Umgehungsdurchlaß (78) aufweist, welcher in diesem vorgesehen ist und die Versorgungsöffnung (38) mit der Ausgangsöffnung (52) verbindet.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ventil (36) einen Umgehungsdurchlaß (80) aufweist, welcher in ihm vorgesehen ist und die Ausgangsöffnung (52) mit der Atmosphärendruckkammer (48) verbindet.

8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) einen Umgehungsdurchlaß (76) aufweist, welcher in ihm gebildet ist und die Versorgur.gsöf fnung (38) mit der Ausgangsöffnung (52) verbindet .

9. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zwischenwände (30, 32) eine Kammer (46) zwischen sich begrenzen, welche in Strömungsverbindung mit der Ausgangsöffnung (52) über einen Durchlaß (82) steht, welcher in dem Gehäuse (10) gebildet ist, so daß ein Ausgangsdruck von der Ausgangsöffnung (52) in die Kammer (46) übertragen wird, wobei eine Oberfläche einer

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Zwischenwand (30) dem Düsengegendruck und eine Oberfläche der anderen Zwischenwand (32) dem Atmosphärendruck in der Atmosphärendruckkammer (48) ausgesetzt ist.

10. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ventil (36) auf dem Verbindungsglied (33) angeordnet ist und eine Auslaßöffnung (60) für die Ausgangsöffnung (52) aufweist, wobei das innere Ventil (36) in Abhängigkeit von der Lageveränderung der Zwischenwände (30, 32) beweglich ist, um die Auslaßöffnung (60) zu öffnen und dadurch zu ermöglichen, daß der Ausgangsdruck abgebaut wird.

11. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Zwischenwand (30) eine wirksame Fläche aufweist, welche größer ist als die wirksame Fläche der anderen Zwischenwand (32).