DE3723287A1 - Elektrisch betaetigbares ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch betätigbares Ventil zum steuern von Fluid- oder Hydraulikströmen mit einem Ge­ häuse und mindestens einem von diesem umschlossenen, mit An­ schlußelektroden versehenen Funktionselement aus piezo­ elektrisch reagierendem Werkstoff.

Derartige Ventile sind bekannt. Ihre Wirkungsweise beruht auf der Nutzung der piezo- elektrischen Eigenschaft bestimmter Werkstoffe, welche darin besteht, daß solche Werkstoffe durch Anlegen einer Spannung kontrahierend oder expandierend rea­ gieren. Die damit verbundene Dimensionsänderung wird zur Steuerung von Ventilkolben genutzt oder es werden Steuerkanäle direkt beeinflußt, etwa durch Verwendung von Verschlußkörpern aus piezo- elektrischem Werkstoff.

Nach dem letztbeschriebenen Konzept arbeitende Ventile sind beispielsweise aus der DE-OS 29 18 377 bekannt. Aufgrund der lediglich im Mymeter-Bereich verlaufenden Dimensionsänderung piezo- elektrischer Werkstoffe ist der Anwendungsbereich solcher Ventile auf Einsatzfälle beschränkt, bei denen relativ ge­ ringe Durchflußmengen zu steuern sind, wie das beispielsweise bei Einspritz- Nadelventilen der Fall ist.

Es sind jedoch auch nach dem piezo- elektrischen Effekt ar­ beitende Ventile für größere Durchflußmengen bekannt. So ist beispielsweise aus der DE-OS 24 02 085 ein Konzept zu entnehmen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das piezo- elektrische Funktionselement aus einer Vielzahl aufeinandergestapelter Scheiben besteht, deren jede mit zwei Elektroden zum Anlegen einer Spannung versehen ist. Es ergibt sich eine Längenänderung des Funktionselementes, die der Summe der Längenänderung der einzelnen Scheiben entspricht. Wie leicht zu erkennen ist, ist diese Vorgehensweise sehr aufwendig und großbauend.

Schließlich ist beispielsweise aus der DE-OS 35 27 069 ein Ventiltyp zu entnehmen, bei welchem ein Piezo- Biegeelement Verwendung findet, welches zwar größere Schaltwege und damit größere Durchflußmengen zu steuern ermöglicht, doch sind die aufbringbaren Kräfte wesentlich geringer, so daß sich grund­ sätzlich nur Vorsteuerelemente damit verwirklichen lassen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Konzept für piezo- elek­ trisch steuerbare Ventile vorzuschlagen, welches größere Durch­ flußmengen direkt zu steuern erlaubt und welches mit einfachen Maßnahmen bei baugrößenmäßiger Minimierung realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Funktionselement als rotationssymmetrischer Formkörper mit im wesentlichen parallelen Stirnflächen ausgebildet ist, welcher in einem dem Formkörper entsprechend gestalteten Hohlraum des Gehäuses mindestens mit seiner Mantelfläche dichtend eingepaßt ist.

Die damit erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die piezo- elektrisch bedingte radiale Kontraktion des Funktionselementes zu einer Spaltbildung zwischen dessen Mantel­ fläche und dem umgebenden Gehäuse in Form eines Ringspaltes zwar geringer Spaltweite führt, jedoch dank seiner Lage an der Pereforie des Funktionselementes eine relativ große Querschnitts­ fläche aufweist. Dieser Ringspalt mündet zweckmäßigerweise in Ringkanäle in dem umgebenden Gehäuse, die mit Steueranschlüssen in Verbindung stehen. Um die für die piezo- elektrische Re­ aktion erforderliche Spannung an das Funktionselement heranzu­ bringen, können die Anschlußelektroden im Bereich des Zentrums der Stirnfläche desselben angeordnet sein. Um die ordnungsge­ mäße Funktion des erfindungsgemäßen Ventils auch bei starken Temperaturschwankungen sicherzustellen, ist die Auswahl des Werkstoffes für das Gehäuse so getroffen, daß dessen Ausdehnungs­ koeffizient dem des Funktionselementes im wesentlichen entspricht.

Bei einem Mehrfunktionsventil nach den erfinderischen Merkmalen können zwei geometrisch gleiche, axial nebeneinander ange­ ordnete Funktionselemente vorgesehen sein, welche unter Spannung piezo- elektrisch gegensinnig reagierend ausgelegt sind und einen Spalt zwischen den einander zugekehrten Stirnflächen be­ lassen, welcher ebenfalls mit einem Steueranschluß in Ver­ bindung steht. Dabei wird zweckmäßigerweise die Stützfläche zwischen den beiden Funktionselementen als diesen gemeinsame Anschlußelektrode ausgebildet. Um die durch den piezo- elek­ trischen Effekt auch in axialer Richtung auftretende Ver­ formung der Funktionselemente zu kompensieren, können diese in axialer Richtung elastisch abgestützt sein. Bei einer weiteren Variante eines erfindungsgemäßen Ventils kann vorge­ sehen sein, daß das Funktionselement als zylindrische Scheibe ausgebildet ist, welche aus einem äußeren Ringkörper und einem in diesen dichtend eingepaßten Scheibenkörper besteht, wobei die elektrischen Eigenschaften derselben derart gewählt sind, daß der Scheibenkörper unter Spannung kontrahierend und der Ringkörper expandierend reagiert. Der Ringkörper ist dabei zwecks Kompensation der auftretenden Verformung in radialer und axialer Richtung dichtend und elastisch und der Scheiben­ körper in axialer Richtung elastisch abgestützt. Die Steueran­ schlüsse sind bei dieser Ausführung in dem Gehäuse befind­ lichen Ringkanälen zugeordnet, die dem Spalt zwischen Scheibenkörper und Ringkörper gegenüberstehen. Ein Mehrfunktionsventil kann nach dieser Modifikation so aus­ gebildet sein, daß zwei geometrisch gleiche Funktionselemente in axialer Anordnung nebeneinander vorgesehen sind, deren Ring­ körper zueinander und deren Scheibenkörper zueinander unter Spannung piezo- elektrisch gegensinnig reagierend ausgelegt sind, wobei die Funktionselemente einen Spalt zwischen den einander zugekehrten Stirnflächen belassen, welcher ebenfalls mit einem Steueranschluß in Verbindung steht. Dabei können die Stützflächen zwischen den beiden Ringkörpern und den beiden Scheibenkörpern als diesen gemeinsame Anschlußelektrode aus­ gebildet sein.

Das erfindungsgemäße Ventil wird nachfolgend anhand mehrerer, in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher er­ läutert. In der Zeichnung zeigt jeweils in vereinfachter Schnitt­ darstellung

Fig. 1 die Grundausführung eines Absperrventils in der erfindungsgemäßen Ausführung,

Fig. 2 ein Mehrfunktionsventil mit Elementen der Grund­ ausführung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein modifiziertes Absperrventil entsprechend Fig. 1,

Fig. 4 ein entsprechend Fig. 3 modifiziertes Mehrfunktions­ ventil nach Fig. 2.

Gemäß Fig. 1 besteht das Ventil aus einem Gehäuse 1, in welchem ein Hohlraum zur Aufnahme eines piezo- elektrisch reagierenden Funktionselementes 2 vorgesehen ist. Dieses ist als rotationssymmetrischer Formkörper, vorzugsweise als Zylinder­ scheibe mit parallelen Stirnflächen 3 ausgebildet und ist mit seiner Mantelfläche 4 dichtend in den Hohlraum eingepaßt. Den Stirnflächen 3 stehen jeweils Ringkanäle 5, 6 gegenüber, die bis in den Bereich des Spaltes zwischen der Mantelfläche 4 und der Wandung des Gehäuses 1 reichen. Die Ringkanäle stehen mit Steueranschlüssen 7, 8 in Verbindung. Die Stirnflächen 3 des Funktionselementes 2 stützen sich gegenüber dem Gehäuse 1 mittels elastischer Dichtringe 9 dichtend ab, wobei ein Spalt überbrückt wird, der der maximalen Formänderung des Funktions­ elementes 2 in axialer Richtung genügend Freiraum gibt. Die die Formänderung des Funktionselementes 2 herbeiführende elek­ trische Spannung wird über Anschlußelektroden 10, 11 an dieses herangeführt, die durch Federn 12 an die Stirnflächen 3 im Bereich des Zentrums derselben angedrückt gehalten werden.

Das Mehrfunktionsventil nach Fig. 2 weist einen grundsätz­ lich gleichen Aufbau auf, wobei jedoch der Hohlraum für die Aufnahme zweier axial nebeneinander angeordnete Funktionsele­ mente 13, 14 vorgesehen ist, welche unter Spannung piezo- elek­ trisch gegensinnig reagierend ausgelegt sind. Die beiden Funktionselemente 13, 14 stützen sich gegenseitig unter Belassung eines Spaltes 15 ab, der durch Zwischenlage einer als gemeinsame Anschlußelektrode 16 verwendeten Kontaktscheibe in der Mitte der Stirnflächen gebildet wird. Der durch den Spalt 15 ent­ stehende Ringraum steht mit einem weiteren Steueranschluß 17 in Verbindung.

Das Gehäuse 1 des Absperrventils gemäß Fig. 3 ist mit einem Funktionselement 18 ausgestattet, welches aus einem äußeren Ringkörper 19 und einem in diesen dichtend eingepaßten Scheiben­ körper 20 besteht, deren piezo- elektrische Eigenschaften der­ art gewählt sind, daß der Scheibenkörper 20 unter Spannung kontrahierend und der Ringkörper 19 expandierend reagiert. Dieser das Funktionselement 18 bildende Verbundkörper stützt sich mittels einer radial wirksamen Dichtung in Form eines Dicht­ ringes 21 in dem Gehäuse 1 dichtend ab, wobei ein Spalt über­ brückt wird, der der maximalen Formänderung des Ringkörpers 19 in radialer Richtung genügend Raum gibt. In entsprechender Weise stützen sich die Stirnflächen des Verbundkörpers im Bereich des Scheibenkörpers 20 gegenüber dem Gehäuse 1 mittels elastischer Dichtringe 9 ab, wobei bei der Bemessung des zu überbrückenden Spaltes die maximale axiale Formänderung be­ rücksichtigt ist. Die die Formänderung des Funktionselementes 18 herbeiführende elektrische Spannung wird an dem Scheiben­ körper 20 über Anschlußelektroden 10, 11 herangeführt, die durch Federn 12 an dessen Stirnflächen etwa in der Mitte derselben angedrückt gehalten werden. In entsprechender Weise wird die elektrische Spannung an dem Ringkörper 19 über Anschlußelek­ troden 22, 23 angelegt, welche aneinander gegenüberliegenden Stellen der Stirnflächen des Ringkörpers 19 angeordnet sind. Das Gehäuse 1 weist im Bereich der beiden Stirnflächen des Funktionselementes 18 Ringkanäle 5, 6 auf, die den Spalt zwischen dem Ringkörper 19 und dem Scheibenkörper 20 überdecken und mit den Steueranschlüssen 7, 8 in Verbindung stehen.

Das Mehrfunktionsventil nach Fig. 4 ist grundsätzlich dem Absperrventil nach Fig. 3 entsprechend aufgebaut, jedoch nimmt der Hohlraum in dem Gehäuse 1 wie bei der Ausführung nach Fig. 2, zwei Funktionselemente 24, 25 auf, welche beide nach Art des Funktionselementes 18 gestaltet und wirksam sind. Dabei stützen sich unter Spannung jeweils gegensinnig reagierende Ringkörper 26, 27 und Scheibenkörper 28, 29 gegenseitig ab, wobei ein Spalt 30 belassen bleibt, der durch Zwischenlage je einer als gemein­ same Anschlußelektroden 31, 32 verwendeten Kontaktscheibe im Bereich der Ringkörper 26, 27 bzw. der Scheibenkörper 28, 29 ge­ bildet wird und mit dem Steueranschluß 17 in Verbindung steht.

Die Wirkungsweise sei nachfolgend zunächst anhand des Absperr­ ventils nach Fig. 1 beschrieben.

Die Steueranschlüsse 7, 8 seien beispielsweise in dieser Reihen­ folge mit einer pneumatischen Druckquelle und mit einem pneumatischen Verbraucher verbunden. Bei Anlegen eines Poles einer geeigneten elektrischen Spannungsquelle an die Anschluß­ elektrode 10 und des anderen Poles an die Anschlußelektrode 11 kontrahiert das Funktionselement 2 und gibt dadurch an seiner Mantelfläche 4 einen Spalt frei, der dem Druckmedium ermög­ licht, über den Ringkanal 5 in den Ringkanal 6 überzufließen, so daß an dem Steueranschluß 8 ein Drucksignal ansteht. Dieses Drucksignal bleibt solange erhalten, bis durch Abschalten der Spannung die Kontraktion des Funktionselementes 2 rückgängig gemacht wird und damit die hermetische Abdichtung zwischen der Mantelfläche 4 und der dieser benachbarten Wand des Gehäuses 1 wiederhergestellt ist.

Bei der Ausführung eines Absperrventils nach Fig. 3 bewirkt das Anlegen jeweils eines Poles der Spannungsquelle an den Anschlußelektroden 10, 22 bzw. 11, 23 eine Expansion des Ring­ körpers 19 und eine Kontraktion des Scheibenkörpers 20, so daß sich in diesem Zustand zwischen diesen Körpern ein Spalt bildet, über den das Druckmedium nach Passieren des Ring­ kanals 5 in den Ringkanal 6 hinüberströmen und damit dem Steueranschluß 8 zufließen kann. Nach Abschalten der Spannung ergibt sich auch hier eine hermetische Abdichtung des be­ sagten Spaltes, so daß der Steueranschluß 8 gegenüber dem Steueranschluß 7 wieder abgesperrt wird.

Die Mehrfunktionsventile nach den Fig. 2 und 5 arbeiten prinzipiell in gleicher Weise, doch kann hier durch gegen­ sinnige Piezo-Wirkung an den Funktionselementen 13, 14 bzw. 24, 27 ein zu einem Verbraucher führender Steueranschluß 17 wechselweise mit Druck beaufschlagt oder entlüftet werden. Diese Ventile können aber auch bei unabhängiger Beschaltung der genannten Funktionselemente beispielsweise als Entlüftungs­ ventil (nur Funktionselement 13 bzw. 24 erregt), Absperr­ ventil für zwei Verbraucher (nur Funktionselement 14 bzw. 27 erregt) oder als Verteilerventil mit der Möglichkeit einer zeitlich verschobenen Versorgung zweier Verbraucher (Funktions­ element 13 bzw. 24 erregt, später 14 bzw. 27 entregt) verwendet werden.

Claims (12)

1. Elektrisch betätigbares Ventil zum Steuern von Fluid- oder Hydraulikströmen mit einem Gehäuse (1) und mindestens einem von diesem umschlossenen, mit Anschlußelektroden versehenen Funktionselement (2) aus piezo- elektrisch reagierendem Werk­ stoff, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement (2) als rotationssymmetrischer Formkörper mit im wesentlichen parallelen Stirnflächen (3) ausgebildet ist, welcher in einem dem Formkörper entsprechend gestalteten Hohlraum des Gehäuses (1) mindestens mit seiner Mantelfläche (4) dichtend eingepaßt ist.

2. Elektrisch betätigbares Ventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß den Stirnflächen (3) des Funktionselementes (2) mit Steueranschlüssen (7, 8) in Verbindung stehende, in dem Gehäuse (1) vorgesehene Ringkanäle (5, 6) gegenüberstehen.

3. Elektrisch betätigbares Ventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußelektroden (10, 11) an den Stirnflächen (3) im Bereich des Zentrums des Funktions­ elementes (2) angeordnet sind.

4. Elektrisch betätigbares Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement (2) und das Gehäuse (1) im wesentlichen gleiche Wärmeausdehnungs­ koeffizienten aufweisen.

5. Elektrisch betätigbares Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei geometrisch gleiche, axial nebeneinander angeordnete Funktionselemente (13, 14) vorge­ sehen sind, welche unter Spannung piezo- elektrisch gegen­ sinnig reagierend ausgelegt sind und einen Spalt (15) zwischen den einander zugekehrten Stirnflächen belassen, welcher eben­ falls mit einem Steueranschluß (17) in Verbindung steht.

6. Elektrisch steuerbares Ventil nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stützfläche zwischen den beiden Funktions­ elementen (13, 14) als diesen gemeinsame Anschlußelektrode (16) ausgebildet ist.

7. Elektrisch betätigbares Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionselemente (2, 13, 14) in axialer Richtung elastisch abgestützt sind.

8. Elektrisch betätigbares Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement (18) als Zylinderscheibe ausgebildet ist, welche aus einem äußeren Ring­ körper (19) und einem in diesem dichtend eingepaßten Scheiben­ körper (20) besteht, wobei die elektrischen Eigenschaften der­ selben derart gewählt sind, daß der Scheibenkörper (20) unter Spannung kontrahierend und der Ringkörper (19) expandierend reagiert.

9. Elektrisch betätigbares Ventil nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ringkörper (19) dichtend und elastisch in radialer und der Scheibenkörper (20) in axialer Richtung elastisch abgestützt sind.

10. Elektrisch betätigbares Ventil nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spalt zwischen Scheiben­ körper (20) und Ringkörper (19) jeweils mit Steueranschlüssen (7, 8) in Verbindung stehende, in dem Gehäuse (1) vorgesehene Ringkanäle (5, 6) gegenüberstehen.

11. Elektrisch betätigbares Ventil nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei geometrisch gleiche Funktionselemente (24, 25) in axialer Anordnung nebeneinander vorgesehen sind, deren Ringkörper (26, 27) zueinander und deren Scheibenkörper (28, 29) zueinander unter Spannung piezo-elek­ trisch gegensinnig reagierend ausgelegt sind, wobei die Funktionselemente (24, 25) einen Spalt (30) zwischen den ein­ ander zugekehrten Stirnflächen belassen, welcher ebenfalls mit einem Steueranschluß (17) in Verbindung steht.

12. Elektrisch betätigbares Ventil nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützflächen zwischen den beiden Ringkörpern (26, 27) und den beiden Scheibenkörpern (28, 29) als diesen gemeinsame Anschlußelektrode (31/32) aus­ gebildet sind.