DE10054017A1 - Piezoaktormodul mit Vorrichtung zur Wärmeableitung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Piezoaktormodul (10), insbesondere für Kraftstoffeinspritzsysteme, welches einen Piezoaktor (10) und ein wärmeabführendes Mantelelement aufweist. Das Mantelelement ist als wärmeleitfähiges, hülsenförmiges Gummielement (5) ausgebildet, welches separat und im voraus herstellbar ist. Das Gummielement (5) liegt im montierten Zustand dabei unmittelbar am Piezoaktor (10) an, sodass eine sehr gute Wärmeleitung vorhanden ist.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Piezoaktormodul insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Piezoaktormoduls.

Piezoaktormodule werden insbesondere bei Dieseleinspritz­ systemen zur Ventilbetätigung eingesetzt. Dabei haben der­ artige Piezoaktormodule im Großsignalbetrieb eine relativ große Verlustleistung, welche in Wärme umgewandelt wird. Um eine Zerstörung des Piezoaktors zu verhindern, muss diese Wärme abgeführt werden. Daher ist der Piezoaktor mit wärme­ leitfähigen Medien umgeben.

Aus der US-5 295 288 ist ein Piezoaktormodul bekannt, bei dem die piezoelektrischen Elemente durch einen Elastomer­ verguss geschützt werden. Die vorgeschlagenen Elastomere weisen einen hohen Anteil an Aluminiumoxidpartikeln auf, welche eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen, um die Wärme des Piezoaktors abzuleiten. Somit sind die piezoelektrischen Elemente des Piezoaktors in dem Elastomer eingekapselt. Ein derartiger Elastomerverguss ist in der Großserienfertigung jedoch ein aufwändiger Prozess. Zum einen muss der Aktor lagerichtig fixiert werden. Zum anderen ist für die Stoffaufbereitung des Elastomers und die Dosierung eine aufwendige Anlagentechnik einzusetzen. Des weiteren ist die Polymerisation unter Wärmeeinfluss langwierig und erfordert eine große Ofenfläche. Gemäß der US-5 295 288 wird dabei ein zweistufiger Aushärteprozess bei zwei unterschiedlichen Temperaturen und zwei unter­ schiedlichen Zeitdauern angewandt. Somit ist die Herstellung einer derartigen wärmeleitfähigen Einkapselung sehr zeit­ aufwendig und teuer.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Piezoaktormodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die im Stand der Technik bekannte langwierige Herstellung eines wärmeleitfähigen Elastomervergusses entfällt. Erfindungs­ gemäß ist ein Mantelelement als wärmeleitfähiges, separat im voraus herstellbares Gummielement bzw. elastisches Element ausgebildet. Das Gummielement weist eine hülsenförmige Gestalt auf und liegt im montierten Zustand unmittelbar am Piezoaktor an. Dabei wird das wärmeleitfähige Gummielement separat gegossen und unter Druck ausvulkanisiert. Danach ist nur noch eine Montage des Gummielements um den Piezoaktor notwendig. Besonders bevorzugt ist der Piezoaktor zylinderförmig oder quaderförmig ausgebildet und das wärme­ leitfähige Gummielement rohrförmig bzw. hülsenförmig mit viereckigem Querschnitt mit einer bestimmten Wandstärke ausgebildet. Dabei entsprechen sich der Innendurchmesser des rohrförmigen Gummielements und der Außendurchmesser des zylinderförmigen Piezoaktors derart, dass das Gummielement ohne Abstand am Piezoaktor anliegt.

Vorzugsweise ist das Gummielement als wärmeleitfähiges Silikonelastomer ausgebildet, welches einen hohen Anteil an wärmeleitfähigen Partikeln aufweist. Somit kann das erfindungsgemäße Gummielement besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.

Besonders bevorzugt werden als wärmeleitfähige Partikel Aluminiumteilchen bzw. Aluminiumverbindungen verwendet.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Piezoaktormodul weiter eine Metallhülse auf, welche das wärmeleitfähige Gummielement umschließt. Dabei liegt das Gummielement ebenfalls unmittelbar an der Metallhülse an. Bei Verwendung der Metallhülse hat das Gummielement des weiteren die Funktion, den Piezoaktor in der Hülse zu zentrieren.

Bevorzugt weist der Piezoaktor einen Aktorfuß auf, welcher an einem seiner Enden angeordnet ist. An dem Aktorfuß sind die Elektroden sowie die Anschlussdrähte des Piezoaktors kontaktiert. Besonders bevorzugt ist die Metallhülse mit dem Aktorfuß z. B. mittels Schweißen oder mittels Bördeln fluiddicht verbunden.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Piezoaktor einen Aktorkopf mit einem Matallbalg auf. Dabei ist der Metallbalg mit dem Aktorkopf und der Metallhülse verbunden. Der Metallbalg dient zum Ermöglichen der Hubbewegung des Piezoaktors sowie zum Ausgleichen von temperaturbedingten Längenänderungen des Piezoaktors.

Um eine einfache und kostengünstige Herstellung zu er­ möglichen, sind die Metallhülse und der Metallbalg vorzugsweise einstückig aus einem Rohr hergestellt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Piezoaktormoduls vor­ geschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Her­ stellens eines Piezoaktors, des Herstellens eines wärme­ leitfähigen, hülsenartigen Gummielements, wobei das Gummi­ element separat gegossen und ausvulkanisiert wird und derart ausgebildet wird, dass es in der Lage ist, den Piezoaktor zu umschließen. Das separat hergestellte Gummielement wird dann am Außenumfang des zylinderförmigen Piezoaktors angebracht, indem es auf den Piezoaktor aufgeschoben wird. Anschließend werden die Anschlusselektroden und die Anschlussleitungen am Piezoaktor vorgesehen. Erfindungsgemäß kann somit ein wärmeleitfähiger Mantel für den Piezoaktor separat und kostengünstig hergestellt werden, ohne dass eine aufwändige Anlagentechnik dafür notwendig ist. Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Gummielement auch in geringer Zeit hergestellt werden. Da das Gummielelement rohrförmig mit einer vorbestimmten Wandstärke ausgestattet ist, ist auch die anschließende Montage auf den zylinderförmigen Piezoaktor einfach. Dabei werden der Außendurchmesser des Piezoaktors bzw. der Innendurchmesser des rohrförmigen Gummielements derart gewählt, dass das Gummielement mit nur geringem Widerstand auf den Piezoaktor aufschiebbar ist und das Gummielement nach der Montage unmittelbar am Piezoaktor anliegt. Um einen guten Schutz des mit dem Gummielement ummantelten Piezoaktors zu erreichen, wird darüber vorzugsweise eine Metallhülse geschoben. Dabei wird der Piezoaktor mittels des Gummielements in der Metallhülse zentriert.

Mittels eines weiteren bevorzugten Verfahrens wird die Metalhülse an einem Fuß des Piezoaktorsmoduls mittels Schweißen oder Bördeln dicht am Aktorfuß befestigt.

Somit wird erfindungsgemäß ein Piezoaktormodul sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitgestellt, welche eine einfach und kostengünstig herstellbare Wärmeableitvor­ richtung in Form eines wärmeleitfähigen, hülsenartigen Gummielements aufweisen. Dabei kann das wärmeleitfähige Gummielement separat im Voraus hergestellt werden und muss nur noch als Mantelelement um den Piezoaktor montiert werden. Somit können insbesondere die im Stand der Technik bekannten aufwändigen Verfahrensschritte entfallen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Piezo­ aktormoduls gemäß einem ersten Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein erstes erfindungsgemäßes Piezoaktormodul im Schnitt dargestellt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst das Piezoaktormodul 10 einen zyinderförmigen Piezoaktor 3, welcher an einem Aktorfuß 1 befestigt ist. Im Aktorfuß 1 sind Aussparungen zur Aufnahme von elektrischen Anschlussdrähten 2 für das Piezoaktormodul 10 vorgesehen, welche über eine Leitung mit einer Steuereinrichtung (nicht dargestellt) verbunden sind. Des weiteren sind zwei Elektroden 4 vorgesehen, welche am Aktorfuß 1 mit den Drähten 2 und dem Piezoaktor 3 verbunden sind.

Ein wärmeleitfähiges Gummielement 5 aus einem wärmeleitfähigen Silikonelastomer ist unmittelbar am Außenumfang des Piezoaktors 3 angeordnet. Das wärmeleitfähige Gummielement 5 ist dabei rohrförmig gebildet und weist eine Wandstärke von ca. einem Viertel des Durchmessers des Piezoaktors 3 auf. An dem dem Aktorfuß 1 entgegengesetzten Ende des Piezoaktors 3 ist ein Aktorkopf 7 vorgesehen, welcher in Form eines zylindrischen Kolbens gebildet ist. Dieser Kolben überträgt die Längenänderung des Piezoaktors 3 über einen hydraulischen oder mechanischen Übersetzer (nicht dargestellt) auf ein Ventilglied.

Weiter weist das erfindungsgemäße Piezoaktormodul 10 eine Metalhülse 6 auf, welche das Gummielement 5 vollständig umschließt. Dabei liegt das Gummielement 5 ebenfalls unmittelbar an der Metallhülse 6 an. Die Metallhülse 60 ist rohrförmig ausgebildet und ist am Aktorfuß 1 an einem Umfangsbereich 11 des Aktorfußes 1 mittels Schweißen oder Bördeln fluiddicht befestigt. Am anderen Ende des Piezo­ aktormoduls 10 ist die Metallhülse 6 derart ausgebildet, dass sie einen Metallbalg 8 bildet. Der Metallbalg 8 ist seinerseits mit dem Kolben des Aktorkopfs 7 verbunden, sodass die Längenänderungen des Piezoaktors 3 möglich sind. Der Aktorkopf 7, die Hülse 6 und der Balg 8 sind mit Laser dicht geschweißt. Es sei angemerkt, dass die Hülse 6 und der Balg 8 auch einteilig ausgebildet sein können.

Das wärmeleitfähige Gummielement 5 ist aus einem Silikon­ elastomer mit Aluminiumpartikeln hergestellt, sodass die in Wärme umgewandelte Verlustleistung vom Piezoaktor 3 gut abgeführt werden kann. Die abgeleitete Wärme wird weiter über die Metallhülse 6 zur Außenseite des Piezoaktormoduls abgegeben. Dadurch wird der Piezoaktor 3 vor Beschädigungen geschützt. Da das wärmeleitfähige Gummielement 5 separat im Voraus herstellbar ist, ist insgesamt die Herstellung des Piezoaktormoduls im Vergleich mit dem Stand der Technik deutlich vereinfacht, da das fertige Gummielement 5 nur auf den Piezoaktor 3 aufgeschoben werden muss. Anschließend wird die Metallhülse 6 sowie der Aktorfuß bzw. der Aktorkopf am Piezoaktor 3 angebracht.

Das erfindungsgemäße Piezoaktormodul 10 wird vorzugsweise in Kraftstoff-Speichereinspritzsystemen, wie z. B. Common-Rail- Systemen, verwendet.

Somit wird erfindungsgemäß ein Piezoaktormodul 10 insbe­ sondere für Kraftstoffeinspritzsysteme bereitgestellt, welches einen Piezoaktor 3 und ein wärmeabführendes Mantelelement 5 aufweist. Das Mantelelement 5 ist als separates, wärmeleitfähiges, hülsenförmiges Gummielement ausgebildet, welches separat und im voraus herstellbar ist. Das Gummielement liegt im montierten Zustand dabei unmittelbar am Piezoaktor 3 an, sodass eine sehr gute Wärmeableitung vom Piezoaktor 3 vorhanden ist.

Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen Möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Claims (10)

1. Piezoaktormodul insbesondere für ein Kraftstoffein­ spritzsystem mit einem Piezoaktor (3) und einem wärme­ abführenden Mantelelement, welches um den Piezoaktor (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantel­ element als wärmeleitfähiges, separat hergestelltes Gummielement (5) ausgebildet ist, welches eine hülsen­ förmige Gestalt aufweist und im montierten Zustand unmittelbar am Piezoaktor (3) anliegt.

2. Piezoaktormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gummielement (5) aus einem wärmeleitfähigen Silikonelastomer gebildet ist, welches einen hohen Anteil an wärmeleitfähigen Partikeln aufweist.

3. Piezoaktormodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel Aluminium oder Aluminiumverbindungen sind.

4. Piezoaktormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoaktormodul (10) weiter eine Metallhülse (6) aufweist, welche das wärmeleitfähige Gummielement (5) umschließt.

5. Piezoaktormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoaktormodul einen Aktorfuß (1) aufweist, an dem zwei Elektroden (4) und Anschlussdrähte (2) kontaktiert sind.

6. Piezoaktormodul nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoaktormodul weiter einen Aktorkopf (7) mit einem Metallbalg (8) aufweist, wobei der Metallbalg (8) mit dem Aktorkopf (7) und der Metallhülse (6) verbunden ist.

7. Piezoaktormodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass die Metallhülse (6) und der Metallbalg (8) ein­ stückig aus einem Rohr hergestellt sind.

8. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktormoduls (10) umfassend die Schritte des Herstellen eines Piezoaktors (3), des Herstellens eines wärmeleitfähigen, hülsen­ artigen Gummielements (5), wobei das Gummielement (5) separat gegossen und ausvulkanisiert wird und derart ausgebildet wird, dass es in der Lage ist, den Piezo­ aktor (3) zu umschließen, des Anbringens des Gummi­ elements (5) am Außenumfang des Piezoaktors (3), wobei das Gummielement (5) unmittelbar am Piezoaktor (3) anliegt, und des Vorsehens von Anschlusselektroden (4) und Anschlussleitungen (2) am Piezoaktor (3).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Gummielement (5) umgebene Piezoaktor (3) in eine Metallhülse (6) geschoben wird und mittels des Gummielements (5) in der Metallhülse (6) zentriert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhülse (6) an einem Umfangsbereich (11) eines Aktorfußes (1) mittels Schweißen oder Bördeln in abdichtender Weise befestigt wird.