ES2244913T3 - Valvula piezoelectrica. - Google Patents

Abstract

Válvula con un elemento de accionamiento (1) desviable, que controla los movimientos de al menos un verdadero elemento de obturación (3) para abrir o cerrar, siendo impulsado el elemento de accionamiento por un elemento elástico (5) fundamentalmente en perpendicular a la dirección de desvío, estando alineados el eje longitudinal del elemento de accionamiento y la fuerza ejercida por el elemento elástico en una posición del elemento de accionamiento entre sus dos posiciones extremas, caracterizada porque el elemento de accionamiento (1) está ejecutado como convertidor de flexión piezoeléctrico sujetado unilateralmente.

Description

Válvula piezoeléctrica.

La invención se refiere a una válvula con un elemento de accionamiento desviable, que controla los movimientos de al menos un verdadero elemento de obturación para abrir o cerrar, siendo impulsado el elemento de accionamiento por un elemento elástico fundamentalmente en perpendicular a la dirección de desvío, estando alineados el eje longitudinal del elemento de accionamiento y la fuerza ejercida por el elemento elástico en una posición del elemento de accionamiento entre sus dos posiciones extremas, o bien a una válvula con un elemento de accionamiento desviable, que controla los movimientos de al menos un verdadero elemento de obturación para abrir o cerrar, actuando un elemento elástico fundamentalmente en perpendicular a la dirección de desvío del elemento de accionamiento y estando alineados fundamentalmente el eje longitudinal del elemento de accionamiento y la fuerza ejercida por el elemento elástico.

En muchas clases de válvulas el elemento de obturación o un elemento de accionamiento que mueve este elemento de obturación está pretensado en uno de los dos sentidos por medio de, por ejemplo, elementos elásticos. La pretensión también puede ser producida eventualmente por las fuerzas que se producen durante el desvío del elemento de obturación o de accionamiento. Sin embargo, casi siempre se influye negativamente por medio de esto también en la dinámica de conmutación de la válvula en un sentido y se necesita mucho consumo de energía de la válvula para superar esta pretensión.

Por otro lado se conocen también construcciones de válvula, en las que mediante la geometría del elemento de obturación o accionamiento, en cualquier caso con la ayuda de al menos un elemento elástico, las dos posiciones finales se mantienen estables mediante pretensión mientras que para conmutar es necesario superar la fuerza de un elemento elástico, apoyando el elemento elástico la ulterior conmutación tras recoorer un primer tramo de la carrera de trabajo total. Un ejemplo de una válvula de este tipo se describe en el documento DE 197 20 849 A1, en donde para conmutar se han previsto dos actuadores que actúan sobre el elemento portante para el verdadero elemento de obturación.

La tarea de la invención es una válvula conmutable eléctricamente con corrientes reducidas, que destaque en especial por un tamaño constructivo pequeño pero que permita materializar grandes recorridos de ajuste.

Para solucionar esta tarea se ha previsto conforme a la invención que el elemento de accionamiento esté ejecutado como convertidor de flexión piezoeléctrico sujetado unilateralmente. Estos convertidores de flexión conocidos por sí mismo ofrecen, mediante su muy elevada densidad de energía y buena dinámica de conmutación a pesar de su reducida potencia de activación, todas las premisas para una gran carrera con unas dimensiones mínimas. Junto con el apoyo de la conmutación mediante el elemento elástico, que ejerce su máxima fuerza en la posición neutra del convertidor de flexión y ejerce igualmente una fuerza menor conforme aumenta el desvío y con esto disminuye la fuerza de desvío del convertidor de flexión, puede aprovecharse la carrera completa de marcha en vacío del convertidor de flexión y aumentarse fundamentalmente la carrera que puede obtenerse, de lo que se deduce de nuevo en las válvulas un aumento del rendimiento de paso.

Al menos uno de los verdaderos elementos de obturación puede estar montado de forma ventajosa sobte el convertidor de flexión o estar integrado en el mismo.

Mediante la posibilidad de poder materializar con el convertidor de flexión piezoeléctrico tres estados de conmutación estables, puede ponerse a disposición una multitud de variantes de válvula cuando están montados o integrados dos elementos de obturación en lados opuestos entre sí del convertidor de flexión, elementos de obturación que cooperan con dos asientos de válvula opuestos entre sí.

Con relación a la primera variante pueden conseguirse mayores fuerzas de obturación con una construcción en la que, si bien actúa igualmente un elemento elástico fundamentalmente en perpendicular a la dirección de desvío del elemento de accionamiento y el eje longitudinal del elemento de accionamiento y la fuerza ejercida por el elemento elástico están fundamentalmente alineados, sin embargo conforme a la invención el elemento de accionamiento está ejecutado como convertidor de flexión piezoeléctrico sujetado unilateralmente, y el elemento de obturación está impulsado por un elemento elástico fundamentalmente en perpendicular a la dirección de desvío del elemento de accionamiento. También aquí puede accionarse el convertidor de flexión con todo su desvío y a través de las relaciones geométricas pueden adaptarse en la práctica la fuerza de obturación, la carrera de trabajo del elemento de obturación, etc. a los requisitos.

Con ello el elemento de obturación está montado con preferencia de forma que puede bascular alrededor de un eje, que está dispuesto con preferencia lateralmente junto al asiento de válvula.

La fuerza que puede ejercer el convertidor de flexión puede hacerse valer de la forma más favorable si el punto de engrane del convertidor de flexión con el elemento de obturación está situado por fuera del plano definido por el eje y el asiento de válvula.

Con ello se ha previsto de forma ventajosa conforme a otra particularidad de la invención que el punto de engrane del elemento elástico en el elemento de obturación esté situado por fuera del plano definido por el eje y el asiento de válvula, con preferencia con el punto de engrane del convertidor de flexión en el elemento de obturación definiendo un plano fundamentalmente paralelo al plano definido por el eje y el asiento de válvula.

Puede conseguirse una elevada variabilidad con una variante de ejecución de la invención, en la que el elemento de obturación coopera con dos asientos de válvula uno tras otro con respecto a los lados opuestos al eje de basculamiento, estando pretensado con preferencia mediante el elemento elástico sobre uno de los dos asientos de válvula y pudiendo conmutarse mediante el convertidor de flexión entre las dos posiciones de conmutación.

La fuerza de retroceso del convertidor de flexión puede aprovecharse de forma óptima para conmutar la válvula, si conforme a otra particularidad de la invención el elemento de obturación presenta una depresión, en la que engrana un extremo del convertidor de flexión.

La ampliada adaptabilidad de la construcción de válvula conforme a la invención puede asegurarse igualmente mediante una forma de ejecución, en la que estén previstos dos elementos de obturación que están montados independientemente entre ellos, de forma que pueden bascular en sentido contrapuesto alrededor de en cada caso un eje, eje que está dispuesto en cada caso lateralmente junto al asiento de válvula.

También aquí puede estar prevista en cualquier caso un perfeccionamiento ventajoso, en el que cada elemento de obturación coopera con dos asientos de válvula uno tras otro con respecto a los lados opuestos a su eje de basculamiento, estando pretensado cada elemento de obturación con preferencia mediante el elemento elástico sobre uno de los dos asientos de válvula y pudiendo conmutarse mediante el convertidor de flexión entre las dos posiciones de conmutación.

También aquí pueden aprovecharse las fuerzas de retroceso desde las dos posiciones de desvío del convertidor de flexión, si los dos elementos de obturación en estado básico forman entre sí una depresión abierta hacia el convertidor de flexión, en la que engrana un extremo del convertidor de flexión.

La adaptabilidad y la versatilidad de la válvula puede aumentarse todavía más por medio de que en la válvula esté integrado un sensor de presión.

Con ello también puede integrarse de forma ventajosa la electrónica de regulación que activa el convertidor de flexión en la válvula y estar también unida al sensor de presión.

También es con ello ventajoso que la electrónica de regulación esté equipada con una entrada externa para una señal de valor nominal.

En la siguiente descripción se explicará con más detalle la invención con base en los ejemplos de ejecución representados en los dibujos adjuntos.

La figura 1a muestra en representación esquemática un convertidor de flexión piezoeléctrico para una válvula conforme a la invención con un muelle de compresión y el asiento de válvula en posición cerrada, y la figura 1b muestra este convertidor de flexión en posición abierta, la figura 2 es una representación esquemática de un convertidor de flexión para la segunda variante de válvula conforme a la invención con elemento de obturación basculante en posición cerrada, y la figura 3 es una vista en perspectiva de una válvula de 3/3 vías conforme a la segunda variante de válvula con dos elementos de obturación con convertidor de flexión como elemento de accionamiento común.

Un convertidor de flexión 1 piezoeléctrico está sujeto por un extremo en un punto de sujeción 2 en la carcasa de la válvula o una estructura unida a la misma. En la posición de reposo representada en la figura 1a, en la que no se ha aplicado ninguna tensión, el convertidor de flexión 1 presiona un elemento d eobturación 3 sobre el asiento de válvula 4. La fuerza de cierre se obtiene por medio de las características mecánicas del convertidor de flexión 1 y adicionalmente mediante la acción del muelle de compresión 5, que está dispuesto fundamentalmente alineado con el convertidor de flexión 1 o que sólo forma un ángulo obtuso cercano a los 180º con éste, cuya componente de fuerza principal actúa por tanto fundamentalmente en la dirección longitudinal del convertidor d eflexión 1 y, de esste modo, fundamentalmente en perpendicular a su dirección de desvío. La fuerza en la posición de reposo está determinada por la porción Fb de la fuerza elástica Fges que actúa en la dirección de desvío.

En el caso de aplicarse una tensión el convertidor de flexión 1 se desvía a la posición final representada finalmente en la figura 1b, reduciéndose en el transcurso de este movimiento la porción de fuerza elástica Fb que actúa en la dirección de desvío, hasta que desaparece por completo cuando el muelle de compresión 5 y el convertidor de flexión 1 están orientados en una posición intermedia totalmente alineados. En el caso de un ulterior desvío del convertidor de flexión 1, cuando el muelle de compresión 5 forma de nuevo un ángulo obtuso cercano a los 180º con el convertidor d eflexión 1, que está dirigido sin embargo hacia el lado opuesto con relación a la posición de la figura 1a, la porción de fuerza elástica Fb que actúa ahora en la dirección de desvío apoya el desvío ulterior del convertidor de flexión 1 a la posición final abierta. La posición de desvío máxima es ventajosamente simétrica a la posición de reposo, para que al desconectarse la tensión el convertidor de flexión 1 posea mediante su elasticidad suficiente fuerza de retroceso para superar la porción de fuerza elástica Fb que actúa en la dirección de desvío y en la dirección de apertura.

En el caso de la segunda variante de válvula, como se ha representado en la figura 2, el convertidor de flexión actúa sobre un elemento de obturación separado 6, que puede bascular alrededor de un eje 7 situado casi siempre junto al asiento de válvula 4. Sobre el elemento d eobturación 6 la verdadera superficie de obturación 3 está desarrollada o fijada. El muelle de compresión 5 no actúa en esta forma de ejecución directamente sobre el convertidor de flexión 1, sino que actúa, situado fundamentalmente en paralelo al convertidor de flexión 1, en dirección al asiento de válvula 4 sobre el elemento de obturación 6. A causa del reducido ángulo que forma el muelle de compresión 5 con el convertidor de flexión 1, actúa de nuevo una porción reducida de la fuerza elástica como porción de fuerza elástica Fb en la dirección de desvío del convertidor de flexión 1 y actúa en contra de su desvío en el caso de tensión aplicada. De esta porción de fuerza elástica Fb está desacoplada en el caso de la segunda variante de válvula la fuerza de cierre Fa, que fundamentalmente se corresponde con la fuerza Fges del muelle de compresión 5 con la porción de la fuerza elástica Fges que actúa perpendicularmente sobre el desvío del convertidor de flexión, de tal modo que también puede diseñarse bastante más elevada que en el caso de sistemas usuales y también en el casoi de la variante descrita anteriormente en primer lugar. Con esta mayor fuerza de obturación, la válvula puede o bien trabajar en un margen de presión superior o, sin embargo, mediante un aumento del diámetro del asiento de válvula 4 puede aumentarse fundamentalmente la circulación.

En el caso de desviarse al convertidor de flexión 1 mediante la aplicación de una tensión se reduce la fuerza Fb, contra la que tiene que trabajar el convertidor de flexión 1, al igual que en la primera variante, conforme aumenta el desvío y después incluso se invierte, de tal modo que también aquí puede accionarse el convertidor de flexión 1 con su pleno desvío. Debido a que el extremo libre del convertidor de flexión 1 engrana en un rebajo 8 a modo de una cavidad en el elemento d eobturación 6, en el caso de desconectarse la tensión el elemento de obturación 6 puede llevarse de nuevo mediante el convertidor de flexión 1, en contra de la porción de fuerza elástica Fb, a la posición de cierre a través del punto de equilibrio.

La fricción en los cojinetes giratorios 7 del elemento de obturación 6 y en los puntos de engrane del muelle de compresión 5 que, como se ha representado en la figura 3, también puede estar configurado como pieza flexible de chapa, puede reducirse mediante la configuración de este cojinete giratorio 7 o puntos de engrane en el elemento de obturación 6 como aristas cortantes. La fricción entre el convertidor de flexión 1 y el elemento de obturación 6 puede reducirse igualmente a través de aristas cortantes 9 o mediante una minimización de otro tipo de la rugosidad superficial de al menos una de las piezas constructivas 1, 6, con preferencia de las dos piezas constructivas. Esto puede producirse por ejemplo también enchufando una caperuza con rugosidad superficial mínima sobre el convertidor de flexión 1.

Las válvulas de ambas variantes se han representado en su forma de ejecución más sencilla con un asiento de válvula 4 y, de este modo, como válvulas de 2/2 vías. En el lado de la figura 2 opuesto al elemento de obturación 3 de la figura 1 con relación al convertidor de flexión 1 y al asiento de válvula 4 con relación al eje de giro 7 puede estar previsto sin embargo, en otra forma de ejecución de ambas variantes, un asiento de válvula adicional, en este último caso con preferencia en un plano girado 90º con relación al primer asiento de válvula 4, fundamentalmente en paralelo al convertidor de flexión 1. De este modo pueden materializarse válvulas de 3/2 vías con accionamiento piezoeléctrico.

Con solamente un convertidor de flexión 1 piezoeléctrico puede materializarse sin embargo también una válvula de 3/3 vías, habiéndose representado un ejemplo de ejecución preferido en la figura 3. Con ello se utiliza un convertidor de flexión 1 sujetado en un punto de sujeción 2 en la carcasa, que puede desviarse en ambos sentidos alrededor de su posición de reposo, por ejemplo aplicando tensión de diferente signo. En el caso de un desvío por ejemplo hacia la derecha en la figura 3 se desvía un elemento de obturación 6a, fundamentalmente como se ha descrito anteriormente, alrededor de un eje 7a opuesto fundamentalmente al punto de agarre del muelle 5a y se abre el paso a través de un primer asiento de válvula 4a, a la que se aplica por ejemplo aire comprimido a través de la conexión 10 desde una fuente de suministro de aire comprimido y, tras la apertura del elemento de obturación 6a mediante la carcasa de válvula llega a una conexión de consumidor 11 en la válvula y, desde allí, sigue hasta el consumidor. Con ello es fundamental que la cavidad 8 en el elemento de obturación 6a sólo sea activa en posición desviada, mientras que no debe impedir un movimiento del convertidor de flexión 1 en la dirección opuesta al desvío anteriormente explicado. El segundo elemento de obturación 6b permanece con ello, impulsado por el muelle 5b, en la posición de cierre.

En el caso de desvío en sentido contrario, es decir, en la figura 3 hacia la izquierda, se mueve precisamente el segundo elemento de obturación 6b y de este modo se abre un segundo asiento de válvula 4b, situado aquí en paralelo al primer asiento d eválvula 4a. De este modo puede establecerse por ejemplo la unión entre la conexión de consumidor 11 y una salida de aire (no representada). En este estado de la válvula se sujeta el primer elemento de válvula 6a mediante el muelle 5a en la posición de cierre.

Los dos elementos de obturación 6a, 6b forman en su posición cerrada mutuamente una cavidad 8, en la que engrana el extremo desviable del convertidor de flexión 1.

Mediante el uso de un único convertidor de flexión 1 para dos asientos de válvula se materializa una ejecución muy compacta de una válvula de 3/3 vías. También aquí podría pensarse en una ampliación con dos asientos de obturación para cada elemento de obturación 6a, 6b.

De forma ventajosa pueden integrarse piezas constructivas adicionales en la carcasa de válvula, por ejemplo un sensor que mida la presión. Aquí se utiliza un sensor estándar. Las posibilidades van desde un sensor encapsulado hasta una celda sensorial al descubierto, que se monta sobra una pletina específica de la válvula (en analogía a la microelectrónica como "chip-on-board"). Para esto puede integrarse en la carcasa de válvula una pletina electrónica, que en la fase más sencilla sólo debe soportar un sensor de presión y garantizar la unión del convertidor de flexión y del sensor de presión con un adaptador (enchufe). Después se une la válvula (incluyendo el sensor de presión) a un mando/regulador electrónico a través de un cable. Esta electrónica de regulación puede regular después la presión en el consumidor. La electrónica de regulación también podría estar montada, sin embargo, miniaturizada en la válvula. La válvula representa después un regulador de presión autártico, que debe recibir una tensión de alimentación y una señal (valor nominal) y entrega una presión regulada.

Claims (15)

1. Válvula con un elemento de accionamiento (1) desviable, que controla los movimientos de al menos un verdadero elemento de obturación (3) para abrir o cerrar, siendo impulsado el elemento de accionamiento por un elemento elástico (5) fundamentalmente en perpendicular a la dirección de desvío, estando alineados el eje longitudinal del elemento de accionamiento y la fuerza ejercida por el elemento elástico en una posición del elemento de accionamiento entre sus dos posiciones extremas, caracterizada porque el elemento de accionamiento (1) está ejecutado como convertidor de flexión piezoeléctrico sujetado unilateralmente.

2. Válvula según la reivindicación 1, caracterizada porque al menos uno de los verdaderos elementos de obturación (3) está montado sobre el convertidor de flexión (1) o está integrado en el mismo.

3. Válvula según la reivindicación 2, caracterizada porque están montados o integrados dos elementos de obturación (3) en lados opuestos entre sí del convertidor de flexión (1), elementos de obturación que cooperan con dos asientos de válvula (4) opuestos entre sí.

4. Válvula con un elemento de accionamiento (1) desviable, que controla los movimientos de al menos un verdadero elemento de obturación (3) para abrir o cerrar, actuando un elemento elástico (5) fundamentalmente en perpendicular a la dirección de desvío del elemento de accionamiento (1) y estando alineados fundamentalmente el eje longitudinal del elemento de accionamiento y la fuerza ejercida por el elemento elástico, caracterizada porque el elemento de accionamiento (1) está ejecutado como convertidor de flexión piezoeléctrico sujetado unilateralmente, y el elemento de obturación (6) está impulsado por el elemento elástico (5) fundamentalmente en perpendicular a la dirección de desvío del elemento de accionamiento (1).

5. Válvula según la reivindicación 4, caracterizada porque el elemento de obturación (6) está montado de forma que puede bascular alrededor de un eje (7), que está dispuesto con preferencia lateralmente junto al asiento de válvula (4).

6. Válvula según la reivindicación 5, caracterizada porque el punto de engrane del convertidor de flexión (1) con el elemento de obturación (6) está situado por fuera del plano definido por el eje (7) y el asiento de válvula (4).

7. Válvula según la reivindicación 6, caracterizada porque el punto de engrane del elemento elástico (5) en el elemento de obturación (6) está situado por fuera del plano definido por el eje (7) y el asiento de válvula (4), con preferencia con el punto de engrane del convertidor de flexión (1) en el elemento de obturación (6) definiendo un plano fundamentalmente paralelo al plano definido por el eje (7) y el asiento de válvula (4).

8. Válvula según una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizada porque el elemento de obturación (6) coopera con dos asientos de válvula (4) uno tras otro con respecto a los lados opuestos al eje de basculamiento (7), estando pretensado con preferencia mediante el elemento elástico (5) sobre uno de los dos asientos de válvula (4) y pudiendo conmutarse mediante el convertidor de flexión (1) entre las dos posiciones de conmutación.

9. Válvula según una de las reivindicaciones 4 a 8, caracterizada porque el elemento de obturación (2) presenta una depresión (8), en la que engrana un extremo del convertidor de flexión (1).

10. Válvula según una de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizada porque están previstos dos elementos de obturación (6a, 6b) que están montados independientemente entre ellos, de forma que pueden bascular en sentido contrapuesto alrededor de en cada caso un eje (7a, 7b), eje que está dispuesto en cada caso lateralmente junto al asiento de válvula (4a, 4b).

11. Válvula según la reivindicación 10, caracterizada porque cada elemento de obturación (6a, 6b) coopera con dos asientos de válvula uno tras otro con respecto a los lados opuestos a su eje de basculamiento (7a, 7b), estando pretensado cada elemento de obturación con preferencia mediante el elemento elástico (5) sobre uno de los dos asientos de válvula y pudiendo conmutarse mediante el convertidor de flexión (1) entre las dos posiciones de conmutación.

12. Válvula según la reivindicación 10 u 11, caracterizada porque los dos elementos de obturación (6a, 6b) en estado básico forman entre sí una depresión (8) abierta hacia el convertidor de flexión (1), en la que engrana un extremo del convertidor de flexión (1).

13. Válvula según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por un sensor de presión integrado en la válvula.

14. Válvula según la reivindicación 13, caracterizada porque también puede integrarse la electrónica de regulación que activa el convertidor de flexión (1) en la válvula y estar también unida al sensor de presión.

15. Válvula según la reivindicación 14, caracterizada porque la electrónica de regulación está equipada con una entrada externa para una señal de valor nominal.