DE3713697A1 - Ultra-fast control valve - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisch betätigtes, ultraschnelles Ventil mit einem Antrieb aus gestapelten piezoelektrischen Elementen.The invention relates to an electrically operated, ultra-fast valve with a drive made of stacked piezoelectric elements.
Ein elektrischer Auslöseimpuls wurde bisher üblicherweise dadurch in eine hydraulische Steuerung umgesetzt, daß ein Ventil mittels einer Spule mit Eisen und Anker bewegt wurde. Ein solches System verhält sich jedoch relativ träge, da sich ein Magnetfeld aufbauen muß sowie relativ große Massen zu bewegen sind. Solche Zeitverzögerungen sind, insbesondere bei der Verwendung der hydraulischen Steuerung für Schaltgeräte für Hoch-, Mittel- und Niederspannungen, von Nachteil, da es bei diesen Schaltgeräten auf möglichst kurze Schaltzeiten ankommt.An electrical trigger pulse has heretofore usually been converted into a hydraulic control implemented that a valve by means of a coil with Iron and anchor was moved. However, such a system behaves relatively sluggish, since a magnetic field has to build up and relatively large Masses are to be moved. Such delays are, especially in the Use of the hydraulic control for switching devices for high, medium and low voltages, disadvantageous as it is based on these switchgear short switching times arrive.
Aus der DE-PS 29 17 933 ist ein elektrisch betätigtes Ventil mit einem Antrieb aus gestapelten piezoelektrischen Elementen bekannt. Dabei wird durch einen Stapel von 50 piezoelektrischen Elementen eine Ventilöffnung erzielt, die beispielsweise für die Steuerung des Kraftstoffzuflusses eines Kraftfahrzeugmotors ausreicht.From DE-PS 29 17 933 is an electrically operated valve with a Drive known from stacked piezoelectric elements. Doing so a valve opening through a stack of 50 piezoelectric elements achieved, for example, for controlling the fuel flow a motor vehicle engine is sufficient.
Ein solches mit piezoelektrischen Elementen betriebenes Ventil ist jedoch nicht dazu geeignet, große Durchflußöffnungen freizugeben, da der Hub, trotz Stapelung von vielen Elementen, in einer Größenordnung ca. 1 mm liegt. Für die hydraulische Steuerung großer Kräfte muß eine große Durch flußöffnung freigegeben werden, was einen entsprechend großen Hub des Steuer ventils voraussetzt.However, such a valve operated with piezoelectric elements is not suitable for opening large flow openings because the stroke, despite the stacking of many elements, in the order of approx. 1 mm lies. For the hydraulic control of large forces, a large through must flow opening are released, which is a correspondingly large stroke of the tax valve requires.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil verfügbar zu machen, daß zur schnellen und zuverlässigen Schaltung großer Kräfte geeignet ist.The object of the invention is to make a valve available, that is suitable for fast and reliable switching of large forces.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch das Flächen verhältnis der Stapeldeckfläche der piezoelektrischen Elemente zu der Kolbenfläche des Ventilstössels sowie einem zwischen diesen Elementen angeordneten Hydraulikraum eine Vergrößerung des Hubs erzielt ist.The object is achieved in that by the surfaces ratio of the stack top surface of the piezoelectric elements to the Piston surface of the valve lifter and one between these elements arranged hydraulic space an increase in stroke is achieved.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Ventils liegt darin, daß große Durchfluß öffnungen für hohe Drücke äußerst schnell freigegeben werden. Es ist un empfindlich gegen Verschleiß, zuverlässig in seiner Funktion, benötigt eine geringe Wartung und ist einfach in seinem Aufbau. Es ist für die äußerst schnelle Beherrschung großer Kräfte geeignet.The advantage of the valve according to the invention is that large flow openings for high pressures are released extremely quickly. It is un sensitive to wear, reliable in its function, needed low maintenance and is simple in construction. It is for them extremely quick mastery of large forces.
Weiterbildungen der Erfindungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further developments of the inventions can be found in the subclaims.
Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung, die der Erhöhung der Zuverlässigkeit sowie der Betriebssicherheit dient, besteht in einer Kompensation von Ausdehnungen sowohl der Hydraulikflüssigkeit wie der piezoelektrischen Elemente infolge von Änderungen der Außentemperatur.A particularly favorable embodiment of the invention, the increase in Reliability, as well as operational safety, is one Compensation for expansion of both the hydraulic fluid and the piezoelectric elements due to changes in outside temperature.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläuert.The invention is illustrated below with reference to one in the figure Embodiment explained in more detail.
Ein Stapel piezoelektrischer Elemente 11 befindet sich in einem Raum 12, dem Innenraum eines topfartigen Gehäuses 13. Die piezoelektrischen Ele mente 11 können aufeinandergeklebt sein oder durch eine mechanische Vor spannung zusammengepreßt werden. Sie sind elektrisch parallel geschaltet, so daß sie sich während der Energieaufnahme in Achsrichtung vergrößern und in Querrichtung zusammenziehen. Dadurch wird, in bereits bekannter Weise, eine Addition der Wirkungen der Einzelelemente erzielt. Der Raum 12 des topfartigen Gehäuses 13 wird durch eine Membran 17 abgeschlossen, die auf der Oberfläche des Stapels der piezoelektrischen Elemente 11 aufliegt. Das topfartige Gehäuse 13 wird durch einen Deckel 9 verschlossen, der mit dem Gehäuse 13 einen Flansch bildet, welcher der Membran 17 einspannt. Der Deckel 9 hat eine trichterförmige Ausgestaltung, so daß zwischen ihm und der Membran 17 ein Hydraulikraum 10 entsteht. Der Deckel 9 enthält den abgedichteten Sitz eines Ventilstössels. Dieser Ventilstössel 5 führt in einen Ventilblock 3, der mit dem Deckel 9 verbunden ist. Dieser Ventil block 3 enthält einen Ventilsitz, der mit einem Ventilteller des Stössels 5 zusammenarbeitet. Durch eine Bewegung des Stössels 5 nach oben wird ein Hochdruckraum 16 mit einem Niederdruckraum 7 verbunden. Eine Feder 4 sorgt für die Rückstellkraft des Stössels 5 sowie für den Anpreßdruck des Ventil tellers auf den Sitz 6 im Falle daß, in den Räumen 16 und 17 Druckgleich heit herrscht. Eine Verschraubung 1 dient der Einstellung des Anpreßdrucks der Feder 4.A stack of piezoelectric elements 11 is located in a space 12 , the interior of a pot-like housing 13 . The piezoelectric elements 11 can be glued to one another or pressed together by a mechanical voltage. They are electrically connected in parallel so that they enlarge in the axial direction and contract in the transverse direction during the energy consumption. In this way, in an already known manner, the effects of the individual elements are added together. The space 12 of the pot-like housing 13 is closed off by a membrane 17 which rests on the surface of the stack of the piezoelectric elements 11 . The pot-like housing 13 is closed by a cover 9 , which forms a flange with the housing 13 , which clamps the membrane 17 . The cover 9 has a funnel-shaped configuration, so that a hydraulic chamber 10 is formed between it and the membrane 17 . The cover 9 contains the sealed seat of a valve lifter. This valve tappet 5 leads into a valve block 3 which is connected to the cover 9 . This valve block 3 contains a valve seat that cooperates with a valve plate of the tappet 5 . By moving the plunger 5 upward, a high-pressure chamber 16 is connected to a low-pressure chamber 7 . A spring 4 ensures the restoring force of the plunger 5 and the contact pressure of the valve plate on the seat 6 in the event that, in rooms 16 and 17, there is equal pressure. A screw connection 1 is used to adjust the contact pressure of the spring 4 .
Die Funktion ist folgende: Durch das Schließen eines Schalters 14 werden die piezoelektrischen Elemente 11 mit einer Spannungsquelle 15 verbunden, dadurch tritt eine Formänderung des Stapels von ca. 200 µm auf, die das Fluid nach oben drückt und dadurch den Stössel 5 betätigt. Da die Stapel deckfläche der piezoelektrischen Elemente 11 größer ist als die Kolben fläche des Ventilstössels 5 wird eine Vergrößerung des Hubs im Verhältnis dieser Flächen erzielt.The function is as follows: By closing a switch 14 , the piezoelectric elements 11 are connected to a voltage source 15 , which causes a change in shape of the stack of approximately 200 μm, which presses the fluid upward and thereby actuates the plunger 5 . Since the stack cover surface of the piezoelectric elements 11 is larger than the piston surface of the valve stem 5 , an increase in the stroke is achieved in the ratio of these surfaces.
Durch eine Bohrung 8 des Stössels 5 wird eine Verbindung des Hydraulik raums 10 mit dem Hochdruckraum 16 erzielt. Dadurch wird ein Ausgleich der Hydraulikflüssigkeit erreicht, wenn sich diese durch die Änderung der Außentemperatur ausdehnt. Auch eine Änderung der Höhe des Stapels der piezoelektrischen Elemente 11 durch eine Temperaturänderung wird auf diese Weise kompensiert. Dazu ist eine Bemessung der lichten Weite der Bohrung 8 erforderlich, die solche Ausgleichsvorgänge zuläßt, jedoch die Übertragung des Hubs des Stapels der piezoelektrischen Elemente 11 mittels der Hydrau likflüssigkeit auf den Ventilstössel 5 nicht beeinträchtigt. Die Bemessung dieser lichten Weite hängt ab von den Volumenverhältnissen sowie von der Viskosität der Hydraulikflüssigkeit. Sie wird zweckmäßigerweise so einge stellt, daß die Ausgleichsvorgänge im Sekundenbereich liegen, so daß die Schaltvorgänge, die im Mikrosekundenbereich liegen, nicht beeinträchtigt werden. Zweckmäßigerweise enthält dieser Verbindungskanal 8 eine Düse, deren lichte Weite verstellbar ist.Through a bore 8 of the plunger 5 , a connection of the hydraulic chamber 10 with the high-pressure chamber 16 is achieved. As a result, the hydraulic fluid is compensated if it expands due to the change in the outside temperature. A change in the height of the stack of the piezoelectric elements 11 due to a change in temperature is also compensated in this way. For this purpose, a dimensioning of the clear width of the bore 8 is required, which permits such compensatory processes, but does not affect the transmission of the stroke of the stack of the piezoelectric elements 11 by means of the hydraulic fluid on the valve stem 5 . The dimensioning of this clear width depends on the volume ratios and the viscosity of the hydraulic fluid. It is expediently set in such a way that the compensation processes are in the seconds range, so that the switching processes, which are in the microsecond range, are not impaired. This connecting channel 8 expediently contains a nozzle whose clear width is adjustable.
Eine schnelle und zuverlässige Schaltung großer Kräfte bei elektrischen Schaltgeräten wird am besten dadurch erzielt, daß das erfindungsgemäße Ventil als Vorventil der Hydrauliksteuerung dieser Schaltgeräte Verwendung findet.A fast and reliable switching of large forces in electrical Switchgear is best achieved in that the invention Valve used as a pre-valve for the hydraulic control of these switching devices finds.
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