JP2004019947A - 弁 - Google Patents

Abstract

【課題】僅かな電流で電気的に切換え可能であり、小さな構造寸法の点で傑出しており、しかも大きな調節運動距離を実現することができる弁を提供する。
【解決手段】変位可能な操作エレメント１を備えた弁であって、操作エレメントが、開閉のために少なくとも１つの本来のシールエレメント３の運動を制御し、操作エレメントが弾性エレメント５によって変位方向に対してほぼ垂直に負荷されており、操作エレメントの長手方向軸線と、弾性エレメントによって加えられる力とが、操作エレメントの両極端位置の間における位置において、互いに整合つまり一直線に位置している形式のものにおいて、操作エレメント１が片側において緊締された圧電式の撓みコンバータとして構成されている。
【選択図】　　　図１ａ

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位可能な操作エレメントを備えた弁であって、操作エレメントが、開閉のために少なくとも１つの本来のシールエレメントの運動を制御し、操作エレメントが弾性エレメントによって変位方向に対してほぼ垂直に負荷されており、操作エレメントの長手方向軸線と、弾性エレメントによって加えられる力とが、操作エレメントの両極端位置の間における位置において、互いに整合つまり一直線に位置している形式のものに関する。
【０００２】
本発明はまた、変位可能な操作エレメントを備えた弁であって、操作エレメントが、開閉のために少なくとも１つの本来のシールエレメントの運動を制御し、操作エレメントの変位方向に対してほぼ垂直に作用する弾性エレメントが設けられており、操作エレメントの長手方向軸線と、弾性エレメントによって加えられる力とが、互いにほぼ整合つまり一直線に位置している形式のものに関する。
【０００３】
【従来の技術】
多くの種類の弁において、シールエレメント又はこのシールエレメントを運動させる操作エレメントは、両方のうちの一方に例えば弾性エレメントを用いて予負荷されている。この予負荷（Ｖｏｒｓｐａｎｎｕｎｇ）は場合によっては、シールエレメント又は操作エレメントの変位時に生じる力によっても生ぜしめられることがある。多くの場合、これによって少なくとも１つの方向への弁の切換えダイナミックスに対しても不都合な影響が及ぼされ、弁作動時における多くの出力が、この予負荷を克服するために必要になる。
【０００４】
また別の公知の弁構造では、シールエレメント又は操作エレメントのジオメトリによって、場合によっては少なくとも１つのばねエレメントを用いて、両終端位置が予負荷によって安定的に保持されるが、切換え動作のためには弾性エレメントの力が克服されねばならず、この場合全作業行程の第１区分の通過後に、弾性エレメントはさらなる切換え動作を助成する。このような形式の弁の１例は、ドイツ連邦共和国特許公開第１９７２０８４９号明細書に開示されており、この公知の構成では、切換え動作のために２つのアクチュエータが設けられており、両アクチュエータは本体のシールエレメントのための支持エレメントに作用している。
【０００５】
【特許文献１】
ドイツ連邦共和国特許公開第１９７２０８４９号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式の弁を改良して、僅かな電流で電気的に切換え可能であり、かつ特に、小さな構造寸法の点で傑出しており、それでもなお大きな調節運動距離を実現することができる弁を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために請求項１記載の本発明の構成では、操作エレメントが片側において緊締された圧電式の撓みコンバータとして構成されているようにした。
【０００８】
【発明の効果】
それ自体公知である撓みコンバータ（Ｂｉｅｇｅｗａｎｄｌｅｒ）は、小さな制御出力においても極めて高い力密度（Ｋｒａｆｔｄｉｃｈｔｅ）及び良好な切換えダイナミックスによって、極めて小さな寸法にもかかわらず、大きな行程のためのすべての前提条件を提供する。弾性エレメント、つまりその最大の力を撓みコンバータの中立位置において加えかつ撓みコンバータの変位の増大時にひいては撓みコンバータの変位力の減少時には小さな力を加える、弾性エレメントによる切換え動作の助成と共に、撓みコンバータの完全なアイドリング行程を利用することができ、かつ達成可能な行程、つまりこれによって再び弁における貫流出力が上昇される行程を、著しく増大させることができる。
【０００９】
本発明による弁の有利な構成では、本来のシールエレメントのうちの少なくとも１つが、撓みコンバータに取り付けられているか又は撓みコンバータ内に組み込まれている。
【００１０】
圧電式の撓みコンバータを用いて３つの安定的な切換え状態を実現できるという可能性によって、２つのシールエレメントが、撓みコンバータの互いに反対の側に取り付けられているか又は組み込まれており、両シールエレメントが、互いに反対側に位置している２つの弁座とそれぞれ共働すると、多数の弁バリエーションを準備することができる。
【００１１】
第１の発明に比べてより高いシール力を得るために、別の発明の構成では、変位可能な操作エレメントを備えた弁であって、操作エレメントが、開閉のために少なくとも１つの本来のシールエレメントの運動を制御し、操作エレメントの変位方向に対してほぼ垂直に作用する弾性エレメントが設けられており、操作エレメントの長手方向軸線と、弾性エレメントによって加えられる力とが、互いにほぼ整合つまり一直線に位置している形式のものにおいて、操作エレメントが片側において緊締された圧電式の撓みコンバータとして構成されており、シールエレメントが弾性エレメントによって、操作エレメントの変位方向に対してほぼ垂直に負荷されている。
【００１２】
この発明においても、撓みコンバータはその全変位をもって運転されることができ、幾何学的な関係もしくは状態により、シールエレメントの作業行程、シール力及びこれに類したものを、実地における要求に合わせることが可能である。
【００１３】
シールエレメントが、有利には弁座のそばで側方に配置されている軸線を中心にして旋回可能に支承されていると、有利である。
【００１４】
また、シールエレメントにおける撓みコンバータの作用点が、前記軸線と弁座とによって規定された平面の外側に位置していると、撓みコンバータによって作用可能な力を、最も有効に用いることができる。
【００１５】
本発明の別の有利な構成では、シールエレメントにおける弾性エレメントの作用点が、軸線と弁座とによって規定された平面の外側に位置していて、有利にはシールエレメントにおける撓みコンバータの作用点と共に、軸線と弁座とによって規定された平面に対してほぼ平行な平面を規定している。
【００１６】
より大きな変化可能性を得るための別の構成では、シールエレメントが、旋回軸線を挟んで互いに反対側に位置している２つの弁座と共働し、シールエレメントが有利には、弾性エレメントによって両弁座のうちの一方に向かって予負荷されていて、撓みコンバータによって２つの切換え位置の間で切換え可能である。
【００１７】
本発明のさらに別の構成におけるように、シールエレメントが、撓みコンバータの端部が係合する凹設部を有していると、撓みコンバータの戻し力を弁の切換えのために最適に利用することができる。
【００１８】
本発明による弁構造の使用可能性をさらに拡げるために、本発明の別の構成では、２つのシールエレメントが設けられており、両シールエレメントが互いに無関係に独立して互いに逆方向に、各１つの軸線を中心にして旋回可能に支承されており、該軸線がそれぞれ弁座のそばで側方に配置されている。
【００１９】
このような構成において、さらに、各シールエレメントが、旋回軸線を挟んで互いに反対側に位置している２つの弁座と共働し、各シールエレメントが有利には弾性エレメントよって、両弁座のうちの一方に向かって予負荷されていて、撓みコンバータによって２つの切換え位置の間で切換え可能であると、有利である。
【００２０】
このような構成においても、両シールエレメントが基本状態において一緒に、撓みコンバータに向かって開放した凹設部を形成していて、該凹設部に撓みコンバータの端部が係合していると、撓みコンバータの両変位位置からの戻し力を利用することができる。
【００２１】
また、弁に圧力センサが組み込まれていると、弁の使用可能性及び多様性をさらに高めることができる。
【００２２】
この場合さらに、撓みコンバータを制御する電子制御装置が弁に組み込まれていて、かつ圧力センサと接続されていると、有利である。
【００２３】
このような構成においてさらにまた、電子制御装置が、目標値信号のための外部の入力部を備えていると、有利である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００２５】
圧電式の撓みコンバータ１は一方の端部において、弁又はこれに結合された構造体のケーシングにおける緊締箇所２に保持されている。電圧が印加されていない図１ａに示された休止位置において、撓みコンバータ１はシールエレメント３を弁座４に押圧している。閉鎖力は撓みコンバータ１の機械的な特性によって、かつ付加的に圧縮ばね５の作用によって与えられており、この圧縮ばね５は撓みコンバータ１と整合するように、つまりほぼ一直線になるように配置されているか、もしくは撓みコンバータ１との間にほぼ１８０°に近い鈍角を成すように配置されており、従ってこの圧縮ばね５の大きな力成分はほぼ撓みコンバータ１の長手方向に、ひいては変位方向に対してほぼ垂直に作用する。休止位置における力は、ばね力Ｆｇｅｓの、変位方向に作用する成分Ｆｂによって規定されている。
【００２６】
電圧の印加時に撓みコンバータ１は、最終的に、図１ｂに示された終端位置に変位され、この運動の経過中、変位方向に作用するばね力成分Ｆｂは減少し、このばね力成分Ｆｂは、圧縮ばね５と撓みコンバータ１とが中間位置において完全に一直線に方向付けられた時に、完全に無くなる。撓みコンバータ１がさらに変位して、圧縮ばね５が撓みコンバータ１との間において、図１ａの位置とは逆向きに再び鈍角１８０°を成すと、今や変位方向に作用するばね力成分Ｆｂは、開放終端位置への撓みコンバータ１のさらなる変位を助成する。最大変位位置が休止位置に対して対称的であると有利であり、このようになっていると、電圧の遮断時に撓みコンバータ１はその弾性によって、変位方向及び開放方向に作用するばね力成分Ｆｂを克服するのに十分な戻し力を有することになる。
【００２７】
図２に示されている第２の変化実施例では、撓みコンバータ１は別体のシールエレメント６に作用し、このシールエレメント６は、ほぼ弁座４のそばに位置している軸線７を中心にして旋回可能である。シールエレメント６には本来のシール面３が成形されているか又は固定されている。圧縮ばね５はこの実施例では、撓みコンバータ１に直接作用するのではなく、撓みコンバータ１に対してほぼ平行に位置して、弁座４に向かってシールエレメント６に作用している。圧縮ばね５と撓みコンバータ１とが成す小さな角度に基づいて、この実施例においてもばね力の小さな成分が、ばね力成分Ｆｂとして撓みコンバータ１の変位方向において作用し、電圧の印加時には撓みコンバータ１の変位に抗して作用する。図２の実施例ではこのばね力成分Ｆｂから閉鎖力Ｆａ、つまりほぼ圧縮ばね５の力Ｆｇｅｓに相当しかつ撓みコンバータ変位方向に対して垂直に作用する圧縮ばね５の力Ｆｇｅｓに相当している閉鎖力Ｆａは遮断されており、その結果閉鎖力Ｆａは、汎用の系や最初に述べた実施例におけるよりも著しく大きく設計することができる。そしてこの高められたシール力によって、弁はより高い圧力範囲において働くことができるか又は、弁座４の直径の増大によって、貫流量を著しく高めることができる。
【００２８】
電圧の印加による撓みコンバータ１の変位時に、第１実施例におけると同様に、撓みコンバータ１がそれに抗して作動しなくてはならない力Ｆｂは、変位の増大に連れて減少し、さらには逆転し、その結果この実施例においても撓みコンバータ１はその全変位をもって運転されることができる。撓みコンバータ１の自由端部は、シールエレメント６にポケット状に設けられた切欠き８に係合しているので、電圧の印加時にシールエレメント６は撓みコンバータ１によって再び、ばね力成分Ｆｂに抗して、思案点を超えて閉鎖位置へと戻されることができる。
【００２９】
シールエレメント６の旋回支承部７における摩擦及び、図３に示されているように金属薄板曲げ部材として形成されていてもよい圧縮ばね５の作用点における摩擦は、この旋回支承部７もしくはシールエレメント６における作用点をいわばカッティングエッジとして形成することによって減少させることができる。撓みコンバータ１とシールエレメント６との間における摩擦もまた同様に、カッティングエッジ９を介して、又は、少なくとも両構成部材１，６のうちの一方、有利には両構成部材の表面粗さを最小化することによって減じることが可能である。このことは例えば、最小の表面粗さを有するキャップを撓みコンバータ１に被せ嵌めることによっても達成することができる。
【００３０】
上に述べた両実施例の弁は、１つの弁座４を備えた最も単純な実施形態で、ひいては２ポート２位置方向切換え弁として示されている。しかしながら図１の撓みコンバータ１を挟んでシールエレメント３とは反対の側、及び図２の旋回軸線７を挟んで弁座４とは反対の側に、前記両実施例とは別の実施形態において別の弁座が設けられていてもよく、後者の場合では、第１の弁座４に対して９０°回転されられた平面に、撓みコンバータ１に対してほぼ平行に、別の弁座が設けられていると有利である。これによって圧電式に操作される３ポート２位置方向切換え弁を実現することができる。
【００３１】
しかしながらまたただ１つの圧電式の撓みコンバータ１を用いて、３ポート３位置方向切換え弁を実現することも可能であり、この場合における有利な実施例が図３に示されている。図３の実施例では緊締箇所２においてケーシングに保持された撓みコンバータ１が使用されており、この撓みコンバータ１は、例えば異なった符号をもつ電圧の印加によってその休止位置を中心にして両方向に変位することができる。例えば図３で見て右に向かって変位した場合には、シールエレメント６ａが、ほぼ上に述べたように、ほぼばね５ａの作用点とは反対の側に位置している軸線７ａを中心にして変位させられ、第１の弁座４ａを通る貫通部は開放され、この第１の弁座４ａには、例えば接続部１０を介して圧力供給源からの圧力が作用しており、この圧力はシールエレメント６ａの開放後に弁ケーシングを通って弁における消費機接続部１１に達し、そこからさらに消費機へと達する。この場合に重要なことは次のことである。すなわちこの場合シールエレメント６ａにおけるポケット８は単に変位された位置においてのみ有効であり、このポケット８は、上に述べた変位とは逆方向における撓みコンバータ１の運動を阻止することを禁止している。第２のシールエレメント６ｂはこの場合、ばね５ｂによって負荷されて、閉鎖位置に留まる。
【００３２】
逆方向における変位、つまり図３で見て左方向への変位時には、第２のシールエレメント６ｂが移動させられ、これによって、ここでは第１の弁座４ａに対して平行に位置している弁座４ｂが開放される。これによって例えば消費機接続部１１から空気排出部（図示せず）への接続部を形成することができる。弁のこの状態において、第１の弁エレメント６ａはばね５ａによって閉鎖位置に保たれる。
【００３３】
両シールエレメント６ａ，６ｂは、その互いに閉鎖された位置においてポケット８を形成しており、このポケット８内には撓みコンバータ１の変位可能な端部が係合している。
【００３４】
２つの弁座のためにただ１つの撓みコンバータ１を使用することによって、３ポート３位置方向切換え弁の極めてコンパクトな構成が実現される。この実施例においても各シールエレメント６ａ，６ｂのために２つのシール座を備えた実施形態が可能である。
【００３５】
有利には、付加的な構成部材、例えば圧力を測定する圧力センサを弁ケーシングに組み込むことができる。この場合スタンダードセンサが使用される。そしてセンサとしては、ケーシングに囲まれたセンサから、弁固有の基板に（マイクロエレクトロニクスと同様に「Ｃｈｉｐ−Ｏｎ−Ｂｏａｒｄ」として）取り付けられる剥き出しのセンサセルまでが使用可能である。そのためには弁ケーシングに電子基板を組み込むことができ、この電子基板は、最も簡単な段階にただ１つの圧力センサだけを保持し、撓みコンバータ及び圧力センサとインタフェース（コネクタ）との間の接続を保証することが望まれている。そして弁（圧力センサを含む）はケーブルを介して電子制御装置／調整装置と接続される。この電子制御装置は、消費機における圧力を調整することができる。しかしながらまた電子制御装置は、最小化されて弁内に一緒に組み込まれてもよい。弁はこの場合専用（ａｕｔａｒｋ）の圧力調整装置であり、この圧力調整装置には、供給電圧及び信号（目標値）が供給されねばならず、この圧力調整装置は調整された圧力を出力する。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】圧縮ばね及び弁座と共働する本発明による弁のための圧電式の撓みコンバータを、弁閉鎖位置において示す概略図である。
【図１ｂ】図１ａに示された撓みコンバータを弁の開放位置において示す概略図である。
【図２】旋回可能なシールエレメントを備えた本発明の第２実施例による撓みコンバータを閉鎖位置において示す概略図である。
【図３】共通の操作エレメントとして撓みコンバータを有していて２つのシールエレメントを備えた弁の第３実施例による、３ポート３位置方向切換え弁を示す斜視図である。
【符号の説明】
１　撓みコンバータ、　２　緊締箇所、　３　シールエレメント、　４，４ａ，４ｂ　弁座、　５　圧縮ばね、　５ａ，５ｂ　ばね、　６，６ａ　シールエレメント、　７　軸線、　８　切欠き、　９　カッティングエッジ、　１０　接続部、　１１　消費機接続部

Claims (15)

1. 変位可能な操作エレメント（１）を備えた弁であって、操作エレメント（１）が、開閉のために少なくとも１つの本来のシールエレメント（３）の運動を制御し、操作エレメントが弾性エレメント（５）によって変位方向に対してほぼ垂直に負荷されており、操作エレメントの長手方向軸線と、弾性エレメントによって加えられる力とが、操作エレメントの両極端位置の間における位置において、互いに整合つまり一直線に位置している形式のものにおいて、操作エレメント（１）が片側において緊締された圧電式の撓みコンバータとして構成されていることを特徴とする弁。
2. 本来のシールエレメント（３）のうちの少なくとも１つが、撓みコンバータ（１）に取り付けられているか又は撓みコンバータ（１）内に組み込まれている、請求項１記載の弁。
3. ２つのシールエレメント（３）が、撓みコンバータ（１）の互いに反対の側に取り付けられているか又は組み込まれており、両シールエレメントが、互いに反対側に位置している２つの弁座（４）とそれぞれ共働する、請求項２記載の弁。
4. 変位可能な操作エレメント（１）を備えた弁であって、操作エレメント（１）が、開閉のために少なくとも１つの本来のシールエレメント（３）の運動を制御し、操作エレメントの変位方向に対してほぼ垂直に作用する弾性エレメント（５）が設けられており、操作エレメントの長手方向軸線と、弾性エレメントによって加えられる力とが、互いにほぼ整合つまり一直線に位置している形式のものにおいて、操作エレメント（１）が片側において緊締された圧電式の撓みコンバータとして構成されており、シールエレメント（６）が弾性エレメント（５）によって、操作エレメント（１）の変位方向に対してほぼ垂直に負荷されていることを特徴とする弁。
5. シールエレメント（６）が、有利には弁座（４）のそばで側方に配置されている軸線（７）を中心にして旋回可能に支承されている、請求項４記載の弁。
6. シールエレメント（６）における撓みコンバータ（１）の作用点が、軸線（７）と弁座（４）とによって規定された平面の外側に位置している、請求項５記載の弁。
7. シールエレメント（６）における弾性エレメント（５）の作用点が、軸線（７）と弁座（４）とによって規定された平面の外側に位置していて、有利にはシールエレメント（６）における撓みコンバータ（１）の作用点と共に、軸線（７）と弁座（４）とによって規定された平面に対してほぼ平行な平面を規定している、請求項６記載の弁。
8. シールエレメント（６）が、旋回軸線（７）を挟んで互いに反対側に位置している２つの弁座（４）と共働し、シールエレメント（６）が有利には、弾性エレメント（５）によって両弁座（４）のうちの一方に向かって予負荷されていて、撓みコンバータ（１）によって２つの切換え位置の間で切換え可能である、請求項５から７までのいずれか１項記載の弁。
9. シールエレメント（２）が、撓みコンバータ（１）の端部が係合する凹設部（８）を有している、請求項４から８までのいずれか１項記載の弁。
10. ２つのシールエレメント（６ａ，６ｂ）が設けられており、両シールエレメント（６ａ，６ｂ）が互いに無関係に独立して互いに逆方向に、各１つの軸線（７ａ，７ｂ）を中心にして旋回可能に支承されており、該軸線（７ａ，７ｂ）がそれぞれ弁座（４ａ，４ｂ）のそばで側方に配置されている、請求項４から７までのいずれか１項記載の弁。
11. 各シールエレメント（６ａ，６ｂ）が、旋回軸線（７ａ，７ｂ）を挟んで互いに反対側に位置している２つの弁座と共働し、各シールエレメントが有利には弾性エレメント（５）によって、両弁座（４）のうちの一方に向かって予負荷されていて、撓みコンバータ（１）によって２つの切換え位置の間で切換え可能である、請求項１０記載の弁。
12. 両シールエレメント（６ａ，６ｂ）が基本状態において一緒に、撓みコンバータ（１）に向かって開放した凹設部（８）を形成していて、該凹設部（８）に撓みコンバータ（１）の端部が係合している、請求項１０又は１１記載の弁。
13. 弁に圧力センサが組み込まれている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の弁。
14. 撓みコンバータ（１）を制御する電子制御装置が弁に組み込まれていて、かつ圧力センサと接続されている、請求項１３記載の弁。
15. 電子制御装置が、目標値信号のための外部の入力部を備えている、請求項１４記載の弁。

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