DE69218553T2

DE69218553T2 - Piezoelektrisch betätigtes Durchflussregelventil

Info

Publication number: DE69218553T2
Application number: DE69218553T
Authority: DE
Inventors: Victor Carey Stapleford Cambridge Cb2 5Bt Humberstone; Charles Robert Dr. Royston Herts. Sg8 7Sd Sims; Adrian Michael Dr. Cambridge Cb3 0Hh Woodward
Original assignee: Electrolux AB
Current assignee: Electrolux AB
Priority date: 1991-10-25
Filing date: 1992-10-23
Publication date: 1997-11-27
Anticipated expiration: 2012-10-24
Also published as: DE69218553D1; KR930008355A; ES2101810T3; AU2732992A; NZ244873A; KR100202160B1; JPH05203067A; ATE150857T1; DK0544405T3; GB9122739D0; EP0544405B1; EP0544405A1; AU645714B2; TW221480B; CA2081290C; JP2726788B2; GR3023873T3; CA2081290A1; US5354032A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Ventil zur Regelung des Fluidstromes und insbesondere ein piezoelektrisches Ventil, welches weder ein Magnet- noch ein Servoventil ist. In der folgenden Beschreibung und in den Ansprüchen bezieht sich der Begriff Fluid(e) sowohl auf Flüssigkeit(en) als auch auf Gas(e).
Es wurde eine Anzahl von piezoelektrischen Ventilen vorgeschlagen, welche ein Ventilelement entweder in Form einer kreisförmigen Scheibe oder Stange enthalten. Die kreisförmige Scheibe oder Stange besitzt gewöhnlich eine laminierte Struktur, bei der eine piezoelektrische keramische Scheibe auf eine oder beide der größeren Flächen eines Substrates gebondet ist, welches einen von den Scheiben unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Alternativ kann das Ventilelement zwei gegensätzlich polarisierte piezoelektrische keramische Scheiben mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten umfassen, welche Stirnseite an Stirnseite aneinander gebondet sind. Die Wirkung eines elektrischen Feldes auf die Scheiben veranlaßt das so konstruierte Element, sich in derselben Weise wie ein Bimetallstreifen zu biegen.
US-Patent 4 545 561 beschreibt und beansprucht ein piezoelektrisches Ventil zur Regelung eines Fluidstromes, bei dem das Ventil ein getrenntes oder zweiteiliges Gehäuse umfaßt, zwischen dessen Teilen eine flache und im allgemeinen zylindrische Kammer ausgebildet ist. Das geteilte Gehäuse ist entlang einer Teilungsebene, welche parallel zu den sich gegenüberliegenden kreisförmigen Endflächen der zylindrischen Kammer verläuft, geteilt. Ein Teil des Gehäuses besitzt Fluid- Einlaß- und Auslaßöffnungen für das eintretende bzw. austretende Fluid, während der andere Teil des Gehäuses erste und zweite flexible elektrische Kontaktelemente, die mit gegenüberliegenden Anschlüssen einer Stromquelle verbindbar sind, aufweist. Ein deformierbares leitendes Plattenelement ist an seinem Umfang zwischen den beiden Teilen des geteilten Gehäuses gehalten und besitzt eine piezoelektrische Scheibe, die an dessen Seite, gegenüber den Fluidöffnungen, und in einer Position unmittelbar anschließend an die Mitte des Plattenelementes gebondet ist, so daß die piezoelektrische Scheibe durch das Plattenelement abgestützt wird, ohne das Gehäuse an seinem Umfang zu berühren.
Beim Zusammenbau wird das erste flexible elektrische Kontaktelement in elektrischen Kontakt mit der piezoelektrischen Scheibe gedrückt und das zweite flexible elektrische Kontaktelement wird gegen das verformbare leitende Plattenelement so gedrückt, daß nach Betätigung des piezoelektrischen Elementes durch die Stromquelle das Plattenelement veranlaßt wird, sich zwischen einer ersten Position, in welcher das Plattenelement den Durchfluß von Fluid zwischen mindestens einer Fluidöffnung und der Kammer verhindert, und einer zweiten Position, in welcher das Plattenelement von mindestens einer Fluidöffnung hinweg deformiert wird, so daß es dem Fluid ermöglicht wird, durch die Kammer zwischen der Einlaß- und der Auslaßöffnung hindurchzufließen, zu bewegen.
Es kann deshalb festgestellt werden, daß das in US-Patent 4 545 561 beschriebene Ventil ein Beispiel für ein piezoelektrisches Ventil mit einer kreisförmigen Scheibe ist, in welchem die Scheibe an ihrem Umfang gehalten wird. Andererseits wird in der PCT-Anmeldung W086/07429 ein piezoelektrisches Ventil mit einem Stangenelement, welches manchinal als Biegeelement bezeichnet wird, beschrieben. Das Ventil nach W086107429 umfaßt ein Gehäuse, welches eine Kammer bildet, eine Einlaß-Leitungseinrichtung, deren eines Ende eine Einlaßöffnung aufweist, wobei die Einlaßöffnung einen Querschnittsbereich besitzt und sich innerhalb der Kammer an einer vorbestimmten Stelle befindet, und das andere Ende der Einlaß-Leitungseinrichtung sich in Verbindung mit einer Fluid-Zuführung befindet; eine Auslaß-Leitungseinrichtung, deren eines Ende eine Auslaßöffnung an einer vorbestimmten Stelle innerhalb der Kammer bildet, und die Auslaßöffnung einen vorbestimmten Querschnittsbereich umfaßt, und das andere Ende der Auslaß-Leitungseinrichtung sich in Verbindung mit einer Einrichtung zur Verwendung von Fluid von der Fluidzuführung befindet und ein effektives Fluidspeichervolumen besitzt; ein Biegeelement, welches innerhalb der Kammer m geeigneter Weise angeordnet und am Gehäuse befestigt ist, und eine Einrichtung aufweist, die so gestaltet ist, daß sie eine Signalverbindung zwischen dem Biegeelement und einem regelbaren Durchfluß-Regelsignal herstellt, wobei das Signal das Biegeelement veranlaßt, sich um einen bestimmten Betrag durchzubiegen und dadurch einer Fluidmenge zu ermöglichen, mit einer geregelten Durchflußrate durch die Ventileinrichtung zu fließen; sowie eine erste Dichtungseinrichtung, welche am Biegeelement befestigt ist, um bei Fehlen des Durchfluß-Regelsignales die Auslaßöffnung effektiv abzudichten.
US-Patent 3 360 664 beschreibt einen elektromechanischen Wandler, der einem Ventil gegenüberliegt, welches ein Paar voneinander beabstandeter aktiver Komponenten in Form nebeneinanderliegender piezoelektrischer keramischer Scheiben umfaßt, die so angeordnet sind, daß sie unter Anwendung einer speziellen Gelenkkomponente einer Auslenkung unterliegen, wenn sie einer akustischen Energie ausgesetzt sind. Die aktiven Komponenten können die Form von umfänglich befestigten Scheiben oder Stangen haben, die an ihren Enden abgestützt sind. Figur 9 des US-Patentes 3 360 664 offenbart einen Wandler, in welchem ein aktives, vibrierendes piezoelektrisches Element in Form einer Scheibe vorhanden ist, welches mittig an einer Stütze befestigt ist (einem Knotenpunkt während der Auslenkung), während die Enden der Umfangsbereiche des scheibenförmigen Elementes während der auslenkenden Vibration Gegenknotenpunkte bilden. Bei Erregung des piezoelektrisches Elementes wird der Grad der Vibration der Gegenknotenpunkte über Verbindungsstäbe auf eine Platte übertragen, welche dadurch verlagert wird. Umgekehrt bindet die Verlagerung der Platte durch die akustische Energie, die auf die Platte ausgeübt wird, das piezoelektrische Element radial in einem Biegeknoten. In dieser Weise ist der in US-Patent 3 360 644 offenbarte Wandler eine Einrichtung zur Übertragung und zum Empfang wellenförmiger Energie mit Unterstützung eines piezoelektrischen Elementes während der Auslenkung.
US-Patent 4 535 810 offenbart ein elektronisch geregeltes Servoventil mit einem Ventilelement in Form eines piezoelektrisches Steifens, welcher mittig befestigt ist, während die Enden des Streifens dazu dienen, den Fluidfluß in getrennten Druck- und Rückführungskammern, die durch zwei unterschiedliche Zuführungsdurchlässe verbunden sind, zu steuern. Die Zuführungsdurchlässe sind an ihren Enden offen und mit Wartungsöffnungen verbunden, um eine Zuführung an das Ventil anzuschließen. Die Betätigung des Ventilelementes dient dazu, den Druck in einer Zuführungskammer zu erhöhen und umgekehrt den Druck in der anderen Zuführungskammer zu vermindern. Wenn das Ventil nicht in Gebrauch ist, wird das Ventilelement in einer solchen Position angeordnet, daß der Druck in jeder Zuführungskammer gleich ist.
JP-62-271206, dessen Beschreibung die Grundlage für den Oberbegriff des unabhängigen Anspruches 1 bildet, offenbart ein piezoelektrisches Ventil, welches umfaßt: ein Gehäuse, das eine Kammer umschließt, einen Einlaß, einen Auslaß und ein piezoelektrisches Ventilelement in der Form einer kreisförmigen Scheibe, welche entweder mittig (Figuren 1 und 2) oder an ihrem Umfang (Figur 4) befestigt ist. Bei beiden Befestigungsarten sind der Einlaß und der Auslaß an derselben Seite des Ventilelementes angeordnet, wodurch das Ventil für die hohen Durchflußraten, wie sie in der Beschreibung angegeben werden, ungeeignet erscheint.
EP-A-0404082, welches dem US-A 5 079 472 entspricht, beschreibt einen piezoelektrischen Biegewandler in der Form eines Streifens oder einer kreisförmigen Scheibe zur Installation in einem Ventilkanal. Der Wandler ist sandwichförmig aufgebaut und umfaßt mindestens eine keramische Schicht, welche auf beiden Seiten metallisiert ist und piezoelektrische Eigenschaften besitzt. In ähnlicher Weise wie das in JP 62-271206 beschriebene Ventil, sind sowohl der Einlaß als auch der Auslaß des Ventiles an derselben Seite des Wandlers angeordnet, und es wird besonders auf den Bereich des Wandlers hingewiesen, welcher in Funktion an den Auslaß grenzt, der nicht metallisiert ist. Im Gegensatz dazu sind der Einlaß und der Auslaß des erfindungsgemäßen Ventiles an gegenüberliegenden Seiten des Ventilelementes angeordnet, und das Fluid fließt vom Einlaß zum Auslaß durch eine periphere Öffnung, welche sich um den gesamten Umfang des Ventilelementes erstreckt und dadurch hohe Durchflußraten vom Einlaß zum Auslaß gewährleistet. Das erfindungsgemäße Ventil umfaßt auch ein dem Betätiger angepaßt ansteigendes Teil, gegen welches das Ventilelement schlagartig abdichtet.
Die bislang vorgeschlagenen Ventile und Wandler sind im allgemeinen aufwendig in der Herstellung, und in Funktion ist die mögliche Durchflußrate für das Fluid in unvertretbarem Maße beschränkt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein piezoelektrisches Ventil zu schaffen, welches in beträchtlichen Stückzahlen hergestellt werden kann, und welches einen gleichbleibenden Hub und dementsprechende Durchflußeigenschaften für das Fluid aufweist. Die erfindungsgemäßen Ventile sind besonders f;ir die Durchflußregelung von gasförmigen Medien, z. B. für Geräte, die mit Stadtgas, Flüssiggas und verflüssigtem Erdgas betrieben werden, geeignet. Solche Geräte umfassen Brenner, die in Haushalten, der Industrie und der Wirtschaft, z.B. für Heißluft- und Heißwasserbereiter, Boiler, Kühlschränke und Kocher angewendet werden. Die erfindungsgemäßen Ventile sind auch besonders für die Fernsteuerung geeignet.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Ventil zur Regelung des Fluiddurchflusses ein Ventilgehäuse 5, einen Hohlraum bzw. eine Ventilkammer C innerhalb des Gehäuses 5, einen Einlaßkanal 6 und einen Auslaßkanal 7 zur Leitung von Fluid in die bzw. aus der Ventilkammer C, ein scheibenförmiges Ventilelement 1 aus einem elektrisch restriktiven Material, das in der Ventilkammer C angeordnet ist, und Mittel 23 zum Halten des scheibenförmigen Ventilelementes 1 in einer Position in einem mittleren Bereich des Scheibenumfanges, so daß bei Betätigung des scheibenförmigen Ventilelementes 1 durch eine angelegte Spannung das Ventilglied zur Steuerung des Fluidstromes zwischen dem Einlaß 6 und dem Auslaß 7 verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein Absperr- und Durchfluß-Regelventil ist, und einen Ventilsitz 5A aufweist, der innerhalb der Ventilkammer C zwischen dem Einlaß 6 und dem Auslaß 7 angeordnet ist; wobei der Ventilsitz 5A eine Umfangsform entsprechend der Umfangsform des Ventilscheibenelementes 1 besitzt, und daß der Einlaß 6 und der Auslaß 7 zur Leitung des Fluids in die und aus der Ventilkammer C auf den gegenüberliegenden Seiten des Ventilscheibenelementes 1 angeordnet sind, und daß bei Betätigung des Ventilscheibenelementes 1 durch die Spannung der Umfang der Ventilscheibe 1 vom Ventilsitz 5A weg verschieblich ist, um eine Fluidströmung vom Einlaß 6 über den Umfang der Ventilscheibe zum Auslaß 7 zu gestatten.
Vorzugsweise ist die Ventilscheibe ein kreisförmiges piezoelektrisches Scheibenelement, und die Befestigung ist in bezug zur Ventilscheibe konzentrisch angeordnet. In geeigneter Weise umfaßt die piezoelektrische Ventilscheibe ein Metallsubstrat mit einer piezoelektrischen Schicht, die auf mindestens eine Fläche von dieser gebondet ist, und das Substrat erstreckt sich über die oder jede piezoelektrische Schicht nach außen und bildet einen nicht piezoelektrischen, freien Umfangsrand.
Das Substrat sollte geeignet steif sein und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, der mit dem des piezoelektrischen Materials übereinstimmt, so daß es sich über den Funktionsbereich der Vorrichtung erstrecken kann. Vorzugsweise besteht das Substrat aus Metall mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, ähnlich dem des piezoelektrischen keramischen Materials, z.B. aus einer Eisen-Nickel-Legierung, z. B. INVAR (eingetragene Marke) bzw. NIL036.
Die Erfindung soll im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben werden. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine erste Ausführungsform des Ventiles;
Fig. 2 ist ein Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des Ventiles;
Fig. 3A, 3B und 3C sind ähnliche Querschnittsansichten einer dritten Ausführungsform des Ventiles mit unterschiedlichem Funktionsverhalten;
Fig. 4 ist ein Weg/Zeit-Diagramm und zeigt das unterschiedliche Funktionsverhalten der in den Figuren 3A, 3B und 3C dargestellten Ventile;
Fig. 5 zeigt die Gestaltung einer Elektrode.
In Figur 1 ist eine aus zwei Elementen bestehende piezoelektrische Scheibe erkennbar, mit einem Substrat 1A in Form einer kreisrunden Scheibe aus INVAR (eingetragene Marke), auf welche eine Schicht aus piezoelektrischer Keramik 1B auf jede größere Fläche des Substrates 1A gebondet ist. Die Schichten aus piezoelektrischer Keramik 1B haben ebenfalls die Form kreisförmiger Scheiben, und sie sind so angeordnet, daß ein peripherer Bereich des Substrates 1A verbleibt, welcher nicht durch das piezoelektrische Keramikmaterial der Schichten 1B bedeckt ist. Die Scheibe 1 ist mittig zwischen zwei Säulen 2 und 3 eingeklemmt, welche integral an den sich gegenüberliegenden Teilen 4 und 5 eines Ventiles, welche eine Ventilkammer C bilden, angeordnet sind. Ein Einlaß 6 dient dazu, das Fluid zum Ventil zu leiten und ein Auslaß 7 dient zur Ausleitung des Fluides aus dem Ventil. Die Teile 4 und 5 des Gehäuses können durch Schrauben oder ähnliche Befestigungselemente miteinander verbunden sein. Aus Figur 1 ist erkennbar, daß das Ventilgehäuse 5 eine ringförmige Sitzstufe 5A bildet, wobei das in Figur 1 dargestellte Ventil in geschlossener Position dargestellt ist. Durch Anlegen einer Spannung an die Flächen der Scheibe über die Leiter 8 und 9, quer zu den Flächen der Scheibe, wird die Scheibe veranlaßt, sich nach oben, weg von der Sitzstufe 5A zu bewegen, und entsprechend der Polarität und Stärke der Spannung wird der wirksame Durchflußbereich zwischen der Scheibe 1 und der Sitzstufe 5A mehr oder weniger freigesetzt. Das von außen an die Schichten 1B des piezoelektrischen Keramikmaterials angelegte elektrische Feld liegt parallel zur ständigen Polarisation innerhalb des piezoelektrischen keramischen Materials. In Funktion ist der Fluß des Fluides durch das Ventil hindurch jenem Fluß analog, der dem Durchflußbereich annähernd proportional ist, wenn das Ventil geöffnet ist.
In Figur 5 ist erkennbar, daß in einem der piezoelektrischen Elemente der bimorphen Anordnung nach Figur 1 oder in der einzigen keramischen Schicht 1B der Scheibe 1A in Figur 2 eine getrennte Fühlerelektrode (SE) ohne direkten elektrischen Kontakt zur Hauptelektrode (ME) enthalten ist, und wahlweise weiterhin von der kapazitiven elektrischen Kopplung und/oder der indirekten piezoelektrischen Kopplung von der Hauptelektrode (ME) durch eine Schutzelektrode (GE) isoliert ist, welche auf elektrischem Nullpotential gehalten wird. Wenn sich die piezoelektrische Vorrichtung biegt, wird in der Fühlerelektrode (SE) eine Spannung erzeugt, welche der tatsächlichen Verlagerung der Vorrichtung proportional ist. Dies ermöglicht einen Mechanismus zur rückgekoppelten Regelung des gesamten piezoelektrischen Elementes durch Erfassung der Spannung der Fühlerelektrode (SE).
Die Vorrichtung kann in einer Anzahl unterschiedlicher Funktionsweisen arbeiten. Durch Anlegen einer Gleichspannung an die piezoelektrische Vorrichtung kann die Scheibe um einen Betrag ausgelenkt werden, welcher proportional zur angelegten Spannung ist. Der Abstand, der durch die Scheibe eingestellt wird, bestimmt den effektiv freigesetzten Durchflußbereich. Die Rückkopplung durch die Fühlerelektrode kann verwendet werden, um die tatsächliche Auslenkung zu regeln. Alternativ kann eine Wechselspannung an die piezoelektrische Scheibe angelegt werden, was eine Oszillation bewirkt. Der effektive Durchflußbereich des Ventiles kann dann durch Veränderung der Amplitude der Schwingungen geregelt werden. In noch einer weiteren Funktionsweise kann die piezoelektrische Scheibe 1 durch eine Spannung mit Rechteckwellen (Pulsen) betrieben werden, und der durchschnittliche effektive Durchflußbereich wird durch Veränderung der Breite der Pulse bewirkt. In dieser Weise kann über eine bestimmte Zeitdauer der durchschnittliche Durchfluß durch das Ventil verändert werden.
Eine alternative Ventilform ist in Figur 2 dargestellt, in welcher, wie in Figur 1, die Mitte der Scheibe 1 eingespannt ist, und deren Umfang sich frei bewegen kann. In Figur 2 werden dieselben Bezugszeichen für die gleichen Bauteile wie in Figur 1 verwendet. Ein Vorteil der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ventile besteht im Gegensatz zu einem Ventil, bei dem die Mitte der Scheibe 1 frei und deren Umfang eingespannt ist (siehe US-Patent 4 545 561), darin, daß bei der erstgenannten Form ein viel größerer Durchflußbereich verfügbar ist und dadurch höhere Durchflußraten erzielt werden können.
In der in Figur 2 dargestellten Ventilform besitzt die Scheibe 1 eine Schicht aus piezoelektrischer Keramik 1B, die nur an einer Fläche (der oberen Fläche) des Substrates 1A befestigt ist. Ferner wird die Scheibe auf der Säule 2 mittels eines kleinen Vorsprunges und einer Ausnehinung, welche allgemein mit 20 bezeichnet sind, zentriert. Obgleich in Figur 2 die Ausnehmung in der oberen Fläche der Säule 2 eingezeichnet ist, kann die Anordnung auch umgekehrt sein. Zusätzlich kann, um den Kontakt und die Zentrierung zwischen der Scheibe 1 und der Säule 2 zu halten, eine Feder 21 zwischen der unteren Fläche des Gehäuses 4 und der Scheibe 1 eingesetzt werden. Um die piezoelektrische keramische Schicht 1B unversehrt zu halten, wird eine Scheibe aus elastischem Material 22 zwischen der Feder 21 und der keramischen Schicht 1B angeordnet. Erforderlichenfalls kann, und um die Anordnung und Montage zu erleichtern, die Scheibe 22 mit einer Ausnehinung versehen werden, um die Feder oder einen Zapfen aufzunehmen, welcher in die Feder eintaucht.
Wo es ratsam ist, die Verwendung einer Anordnung mit Vorsprunglausnehmung 20 und dadurch zusätzliche Fertigungsschritte bei der Herstellung der Scheibe 1 oder der Säule 2 zu vermeiden, kann ein Ring 24 an der unteren Fläche des Substrates 1A in einer Position, welche sich im wesentlichen konzentrisch zur Mitte des Substrates und der Säule 2 befindet, befestigt werden.
Um die Abdichtung des Ventiles, wenn es geschlossen ist, zu unterstützen, kann ein O-Ring als Dichtungsring 23 an der ringförmigen Dichtungsstufe 5A des Teiles 5 des Gehäuses befestigt werden.
Damit die Vorrichtung als Schließventil und ebenso als Durchflußregelmechanismus fungieren kann, muß es möglich sein, daß die Durchflußöffnung abgedichtet wird. Dies kann auf verschiedene Weise, z. B. durch einen Dichtungsring 24 erfolgen. Ein anderes Verfahren zur Abdichtung von Ventilen besteht darin, zueinander passende vorstehende und zurückstehende Formen an den beiden zusammenwirkenden Flächen anzuordnen. Aternativ können die zusammenwirkenden Flächen so gestaltet werden, daß sie zueinander konform sind.
Durch Verwendung einer elastischen Dichtung in dem piezoelektrischen Ventil in der bekannten Weise würde sich das Ventil infolge der relativ geringen Verschiebung der Scheibe, verglichen mit der Elastizität des Dichtungsmaterials, nicht öffnen lassen. Dies ist auf die Tatsache zurückzulühren, daß es bisher üblich war, ein Dichtungsmaterial mit einer beträchtlich geringeren Elastizität als der des Ventilinaterials, z. B. eine Gummidichtung, zu verwenden. Durch Verwendung eines Dichtungsmaterials, welches elastisch ist, jedoch ein langsames Rückbildungsvermögen nach der Deformation aufweist, ist es möglich, ein piezoelektrisches Ventil mit einer elastischen Dichtung zu bilden. Eine mögliche Konstruktion ist in den Figuren 3A, 3B und 3C dargestellt, in denen, wie in den Figuren 1 und 2, gleiche Bezugszahlen für dieselben Bauteile verwendet wurden. Im Ruhezustand, in denen das Ventil energielos ist (Figur 3A), bewegt sich eine elastische Dichtung 30 aus einem Elastomer zurück, um gegen die piezoelektrische Scheibe 1A abzudichten. Um das Ventil zu öffnen, wird die piezoelektrische Scheibe zunächst gegen die Dichtung gedrückt, wodurch die Dichtung sich leicht verformt (Figur 3B). Die Spannung an der piezoelektrischen Scheibe wird dann umgekehrt und bewegt die Scheibe 1A von der Dichtungsfläche weg, öffnet das Ventil, und ermöglicht das Fließen des Fluides 3C. Bevor die Dichtung sich völlig zurückbildet, um das Ventil erneut abzudichten, wird die Scheibe 1A nochmals gegen die Dichtung 30 gedrückt, um diese zu verformen. Die Kurve in Figur 4 zeigt die Verschiebung der Dichtung und der Scheibe 1A im Verhältnis zur Zeit und gibt den effektiven Öffnungsbereich des Ventiles an. In Figur 4 stellt die Vollinie die Verschiebung der Dichtung 30 und die gestrichelte Linie die Verschiebung der piezoelektrischen Scheibe 1A dar. Durch Veränderung der dynamischen Eigenschaften der Dichtung für jede besondere Ventilanwendung kann ein weites Spektrum von Durchflußmöglichkeiten erreicht werden. Durch Veränderung der Amplitude und der Frequenz bei der Verschiebung der Scheibe wird eine Veränderbarkeit des Durchflusses innerhalb jeder einzelnen Anwendungsart erreicht.
Bei einer weiteren Verbesserung durch Wahl eines geeigneten Elastomers mit geeigneten dynamischen Eigenschaften ist es möglich, ein solches System zu bilden, das die Frequenz, mit welcher die Scheibe 1A beaufschlagt wird, gleich der Hälfte der Rückbildungszeit der Dichtung entspricht. Durch Verschiebung der Phase der Frequenz der Scheibe 1A um 180º werden Dichtung und Scheibe in Gegenphase gebracht und dadurch wird der effektive Durchflußbereich, verglichen mit einem nicht abgeglichenen System, erhöht. Die Betätigung des Ventiles in dieser Art kann mit dem Aufschlagen eines Balles auf den Boden mittels eines Schlägers verglichen werden. Das rückgekoppelte Signal von der Fühlerelektrode kann verwendet werden, um die Frequenz und die Amplitude zu regeln, um zu sichern, daß das Ventilsystem abgestimmt bleibt.
Wie zuvor erwähnt, ist es wichtig, eine Abstimmung der Steifheit zwischen dem Substrat und dem piezoelektrischen Material zu erreichen, um die Funktion zu optimieren. Dies ist besonders wichtig, wenn das Ventil in einer erhitzten Umgebung verwendet werden soll. Es wurde gefunden, daß es zwei Wege gibt, um eine solche Stabilität zu erreichen, nänllich die Verwendung eines thermisch mit der piezoelektrischen Beschichtung abgestimmten Substrates oder die Verwendung einer symmetrischen Anordnung mit identischen piezoelektrischen Schichten 1B, die auf jede größere Fläche des Substrates 1A laminiert sind. Wenn eine einseitige Scheibe verwendet wird, d.h. wenn nur eine Schicht aus piezoelektrischem Material 1B eingesetzt wird, sollte die Wärmeausdehnung des metallischen Substratmateriales mit der des piezoelektrischen keramischen Materiales genau übereinstimmen. Das kann mit einem Metall mit sehr geringer Wärmeausdehung, z. B. einer Eisen/Nickel-Legierung, die unter der Handelsmarke INVAR oder der Typbezeichnung NIL036 bekannt ist, geschehen. Zusätzlich sollte die Steitheit der Schicht 1B und des Substrates 1A sorgfältig ausgewählt werden, so daß die obere Fläche der piezoelektrischen Keramikschicht beim Anlegen der Spannung komprimiert wird. Die Dicke des INVAR-Substrates beträgt vorzugsweise 0,2 ± 0,1 mm und die Dicke der piezoelektrischen Schicht 1B beträgt vorzugsweise 0,3 ± 0,1 mm. Allgemein kann gesagt werden, daß je dünner das Substrat 1A ist, desto dünner die Schicht 1B sein sollte, wenn sie unter Spannung gesetzt wird. Etwas anders betrachtet, werden die Dicken des Substrates und der piezoelektrischen keramischen Schicht(en) so gewählt, daß die neutrale Achse der Scheibe nicht mit der Grenzfläche zwischen benachbarten Schichten zusammenfällt. Eine solche Abstimmung ist wichtig, um Zugspannungen in der Außenfläche der piezoelektrischen Schicht 1B zu vermeiden. Wenn das Substrat zu steif ist, wird das Anheben vermindert. In ähnlicher Weise wird das Anheben ebenfalls vermindert, wenn das Substrat zu dünn ist, weil sich die Form mit der piezoelektrischen Schicht verändert. Für das Substrat ist es auch vorteilhaft, wenn es
a) aus einem nicht keramischen Material besteht und
b) passiv ist, so daß im Falle eines Bruches im piezoelektrischen Material das Ventil geschlossen bleibt, und im Fall des Ausfalles der Spannung das Ventil ebenfalls schließt.
Es wurde außerdem gefunden, daß es von Nutzen ist, die piezoelektrische Schicht 1B mit einer dünnen Isolierschicht oder einer konformen Beschichtung zu überziehen. Solch eine Beschichtung kann die elektrische Isolation relativ zu den umgebenden Bereichen erhöhen, was eine Maximierung des aktiven Bereiches des Elementes ermöglicht. Die Verwendung einer konformen Beschichtung ist in den Fällen besonders wichtig, in denen die piezoelektrische Schicht 1B bis zur Umfangskante des Substrates 1A ausgeweitet wird, ohne daß ein Risiko zur Ausbildung eines elektrischen Lichtbogens besteht, und dadurch der verfügbare aktive Bereich innerhalb einer vorgegebenen Geometrie vergrößert wird.

Claims

1. Durchfluß-Regelventil zur Regelung eines Fluidstromes mit einem Ventilgehäuse (5), einem Hohlraum bzw. einer Ventilkammer (C) innerhalb des Gehäuses (5), einem Einlaßkanal (6) und einem Auslaßkanal (7) zur Leitung von Fluid in die und aus der Ventilkammer (C), einem scheibenförmigen Ventilelement (1) aus einem elektrisch restriktiven Material in der Ventilkammer (C), und mit Mitteln (23) zum Halten des Ventilelementes (1) in einer Position in einem mittleren Bereich des Scheibenumfangs, so daß bei Betätigung des scheibenförmigen Ventilelementes (1) durch eine angelegte Spannung das Ventilglied zur Steuerung des Fluidstromes zwischen dem Einlaß (6) und dem Auslaß (7) verschieblich ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein Absperr- und Durchfluß-Regelventil ist, und einen Ventilsitz (5A) aufweist, der innerhalb der Ventilkammer (C) zwischen dem Einlaß (6) und dem Auslaß (7) angeordnet ist, wobei der Ventilsitz (5A) eine Umfangsgestalt entsprechend der Umfangsgestalt des Ventilscheibenelementes (1) besitzt, und daß der Einlaß (6) und der Auslaß (7) zur Leitung des Fluids in die und aus der Ventilkammer (C) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Ventilscheibenelementes (1) angeordnet sind, und daß bei Betätigung des Ventilscheibenelementes (1) durch die Spannung der Umfang bzw. Rand der Ventilscheibe (1) vom Ventilsitz (5A) weg verschieblich ist, um eine Fluidströmung vom Einlaß (6) über den Umfang der Ventilscheibe zum Auslaß (7) zu gestatten.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilscheibe (1) und der Ventilsitz (5A) kreisförmig ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet sind.

3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilscheibenelement (1) ein Metallsubstrat (1A) aufweist, auf welches zuinindest an einer Seite eine piezoelektrische Schicht (1B) gebondet ist, und daß sich das Metallsubstrat (1A) über die piezoelektrische Schicht hinaus nach außen erstreckt und einen nicht piezoelektrischen freien Umfangsrand bildet.

4. Ventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hauptelektrode (ME) und eine Fühlerelektrode (SE), die von der Hauptelektrode (ME) isoliert ist.

5. Ventil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine rückgekoppelte Regeleinrichtung zur Regelung der Öffnungsverschiebung und damit zur Regelung des Fluidstromes.

6. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat (1A) aus einer Eisen-Nickel-Legierung gebildet ist.

7. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat (1A) auf das piezoelektrische Material thermisch abgestimmt ist.

8. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht bzw. der Schichten der piezoelektrischen Ventilscheibe so gewählt ist, daß die neutrale Achse der Scheibe nicht mit der Grenzfläche (Interface) zwischen benachbarten Schichten zusammenfällt.

9. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (23) eine nachgiebige, elastomere Dichtung aufweist.