DE102010035263A1

DE102010035263A1 - Piezoventil

Info

Publication number: DE102010035263A1
Application number: DE201010035263
Authority: DE
Inventors: Gebhard Munz
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-08-25
Also published as: DE102010035263B4; WO2012025197A1

Abstract

Es wird ein Piezoventil vorgeschlagen, das ein Ventilgehäuse (3) und eine beweglich darin angeordnete Steuereinheit (23) aufweist. Die Steuereinheit (23) verfügt über einen Steuerkörper (24) mit einem Basisabschnitt (28) und zwei unter Zwischenschaltung je eines Festkörpergelenkes (35a, 35b) wegragenden Steuerfingern (31a, 31b), die mit je einem Ventilsitz (15a, 15b) kooperieren. Jeder Steuerfinger (31a, 31b) ist durch einen als Stapeltranslator ausgebildeten Piezoaktor (25a, 25b) betätigbar. Die Aktivierung eines Piezoaktors (25a, 25b) hat zur Folge, dass sich der Steuerkörper (24) durchbiegt und einer der Steuerfinger (31a, 31b) vom zugeordneten Ventilsitz (15a, 15b) abhebt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Piezoventil, mit einem Ventilgehäuse, in dem eine bewegliche Steuereinheit angeordnet ist, die einen Steuerkörper mit einem Basisabschnitt und zwei nebeneinander von dem Basisabschnitt wegragenden Steuerfingern aufweist, wobei die Steuerkörper an seinem Basisabschnitt bezüglich dem Ventilgehäuse um eine Schwenkachse verschwenkbar gelagert ist und die beiden Steuerfinger mit jeweils einem Verschlussabschnitt über jeweils einen von zwei am Ventilgehäuse angeordneten Ventilsitzen ragen, wobei die Steuereinheit ferner zwei jeweils einem der Steuerfinger zugeordnete Piezoaktoren aufweist, durch deren einzelne Aktivierung der jeweils zugeordnete Verschlussabschnitt unter gleichzeitigem Durchbiegen des Steuerkörpers an den ihm gegenüberliegenden Ventilsitz andrückbar ist, so dass der Basisabschnitt einschließlich des anderen Steuerfingers um die Schwenkachse verschwenkt wird und dadurch der diesem anderen Steuerfinger zugeordnete Verschlussabschnitt von dem ihm zugeordneten Ventilsitz entfernt wird.
Ein aus der EP 1 207 329 B1 bekanntes Piezoventil dieser Art enthält eine in einem Ventilgehäuse angeordnete Steuereinheit, die aus einem Steuerkörper mit zwei integrierten, als Biegewandler ausgebildeten Piezoaktoren besteht. Der Steuerkörper hat einen am Ventilgehäuse verschwenkbar gelagerten Basisabschnitt und zwei von dem Basisabschnitt wegragende Biegewandler-Piezoaktoren, die jeweils mit einem Verschlussabschnitt über einen am Ventilgehäuse angeordneten Ventilsitz ragen. Normalerweise sind die Verschlussabschnitte durch Federmittel an die Ventilsitze angedrückt und verschließen jeweils einen Ventilkanal. Um einen möglichst großen Strömungsquerschnitt freizugeben, kann jeder Piezoaktor so aktiviert werden, dass er mit seiner Aktorkraft an den zugeordneten Ventilsitz angedrückt wird. Dies führt zu einem Durchbiegen des Steuerkörpers, wobei der Basisabschnitt relativ zum Ventilgehäuse verschwenkt wird, wobei er den anderen Piezoaktor mitnimmt und diesen folglich von dem ihm zugeordneten Ventilsitz entfernt.
Die Piezobiegewandler des bekannten Piezoventils ermöglichen zwar einen zuverlässigen Betrieb und eine exakte Betätigung. Allerdings sind der Betätigungskraft prinzipbedingt Grenzen gesetzt, was entsprechend auch für die steuerbaren Nennweiten bzw. Druckbereiche gilt. Somit werden je nach Anforderungsprofil Piezoventile mit unterschiedlichen Baugrößen zur Verfügung gestellt. Um große Drücke bzw. Nennweiten beherrschen zu können, bedarf es also relativ großer Abmessungen der Steuereinheit.
Aus der DE 20 2009 007 298 U1 ist ein Piezoantrieb für Ventile beschrieben, der einen Piezostapelaktor aufweist, der auf einen schwenkbar gelagerten Hebel einwirkt, der seinerseits mit einem wippenartig gelagerten Ventilglied zusammenwirkt.
Die DE 103 03 856 B3 beschreibt eine Vorrichtung zum Schalten eines Ventils, bei der ein als Piezo-Translator ausgebildeter piezoelektrischer Aktor über einen Betätigungshebel auf das zu steuernde Ventil einwirkt, wobei der Betätigungshebel über ein Festkörpergelenk mit einem gehäusefesten Lagerkörper verbunden ist.
In der WO 96/19836 A1 wird ein piezo-aktuatorisches Antriebselement beschrieben, das über zwei als Stapeltranslatoren ausgebildete Piezoaktoren verfügt, die nebeneinander angeordnet sind und gemeinsam an einem verkippbaren Schenkel angreifen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Piezoventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei kompakten Abmessungen einen relativ großen Fluiddruckbereich steuern kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass jeder Steuerfinger über ein integriertes Festkörpergelenk des Steuerkörpers mit dem Basisabschnitt verbunden ist und dass die beiden Piezoaktoren von bezüglich dem Steuerkörper gesonderten Stapeltranslatoren gebildet sind, die sich jeweils einerseits an einem der Steuerfinger und andererseits am Basisabschnitt des Steuerkörpers abstützen, so dass durch ihre selektive Aktivierung der jeweils zugeordnete Steuerfinger im Bereich des Festkörpergelenkes bezüglich dem Basisabschnitt verschwenkbar ist.
Auf diese Weise liegt ein Piezoventil vor, bei dem die beiden Verschlussabschnitte mit als Stapeltranslatoren konzipierten Piezoaktoren betätigt werden, so dass sehr hohe Betätigungskräfte zur Verfügung stehen. Der konzeptionelle Nachteil geringen Hubes von Stapeltranslatoren wird dadurch mehr als kompensiert, dass die Verschlussabschnitte an bezüglich dem Basisabschnitt verschwenkbaren Steuerfingern angeordnet sind, auf die auch die Stapeltranslatoren einwirken, so dass durch entsprechende Wahl unterschiedlicher Abstände zwischen dem zur Schwenklagerung dienenden Festkörpergelenk und einerseits dem Verschlussabschnitt sowie andererseits dem Krafteinleitungsbereich des Stapeltranslators eine Hebelübersetzung realisierbar ist, mit der sich ein relativ großer Hub des zugeordneten Verschlussabschnittes verwirklichen lässt. Dabei ergibt sich auch bei relativ großem Hub eine sehr steife Steuereinheit, d. h. eine Aktuatorik mit großem Kraftüberschuss. Dies ermöglicht die Verwirklichung eines Piezoventils mit sehr hohem steuerbarem Druckbereich und dementsprechend einem sehr breiten Einsatzfeld. Bedingt durch die Festkörpergelenke lässt sich der Steuerkörper verhältnismäßig einfach herstellen und verfügt von Hause aus über eine sehr gute Struktursteifigkeit.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Jedem der von den Steuerfingern steuerbaren Ventilsitze ist ein von einem Fluid durchströmbarer Ventilkanal zugeordnet. Es wäre möglich, durch die Steuereinheit den Fluidübertritt zwischen diesen beiden Ventilkanälen zu steuern. Zweckmäßig ist allerdings das zusätzliche Vorhandensein eines weiteren, dritten Ventilkanals, so dass die Möglichkeit besteht, diesen dritten Ventilkanal wahlweise mit dem einen oder anderen der beiden steuerbaren Ventilkanäle zu verbinden. Zweckmäßig ist eine Ausgestaltung des Piezoventils als 3/3-Wege-Piezoventil, das auch noch die Möglichkeit bildet, die beiden steuerbaren Ventilkanäle gleichzeitig zu verschließen und vom dritten Ventilkanal abzutrennen.
Das Piezoventil kann prinzipiell als Schaltventil digital betrieben werden. Besonders vorteilhaft wird jedoch die Nutzung als Proportionalventil angesehen, wobei die beiden Piezoaktoren unabhängig voneinander variabel elektrisch ansteuerbar sind, so dass jeder Verschlussabschnitt stufenlos mehrere Offenstellungen einnehmen kann, in denen er mit unterschiedlichem Abstand zum jeweils zugeordneten Ventilsitz angeordnet ist. Dadurch kann der ausgangsseitige Fluiddruck und/oder Durchfluss variabel und bei Bedarf auch in geregelter Weise vorgegeben bzw. eingestellt werden.
Die Festkörpergelenke resultieren zweckmäßigerweise aus je einem biegbaren, verhältnismäßig dünnen Materialsteg, der einenends mit dem Basisabschnitt und andernends mit dem zugeordneten Steuerfinger verbunden ist. Es liegt hierbei insbesondere eine einstückige Verbindung vor. Besonders vorteilhaft ist eine gesamthafte Realisierung des Steuerkörpers als einstückiges Bauteil, vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl.
Jeder Verschlussabschnitt trägt in dem den zugeordneten Ventilsitz gegenüberliegenden Bereich zweckmäßigerweise eine Verschlussfläche, die zum Verschließen eines Ventilkanals dichtend am zugeordneten Ventilsitz anliegen kann. Die Verschlussfläche kann Bestandteil eines am Verschlussabschnitt angeordneten separaten Dichtelementes sein oder ist ein direkter Bestandteil des Verschlussabschnittes, beispielsweise gebildet von einem Oberflächenabschnitt des Steuerfingers.
Vorzugsweise liegt ein größerer Abstand zwischen dem Festkörpergelenk und der Verschlussfläche vor als zwischen dem Festkörpergelenk und der am Steuerfinger angeordneten Krafteinleitungsstelle, an der der zugeordnete Piezoaktor angreift. Auf diese Weise ergibt sich eine optimale Hubübersetzung für die bezüglich dem Basisabschnitt verschwenkbaren Steuerfinger. Selbst wenn eine zwanzigfache Übersetzung des Nutzhubes vorgenommen wird, der beispielsweise im Bereich von 30 μm liegt, entsteht ein für Pneumatikanwendungen immer noch sehr steifer Antrieb mit großem Kraftüberschuss. Dadurch ist nicht nur ein sehr hoher Druckbereich abdeckbar, sondern es ergeben sich auch für die bedarfsweise Regelung des Ventilbetriebes wesentliche Vorteile.
Für den Steuerfinger empfiehlt sich insbesondere eine L-förmige Gestaltung, wobei der längere L-Schenkel den Verschlussabschnitt bildet und der kürzere L-Schenkel mit dem zugeordneten Festkörpergelenk verbunden ist. Die Krafteinleitungsstelle für den zugehörigen Piezoaktor befindet sich hierbei insbesondere am kürzeren L-Schenkel und insbesondere an derjenigen Außenfläche dieses kürzeren L-Schenkels, die dem längeren L-Schenkel in die entgegengesetzte Richtung abgewandt ist.
Eine besonders platzsparende Anordnung lässt sich erhalten, wenn die Piezoaktoren gemeinsam in einer seitlichen Ausnehmung des Steuerkörpers aufgenommen sind, die einerseits von den sich an die Festkörpergelenke anschließenden rückseitigen Endabschnitten der Steuerfinger begrenzt sind und andererseits von einer gegenüberliegenden Abschlusswand des Basisabschnittes. Die Piezoaktoren sind hierbei insbesondere so angeordnet, dass sie einenends auf jeweils einen der beiden rückseitigen Endabschnitte der Steuerfinger einwirken und andernends sich direkt oder indirekt an der der Ausnehmung zugewandten Innenfläche der Abschlusswand abstützen.
Die beiden Steuerfinger sind insbesondere identisch gestaltet. Ihre Verschlussabschnitte können vorzugsweise eine stabförmige Form haben. Zweckmäßig ist eine Anordnung, bei der sie im deaktivierten Zustand parallel mit Querabstand zueinander ausgerichtet sind.
Es ist auch vorteilhaft, wenn sich die beiden steuerbaren Ventilsitze auf der gleichen Längsseite des Steuerkörpers befinden. Die Kraftrichtung, mit der sich die Verschlussabschnitte bei Aktivierung des ihnen zugeordneten Piezoaktors an einem Ventilsitz abstützen, ist dann bei beiden Steuerfingern die gleiche.
Eine besonders vorteilhafte Schwenklagerung des Steuerkörpers am Basisabschnitt wird mittels einer Schneidenlagerung realisiert. Hierbei kommt eine Schwenklagereinrichtung zum Einsatz, die zwei Lagerkomponenten hat, bei der es sich im einen Fall um eine Lagernut und im anderen Fall um eine in die Lagernut eingreifende Lagerschneide handelt. Von diesen beiden Lagerkomponenten befindet sich die eine am Basisabschnitt des Steuerkörpers und die andere am Ventilgehäuse. Vorzugsweise ist die Lagerschneide am Ventilgehäuse angeordnet.
Die Lagerschneide stützt sich an der Begrenzungsfläche der Lagernut ab. Der Basisabschnitt liegt also an der Schwenklagereinrichtung nur lose am Ventilkörper an. Zweckmäßigerweise sind jedoch Federmittel vorhanden, die zwischen dem Basisabschnitt und dem Ventilgehäuse wirksam sind und die den Basisabschnitt ständig an die am Ventilgehäuse angeordnete Lagerkomponente andrücken, ohne die Schwenkbeweglichkeit zu behindern.
Das Piezoventil ist insbesondere so ausgelegt, dass beide Verschlussabschnitte im deaktivierten Zustand des jeweils zugeordneten Piezoaktors eine am gegenüberliegenden Ventilsitz dichtend anliegende Schließstellung einnehmen. Bei deaktivierten Piezoaktoren sind dann die den beiden steuerbaren Ventilsitzen zugeordneten Ventilkanäle abgesperrt. Diese Schließstellung wird insbesondere dadurch erreicht, dass das Piezoventil mit Federmitteln ausgestattet ist, die ständig zwischen dem Ventilgehäuse und den Steuerfingern wirksam sind, um letztere in Richtung der Schließstellung zu beaufschlagen. Die Federmittel können hierbei beispielsweise direkt im Bereich der Verschlussabschnitte oder im Bereich der Festkörpergelenke auf die Steuerfinger einwirken. Erfolgt die Krafteinleitung der Federmittel im Bereich der Festkörpergelenke, kann damit vorzugsweise auch die notwendige Haltekraft aufgebracht werden, um bei Vorhandensein einer Schneidenlagerung den Basisabschnitt am Ventilgehäuse verschwenkbar zu fixieren.
Die Federmittel können beispielsweise von Schraubenfedern gebildet sein, sind vorzugsweise jedoch in Form mindestens einer Blattfeder verwirklicht.
Die beiden Steuerfinger erstrecken sich zweckmäßigerweise in zueinander parallelen, mit Abstand zueinander angeordneten Auslenkebenen, die sich rechtwinkelig zur Schwenkachse der zwischen dem Basisabschnitt und dem Ventilgehäuse vorhandenen Schwenklagerung erstrecken. Die Piezoaktoren sind in diesem Zusammenhang vorzugsweise so angeordnet, dass ihre Längsachsen parallel zu diesen Auslenkebenen verlaufen, wobei zweckmäßigerweise die Längsachse des einen Piezoaktors in der einen Auslenkebene und die Längsachse des anderen Piezoaktors in der anderen Auslenkebene verläuft.
Wenn jeweils ein Steuerfinger und ein Piezoaktor axial aufeinanderfolgend angeordnet sind, lässt sich eine besonders flache Bauweise der Steuereinheit realisieren. Besteht Interesse an einer kurzen Bauweise, kann dies mittels einer Nebeneinanderanordnung realisiert werden, bei der jeweils ein Steuerfinger und ein Piezoaktor in ein und derselben Auslenkebene längsseits nebeneinander angeordnet sind.
Der Basisabschnitt verfügt zweckmäßigerweise über eine Grundplatte, von der zwei mit Querabstand zueinander angeordnete Fingerträger wegragen, an denen jeweils unter Zwischenschaltung eines der Festkörpergelenke einer der Steuerfinger schwenkbeweglich angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich zwischen den beiden Festkörpergelenken ein Freiraum erhalten, der die angestrebte Unabhängigkeit zwischen den Schwenkbewegungen der beiden Steuerfinger vorteilhaft unterstützt.
Das Piezoventil ist zweckmäßigerweise mit einer elektronischen Steuereinrichtung für die Piezoaktoren ausgestattet. Hierzu kann ein am Ventilgehäuse angeordneter Ansteuerkopf vorhanden sein, der die elektronische Steuereinrichtung beinhaltet. Diese Steuereinrichtung kann bei Bedarf so ausgebildet sein, dass eine geregelte Betriebsweise des Piezoventils möglich ist. Insbesondere kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, um von einem Drucksensor und/oder Durchflusssensor erhaltene Messwerte bei der Ansteuerung der Piezoaktoren zu berücksichtigen. Dieser mindestens eine Drucksensor und/oder Durchflusssensor ist vorzugsweise ein unmittelbarer Bestandteil des Piezoventils.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Piezoventils in einer perspektivischen Außenansicht,
2 eine für die Fluidsteuerung verantwortliche Ventileinheit des Piezoventils in einer Explosionsdarstellung,
3 das Piezoventil aus 1 im Längsschnitt gemäß Schnittlinie III-III, wobei der Bereich eines Festkörpergelenkes ergänzend vergrößert abgebildet ist,
4 einen Querschnitt durch die Ventileinheit des Piezoventils gemäß Schnittlinie IV-IV aus 3 in der Schließstellung beider Verschlussabschnitte,
5 eine Schnittdarstellung vergleichbar der 4, wobei der eine Verschlussabschnitt eine Offenstellung und der andere Verschlussabschnitt die Schließstellung einnimmt,
6 die Anordnung aus 5 mit vertauschten Stellungen der Verschlussabschnitte,
7 eine Einzeldarstellung der im Ventilgehäuse beweglich untergebrachten Steuereinheit in einer Seitenansicht mit Blickrichtung gemäß Pfeil VII aus 8,
8 eine Draufsicht von oben auf die Steuereinheit mit Blickrichtung gemäß Pfeil VIII aus 7,
9 eine perspektivische Einzeldarstellung der Steuereinheit,
10 einen Ausschnitt des Piezoventils im deaktivierten Zustand beider Piezoaktoren,
11 eine Darstellung vergleichbar 10, wobei der eine Piezoaktor aktiviert und der andere Piezoaktor deaktiviert ist,
12 die Anordnung aus 11 mit vertauschter Aktivierung und Deaktivierung der beiden Piezoaktoren,
13 eine Seitenansicht der Steuereinheit in einem Zustand gemäß 11 und
14 eine Seitenansicht der Steuereinheit in einem Zustand gemäß 12.
Das in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Piezoventil enthält eine Ventileinheit 2 mit einem Ventilgehäuse 3. Im Innern des Ventilgehäuses 3 ist eine Ventilkammer 4 ausgebildet.
Beispielhaft ist das Ventilgehäuse 3 blockförmig oder quaderförmig ausgebildet. Es enthält zweckmäßigerweise ein Unterteil 5 mit einer Bodenwand 5a und einer umlaufenden, nach oben ragenden Seitenwand 5b. Auf den der Bodenwand 5a entgegengesetzten Rand der Seitenwand 5b ist ein Gehäusedeckel 6 aufgesetzt, insbesondere unter Zwischenschaltung einer umlaufenden Dichtung 7.
Die Ventilkammer 4 befindet sich hauptsächlich im Unterteil 5 und ist nach oben hin vom Gehäusedeckel 6 verschlossen.
Die Ventilkammer 4 und insbesondere auch das Ventilgehäuse 3 haben eine längliche Gestalt mit einer Längsachse 8. Rechtwinkelig zur Längsachse 8 verläuft eine Hochachse 12, die sich exemplarisch senkrecht zur Bodenwand 5a erstreckt. Eine zur Längsachse 8 und zur Hochachse 12 rechtwinkelige Achse sei im Folgenden als Querachse 13 bezeichnet.
In die Ventilkammer 4 münden an der Innenfläche der Bodenwand 5a ein erster und zweiter Ventilkanal 14a, 14b. Ihre Mündungen sind in der Richtung der Querachse 13 mit Abstand zueinander angeordnet und von einem ersten bzw. zweiten Ventilsitz, der fest am Ventilgehäuse 3 angeordnet ist, umrahmt. In Achsrichtung der Längsachse 8 liegen die beiden Ventilsitze 15a, 15b zweckmäßigerweise auf gleicher Höhe.
Die beiden Ventilkanäle 14a, 14b münden jeweils zu einer Außenfläche des Ventilgehäuses 3 aus. Der erste Ventilkanal 14a bildet beim Ausführungsbeispiel einen mit einer Druckquelle P verbindbaren Speisekanal, der zweite Ventilkanal 14b einen mit der Atmosphäre R verbindbaren Entlüftungskanal. Eine an der Außenmündung des ersten Ventilkanals 14a angeordnete Anschlusseinheit 16 ermöglicht den Anschluss einer zu einer nicht abgebildeten Druckquelle führenden Fluidleitung. An die Außenmündung des zweiten Ventilkanals 14b ist exemplarisch ein Schalldämpfer 17 angeschlossen.
Ein dritter Ventilkanal 14c mündet einerseits ebenfalls in die Ventilkammer 4 und andererseits zu einer Außenfläche des Ventilgehäuses 3. Er wird beim Ausführungsbeispiel als mit einem Verbraucher A verbindbarer Arbeitskanal genutzt. An der Außenmündung des dritten Ventilkanals 14c ist ebenfalls eine Anschlusseinheit 16 angeordnet, mit der sich eine zum anzusteuernden Verbraucher führende Fluidleitung lösbar anschließen lässt.
Während der erste und zweite Ventilkanal 14a, 14b von einer in der Ventilkammer 4 angeordneten Steuereinheit 23 steuerbar sind, gilt dies nicht für den dritten Ventilkanal 14c. Dieser mündet ständig unbeeinflusst von der Steuereinheit 23 in die Ventilkammer 4 und benötigt daher im Bereich seiner Innenmündung auch keinen Ventilsitz.
Die Ventilkammer 4 hat eine Längserstreckung entlang der Längsachse 8 und verfügt dabei über zwei einander entgegengesetzte Endbereiche, die im Folgenden als vorderer und hinterer Endbereich bezeichnet werden sollen. Die beiden Ventilsitze 15a, 15b sind exemplarisch im vorderen Endbereich der Ventilkammer 4 platziert.
Im hinteren Endbereich der Ventilkammer 4 ist an der Bodenwand 5a eine erste Lagerkomponente 22a einer Schwenklagereinrichtung 22 angeordnet. Sie ist als sich in Achsrichtung der Querachse 13 erstreckender und nach oben in die Ventilkammer 4 hineinragender Vorsprung gestaltet, der schneidenartig spitz zuläuft und daher im Folgenden auch als Lagerschneide bezeichnet wird.
Im Innern der Ventilkamer 4 ist eine bewegliche Steuereinheit 23 angeordnet. Selbige ist in 7 bis 9, 13 und 14 auch nochmals gesondert abgebildet. Es handelt sich bei ihr um eine Baugruppe, die als wesentliche Bestandteile einen insbesondere einstückig ausgebildeten Steuerkörper 24 und zwei als Stapeltranslatoren ausgebildete erste und zweite Piezoaktoren 25a, 25b umfasst.
Die Steuereinheit 23 erstreckt sich in Achsrichtung der Längsachse 8 und dabei sowohl über die erste Lagerkomponente 22a als auch die beiden Ventilsitze 15a, 15b hinweg.
Der insbesondere aus Metall und hierbei vorzugsweise aus Stahl bestehende Steuerkörper 24 verfügt an seinem sich neben der ersten Lagerkomponente 22a erstreckenden rückwärtigen Endabschnitt über eine zweite Lagerkomponente 22b der Schwenklagereinrichtung 22. Es handelt sich hierbei um eine an der der Bodenwand 5a zugewandten Unterseite des Steuerkörpers 24 ausgebildete und sich in der Querrichtung 13 erstreckende Längsnut, die im Folgenden auch als Lagernut bezeichnet wird. Mit dieser Lagernut 22b sitzt der Steuerkörper 24 auf der Lagerschneide 22a, so dass selbige in die Lagernut 22b eingreift. Hierbei liegt eine Linienberührung vor, die eine sich in Achsrichtung der Querachse 13 verlaufende Schwenkachse 26 definiert, um die der Steuerkörper 24 relativ zum Ventilgehäuse 3 gemäß Doppelpfeil 27 verschwenkbar ist.
Prinzipiell könnte die Schwenklagereinrichtung 22 auch auf andere Weise generiert werden, beispielsweise durch Bohrungen im Ventilgehäuse 3 und im Steuerkörper 24, in die Lagerbolzen eingesteckt sind. Die beim Ausführungsbeispiel realisierte Schwenklagereinrichtung 22, die als Schneidenlagerung bezeichenbar ist, lässt sich jedoch einfach herstellen und ermöglicht eine sehr einfache schwenkbewegliche Montage des Steuerkörpers 24, indem dieser lediglich auf die erste Lagerkomponente 22a aufgelegt wird.
Die Anordnung von Lagerschneide 22a und Lagernut 22b könnte auch vertauscht sein.
Der Steuerkörper 24 verfügt über einen Basisabschnitt 28 und über zwei längsseits nebeneinander angeordnete und mit Querabstand zueinander von dem Basisabschnitt 28 in die gleiche Richtung wegragende erste und zweite Steuerfinger 31a, 31b. Während der Basisabschnitt 28 den hinteren Endbereich des Steuerkörpers 24 bildet, gehören die beiden Steuerfinger 31a, 31b zum vorderen Endbereich des Steuerkörpers 24.
Die zweite Lagerkomponente 22b ist an dem Basisabschnitt 28 angeordnet. Mithin erfolgt die Schwenklagerung des Steuerkörpers 24 an diesem Basisabschnitt 28.
Während der erste Steuerfinger 31a mit einem als erster Verschlussabschnitt 32a bezeichneten Längenabschnitt über den ersten Ventilsitz 15a ragt, ragt der zweite Steuerfinger 31b mit einem als zweiter Verschlussabschnitt 32b bezeichneten Längenabschnitt über den zweiten Ventilsitz 15b.
Die beiden Verschlussabschnitte 32a, 32b sind zweckmäßigerweise von den dem Basisabschnitt 28 axial entgegengesetzten Endabschnitten der Steuerfinger 31a, 31b gebildet.
Jeder Verschlussabschnitt 32a, 32b weist an seiner dem zugeordneten Ventilsitz 15a, 15b zugewandten Seite in dem diesem Ventilsitz 15a, 15b gegenüberliegenden Bereich eine Verschlussfläche 33 auf, die am gegenüberliegenden Ventilsitz 15a, 15b dichtend zur Anlage bringbar ist, um den zu dem betreffenden Ventilsitz 15a, 15b gehörenden Ventilkanal 14a oder 14b abzusperren. Die Verschlussfläche 33 kann direkt von einer Außenfläche des zugehörigen Steuerfingers 31a, 31b gebildet sein, befindet sich zweckmäßigerweise jedoch an einem insbesondere aus Material mit gummielastischen Eigenschaften bestehenden Dichtelement 34, das am Steuerfinger 31a, 31b fixiert ist.
Zwischen den ersten Steuerfinger 31a und den Basisabschnitt 28 ist ein erstes Festkörpergelenk 35a zwischengeschaltet, zwischen den zweiten Steuerfinger 31b und den Basisabschnitt 28 ein zweites Festkörpergelenk 35b. Die Festkörpergelenke 35a, 35b sind integrale und insbesondere einstückige Bestandteile des Steuerkörpers 24 und bewirken voneinander unabhängige gelenkige Verbindungen zwischen jedem Steuerfinger 31a, 31b und dem Basisabschnitt 28. Die Gelenkachsen 36 beider Festkörpergelenke 35a, 35b verlaufen parallel zu der Schwenkachse 26. Jeder Steuerfinger 31a, 31b und der Basisabschnitt 28 sind um die jeweils zugeordnete Gelenkachse 36 relativ zueinander verschwenkbar. Dies allerdings nur bei entsprechendem Kraftaufwand, da die Festkörpergelenke 35a, 35b über eine relativ hohe Drehmomentensteifigkeit verfügen.
Der vergrößerte Ausschnitt in 3 macht deutlich, dass jedes Festkörpergelenk 35a, 35b zweckmäßigerweise von einem biegbaren Materialsteg 37 des Steuerkörpers 24 gebildet ist, der sich in Achsrichtung der Längsachse 8 erstreckt und der einenends an einem der Steuerfinger 31a, 31b und andernends am Basisabschnitt 28 angreift. Ein solcher Materialsteg 37 lässt sich insbesondere durch zwei zueinander beabstandete Einschnitte 38 realisieren, die von einander entgegengesetzten Seiten her in den Steuerkörper 24 eingebracht werden. Die Steifigkeit des Festkörpergelenks 35a, 35b wird hierbei durch die Dicke des Materialsteges 37 sowie die Tiefe und Breite der Einschnitte 38 bestimmt.
In der aus der Zeichnung ersichtlichen vorteilhaften Gestaltung des Steuerkörpers 24 enthält der Basisabschnitt 28 eine einstückig in ihn integrierte Grundplatte 42, die sich in einer zu der Schwenkachse 26 parallelen Ebene erstreckt und von der rückseitig, insbesondere im Bereich der Schwenkachse 26, ein als Abschlusswand 43 bezeichneter Fortsatz in einer zur Ausdehnungsebene der Grundplatte 42 rechtwinkeligen ersten Richtung wegragt. Die erste Richtung weist beim Ausführungsbeispiel von der Bodenwand 5a weg nach oben in Richtung zum Gehäusedeckel 6.
An der der Abschlusswand 43 axial entgegengesetzten Vorderseite der Grundplatte 42 schließen sich zwei ebenfalls in der ersten Richtung, und somit beim Ausführungsbeispiel nach oben wegragende Fortsätze an, die auf Grund ihrer Funktion als erste und zweite Fingerträger 44a, 44b bezeichnet seien. Die Beiden Fingerträger 44a, 44b sind in Achsrichtung der Querachse 13 zueinander beabstandet.
Jeder Fingerträger 44a, 44b trägt unter Zwischenschaltung eines Festkörpergelenkes 35a, 35b einen der beiden Steuerfinger 31a, 31b. Deren Querabstand entspricht dabei zweckmäßigerweise demjenigen zwischen den beiden Fingerträgern 44a, 44b. Das erste Festkörpergelenk 35a sitzt in der oben genannten ersten Richtung, exemplarisch also vertikal, zwischen dem ersten Fingerträger 44a und dem rückwärtigen Endabschnitt des ersten Steuerfingers 31a. Die gleiche Anordnung gilt für das zweite Festkörpergelenk 35b bezüglich des zweiten Fingerträgers 44b und des zweiten Steuerfingers 31b. Der Materialsteg jedes Festkörpergelenkes 35a, 35b ist einenends einstückig mit einem der Fingerträger 44a, 44b und andernends mit dem rückwärtigen Endabschnitt eines der Steuerfinger 31a, 31b verbunden.
Die beiden Steuerfinger 31a, 31b sind vorzugsweise L-förmig gestaltet. Der längere L-Schenkel 46 bildet den zugeordneten Verschlussabschnitt 32a, 32b, während der kürzere L-Schenkel 47 den rückwärtigen Endabschnitt des Steuerfingers 31a, 31b bildet und an seiner Stirnseite mit dem sich jeweils anschließenden Festkörpergelenk 35a, 35b verbunden ist. Somit erstrecken sich die beiden längeren L-Schenkel 46 im Wesentlichen axial, also in Achsrichtung der Längsachse 8, während die kürzeren L-Schenkel 47 in Achsrichtung der Hochachse 12 und somit auch rechtwinkelig zur Ausdehnungsebene der Grundplatte 42 verlaufen.
Die in die entgegengesetzte Richtung wie der zugeordnete längere L-Schenkel 46 weisende Außenfläche jedes kürzeren L-Schenkels 47, die im Folgenden als Krafteinleitungsfläche 48 bezeichnet sei, ist nach rückwärts orientiert und der Abschlusswand 43 zugewandt.
Gemeinsam begrenzen die Grundplatte 42, die Abschlusswand 43, die in die gleiche Richtung wie die Abschlusswand 43 ragenden Fingerträger 44a, 44b und die kürzeren L-Schenkel 47 der Steuerfinger 31a, 31b eine längsseitige Ausnehmung 52 des Steuerkörpers 24, die an der der Bodenwand 5a entgegengesetzten Oberseite und auch an den in Achsrichtung der Querachse 13 orientierten Seiten offen ist. Der Steuerkörper 24 hat in diesem Bereich also einen U-förmigen Längsschnitt. Die Ausnehmung 52 dient zur Aufnahme der beiden Piezoaktoren 25a, 25b.
Die beiden Piezoaktoren 25a, 25b haben jeweils eine Längserstreckung mit Längsachsen 53a, 53b. Sie sind in der Ausnehmung 52 so ausgerichtet, dass ihre Längsachsen 53a, 53b parallel zueinander und insbesondere auch parallel zu der Längsachse 8 verlaufen. Jeder Piezoaktor 25a, 25b hat eine axial orientierte hintere Stirnfläche 54, mit der er sich direkt oder indirekt innen an der Abschlusswand 43 abstützt, und außerdem eine entgegengesetzt und exemplarisch nach vorne weisende vordere Stirnfläche 55, mit der er sich an der Krafteinleitungsfläche 48 von jeweils einem der beiden Steuerfinger 31a, 31b abstützt.
Während die Abstützung bezüglich der Abschlusswand 43 insbesondere großflächig erfolgen kann, stützen sich beide Piezoaktoren 25a, 25b im Bereich der Krafteinleitungsfläche 48 zweckmäßigerweise nur punktuell oder linienförmig in einem begrenzten Bereich ab, der als Krafteinleitungsstelle 56 bezeichnet sei und der insbesondere definiert ist von einem in die Ausnehmung 52 hineinragenden höckerartigen Vorsprung an der Krafteinleitungsfläche 48. Man erkennt dies besonders gut in dem vergrößerten Ausschnitt der 3.
Prinzipiell könnten sich die Piezoaktoren 25a, 25b mit ihren hinteren Stirnflächen 54 direkt an der Abschlusswand 43 abstützen. Zweckmäßiger ist jedoch die beim Ausführungsbeispiel realisierte Bauform, bei der eine nur mittelbare bzw. indirekte Abstützung unter Zwischenschaltung je einer Justierschraube 57 erfolgt, die in ein die Abschlusswand 43 durchsetzendes Gewindeloch eingeschraubt ist und geringfügig von der Rückseite her in die Ausnehmung 52 hineinragt. Mit Hilfe der Justierschrauben 57 lässt sich die axiale Vorspannung der Piezoaktoren 25a, 25b einstellen.
An jedem Piezoaktor 25a, 25b sind der elektrischen Ansteuerung dienende Kontaktmittel 58 angeordnet. An ihnen lässt sich eine bevorzugt variable Ansteuerspannung zur bevorzugt stufenlosen Aktivierung jedes Piezoaktors 25a, 25b anlegen. Die beiden Piezoaktoren 25a, 25b sind insbesondere unabhängig voneinander betätigbar.
Im deaktivierten Zustand beider Piezoaktoren 25a, 25b, also wenn an keinem der Piezoaktoren 25a, 25b eine Ansteuerspannung anliegt, nimmt der Steuerkörper 24 eine beispielsweise aus 3, 4, 7 und 10 ersichtliche Grundstellung ein. Hierbei erstrecken sich die beiden Steuerfinger und insbesondere deren Verschlussabschnitte 32a, 32b parallel zueinander und insbesondere auch parallel zu der Längsachse 8. In dieser Grundstellung liegen beide Verschlussabschnitte 32a, 32b unter Vorspannung und Absperrung des zugeordneten Ventilkanals 14a, 14b am jeweils zugeordneten Ventilsitz 15a, 15b an. Die beiden Ventilsitze 15a, 15b befinden sich auf der gleichen Längsseite des Steuerkörpers 24, exemplarisch unterhalb diesem. Die Schwenklagereinrichtung 22 ist auf der gleichen Längsseite des Steuerkörpers 24 angeordnet wie die Ventilsitze 15a, 15b.
Zugunsten einer flachen Bauweise der Steuereinheit 23 ragen die Steuerfinger 31a, 31b von der Ausnehmung 52 bzw. vom Basisabschnitt 28 weg. Hierdurch ergibt sich insbesondere eine dahingehende Anordnung, dass jeweils ein Steuerfinger 31a, 31b und ein Piezoaktor 25a, 25b axial aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Bei einer nicht abgebildeten alternativen Bauform sind die Steuerfinger 31a, 31b ausgehend von den Fingerträgern 44a, 44b nach rückwärts gewandt und erstrecken sich über die Piezoaktoren 25a, 25b hinweg. Das Piezoventil 1 baut in diesem Fall kürzer, zugleich aber auch etwas höher.
Der erste Steuerfinger 31a erstreckt sich in einer ersten Auslenkebene 62a, der zweite Steuerfinger 31b in einer dazu parallelen zweiten Auslenkebene 62b. Beide Auslenkebenen 62a, 62b erstrecken sich rechtwinkelig zur Schwenkachse 26 der Schwenklagereinrichtung 22.
Die Piezoaktoren 25a, 25b sind vorzugsweise so angeordnet, dass die Längsachse 53a des ersten Piezoaktors 25a in der ersten Auslenkebene 62a verläuft und die Längsachse 53b des zweiten Piezoaktors 25b in der zweiten Auslenkebene 62b. Im deaktivierten Zustand der beiden Piezoaktoren 25a, 25b verlaufen deren Längsachsen 53a, 53b zweckmäßigerweise parallel zu den Längsachsen der bevorzugt stabförmigen Verschlussabschnitte 32a, 32b.
Die gleichzeitige Anlage beider Verschlussabschnitte 32a, 32b an den ihnen zugeordneten Ventilsitzen 15a, 15b in der Grundstellung, wird durch Federmittel 63 hervorgerufen, die zwischen dem Steuerkörper 24 und dem Ventilgehäuse 3 wirksam sind. Der Übersichtlichkeit wegen sind diese Federmittel 63 in den 10 bis 12 als einzelne Schraubendruckfedern gezeigt – um solche es sich in der Praxis prinzipiell auch handeln kann –, wobei sie aber zweckmäßigerweise in Form mindestens einer und vorzugsweise genau einer Blattfeder realisiert sind, die aus 2 und 3 ersichtlich ist.
Die Federmittel 63 beaufschlagen beide Steuerfinger 31a, 31b ständig in Richtung einer am jeweils gegenüberliegenden Ventilsitz 15a, 15b anliegenden Schließstellung. Sie wirken dabei im Bereich der Verschlussabschnitte 32a, 32b individuell auf jeden Steuerfinger 31a 31b ein. Die Krafteinleitungsstelle der Federmittel 63 befindet sich hierbei insbesondere auf axialer Höhe der Verschlussflächen 33.
Vorzugsweise sind die Federmittel 63 so ausgebildet, dass sie darüber hinaus auch den Basisabschnitt beaufschlagen und ständig mit seiner zweiten Lagerkomponente 22b an die erste Lagerkomponente 22a andrücken. Somit dienen die Federmittel 63 zur Vorspannung des Steuerkörpers 24 einerseits gegen die beiden Ventilsitze 15a, 15b und andererseits im Bereich der als Schneidenlagerung konzipierten Schwenklagereinrichtung 22.
Bei einer Ausgestaltung als Blattfeder 63a können die Federmittel 63 einen sich an der der Ventilkammer 4 zugewandten Innenfläche des Gehäusedeckels 6 abstützenden Abstützabschnitt 64 aufweisen und über vier von diesem Abstützabschnitt 64 wegragende Federarme 65 verfügen, von denen zwei auf die nach oben weisende Stirnfläche der Abschlusswand 43 drücken und zwei weitere auf die der Verschlussfläche 33 entgegengesetzte Oberseite je eines Steuerfingers 31a 31b.
In 10 ist gestrichelt bei 63' angedeutet, dass die gleichzeitige Vorspannung des Steuerkörpers 24 gegen die Ventilsitze 15a 15b und gegen die erste Lagerkomponente 22a auch durch zentral wirkende Federmittel 63' realisiert werden könnte, die im Bereich der Festkörpergelenke auf den Steuerkörper 24 einwirken.
Eine bevorzugte Betriebsweise des Piezoventils 1 gestaltet sich wie folgt:
Im deaktivierten Zustand der beiden Piezoaktoren 25a, 25b nimmt der Steuerkörper 24 die Grundstellung ein, was gleichbedeutend ist mit der Einnahme einer dichtend am zugeordneten Ventilsitz 15a, 15b anliegenden Schließstellung beider Verschlussabschnitte 32a, 32b.
Um den ersten Verschlussabschnitt 32a vom ersten Ventilsitz 15a abzuheben, so dass durch die Ventilkammer 4 hindurch eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Ventilkanal 14a und dem dritten Ventilkanal 14c hergestellt wird, erfolgt eine elektrische Aktivierung des zweiten Piezoaktors 25b. Dieser Betriebszustand des aktivierten zweiten Piezoaktors 25b ist aus 5, 11 und 13 ersichtlich. Der erste Piezoaktor 25a bleibt hierbei deaktiviert.
Bei seiner Aktivierung erfährt der als Stapeltranslator ausgebildete zweite Piezoaktor 25b auf Grund des sogenannten umgekehrten piezoelektrischen Effektes eine Verlängerung, was zur Folge hat, dass er an der Krafteinleitungsstelle 56 eine relativ hohe erste Stellkraft F₁ in den zweiten Steuerfinger 31b einleitet. Bedingt dadurch, dass die Krafteinleitungsstelle 56 der ersten Stellkraft F₁ mit einem ersten Abstand L₁ zum zugeordneten zweiten Festkörpergelenk 35b angeordnet sind, wirkt auf den zweiten Steuerfinger 31b relativ zum Basisabschnitt 28 ein Drehmoment, das danach trachtet, den zweiten Steuerfinger 31b gemäß Pfeil 66 in Richtung zum zweiten Ventilsitz 15b zu verschwenken.
Dies hat zur Folge, dass der zweite Steuerfinger 31b im Bereich seiner Verschlussfläche 33 mit einer zweiten Stellkraft F₂ an den zweiten Ventilsitz 15b angedrückt wird. Die Krafteinleitungsstelle der zweiten Stellkraft F₂ ist dabei unter einem zweiten Abstand L₂ zum zweiten Festkörpergelenk 35b angeordnet.
Auf Grund dessen, dass der zweite Ventilsitz 15b nicht nachgeben kann, fungiert er als Widerlager für den zweiten Steuerfinger 31b im Bereich der Verschlussfläche 33.
Da der Steuerkörper 24 außerdem auch an der Schwenklagereinrichtung 22 in der gleichen Richtung abgestützt ist wie am zweiten Ventilsitz 15b, dazwischen jedoch frei liegt und am Ventilgehäuse 3 nicht befestigt ist, findet ein Durchbiegen des Steuerkörpers im Bereich des zweiten Festkörpergelenkes 35b in der oben erwähnten ersten Richtung, beim Ausführungsbeispiel also nach oben von der Bodenwand 5a weggerichtet, statt. Bei diesem Durchbiegen wird einerseits der Basisabschnitt 28 um die Schwenkachse 26 verschwenkt und es findet auch ein geringfügiges Verschwenken des zweiten Steuerfingers 31b um den zweiten Ventilsitz 15b statt, wobei die Auslenkung jedoch so gering ist, dass die Schließstellung nicht aufgehoben wird. Eine sichere Schließstellung kann insbesondere dadurch begünstigt werden, dass ein elastisch nachgiebiges Dichtelement 34 verwendet wird, das den Schwenkwinkel unter Beibehaltung des Dichtkontaktes kompensiert.
Nachdem der Basisabschnitt 28 beim Durchbiegen des Steuerkörpers 24 im Bereich seines zweiten Festkörpergelenkes 35b von der Bodenwand 5a weg nach oben verschwenkt wird, findet automatisch auch ein entsprechendes Verschwenken des ebenfalls am Basisabschnitt 28 angeordneten ersten Festkörpergelenkes 35a statt. Dies hat zur Folge, dass der an dem ersten Festkörpergelenk 35a angeordnete erste Steuerfinger 31a, da er in dieser Richtung nicht blockiert wird, mitgenommen wird und von dem ihm zugeordneten ersten Ventilsitz 15a abhebt. Dadurch ist die Verbindung des ersten Ventilkanals 14a zur Ventilkammer 4 freigegeben.
Wird der zweite Piezoaktor 25b in der Folge wieder deaktiviert, kehrt der Steuerkörper 24 auf Grund der dem elastischen zweiten Festkörpergelenk 35b inherenden Rückstellkräfte wieder in die Grundstellung zurück und es sind wieder sowohl der erste als auch der zweite Ventilkanal 14a, 14b abgesperrt.
Soll nun der zweite Ventilkanal 14b mit der Ventilkammer 4 und über diese hinweg mit dem dritten Ventilkanal 14c verbunden werden, geschieht dies durch Aktivierung des ersten Piezoaktors 25a, wobei der zweite Piezoaktor 25b deaktiviert bleibt. Dieser Zustand ergibt sich aus 6, 12 und 14. Es finden dabei mit vertauschten Rollen der Steuerfinger und Festkörpergelenke die gleichen Bewegungsabläufe statt, die oben bei Aktivierung des zweiten Piezoaktors 25b geschildert wurden, wobei nun der erste Steuerfinger 31a gemäß Pfeil 66 an den ersten Ventilsitz 15a angedrückt wird, so dass das im Bereich des ersten Festkörpergelenkes 35a stattfindende Durchbiegen des Steuerkörpers 24 eine Mitnahme des zweiten Steuerfingers 31b zur Folge hat, so dass dieser gemäß Pfeil 67 von dem ihm zugeordneten zweiten Ventilsitz 15b entfernt wird.
Die Intensität der auch als Hub bezeichenbaren Auslenkung der beiden Steuerfinger 31a, 31b und somit deren in der vom zugeordneten Ventilsitz 15a, 15b abgehobenen Offenstellung eingenommener Abstand zum zugeordneten Ventilsitz, lässt sich zweckmäßigerweise variabel einstellen. Da der Abstand einer Verschlussfläche 33 vom Ventilsitz 15a, 15b den dem hindurchströmenden Fluid zur Verfügung gestellten Strömungsquerschnitt definiert, lässt sich auf diese Weise der Durchfluss, also die Strömungsrate regulieren. Somit lässt sich das Piezoventil als Proportionalventil mit stetigem Betriebsverhalten nutzen. Die variable Auslenkung lässt sich sehr einfach dadurch erzielen, dass die beiden Piezoaktoren 25a, 25b variabel mit unterschiedlich hohen Ansteuerspannungen aktivierbar sind.
Das Piezoventil kann somit insbesondere als 3/3-Wege-Proportionalventil genutzt werden, wobei es den dritten Ventilkanal 14c entweder gleichzeitig sowohl vom ersten als auch vom zweiten Ventilkanal 14a, 14b absperrt oder alternativ mit dem ersten oder zweiten Ventilkanal 14a, 14b verbindet und zugleich vom anderen dieser beiden genannten ersten und zweiten Ventilkanäle 14a, 14b abtrennt. Dabei sind jeweils stufenlos eine Mehrzahl unterschiedlicher Abstände zwischen jedem Verschlussabschnitt 32a, 32b und dem diesem zugeordneten Ventilsitz 15a, 15b einstellbar.
Auf Grund ihrer Ausgestaltung als Stapeltranslatoren sind die Piezoaktoren 25a, 25b in der Lage, sehr hohe Drückkräfte zu erzeugen.
Die Stapeltranslatoren bestehen zweckmäßigerweise in an sich bekannter Bauweise aus einer Vielzahl dünner Keramikscheiben, beispielsweise mit Dicken zwischen 0,3 und 1 mm, auf denen sich metallische Elektroden für die Zuführung der Ansteuerspannung befinden. Die einzelnen Scheiben werden paarweise mit entgegengesetzter Polarisationsrichtung aufeinander geschichtet und verklebt. Es ergibt sich somit ein elektrisch parallel und mechanisch in Reihe geschalteter Stapel von Piezoscheiben, deren Dicke sich bei elektrischer Ansteuerung vergrößert, wobei die gesamthafte Längenänderung des Piezostapels aus der Summe der Dickenänderung der Einzelelemente resultiert.
Trotz des Stapelaufbaus ist die maximale Längenänderung der Piezoaktoren 25a, 25b relativ gering. Dies wird jedoch durch eine in Verbindung mit den gelenkig gelagerten Steuerfingern 31a, 31b erhaltene Hubübersetzung mehr als kompensiert. Es lassen sich somit relativ große Auslenkhübe der Steuerfinger 31a, 31b im Bereich der Ventilsitze 15a, 15b verwirklichen. Insgesamt besteht somit die Möglichkeit zur Steuerung einer großen Bandbreite von Durchflüssen bzw. Drücken mit ein und demselben Piezoventil.
Die erwähnte Hubübersetzung ergibt sich insbesondere dadurch, dass der zweite Abstand L₂ zwischen jedem Festkörpergelenk 35a, 35b und der Verschlussfläche 33 des daran angeordneten Steuerfingers 31a, 31b größer ist als der Abstand zwischen dem besagten Festkörpergelenk 35a, 35b und der vom zugeordneten Piezoaktor 25a, 25b beaufschlagten Krafteinleitungsstelle 56 des betreffenden Steuerfingers 31a, 31b.
Beim Ausführungsbeispiel ist über die beiden jeweils über ein Festkörpergelenk verschwenkbar gelagerten Steuerfinger 31a, 31b eine ca. zwanzigfache Hubübersetzung verwirklicht.
Bei der beispielhaften Anordnung ist die Krafteinleitungsstelle 56 in einer anderen Richtung vom Festkörpergelenk 35a, 35b beabstandet wie die Verschlussfläche 33. Der erste Abstand L₁ misst sich insbesondere in der Achsrichtung der Hochachse 12, während sich der zweite Abstand L₂ in der Achsrichtung der Längsachse 8 misst.
Das Piezoventil 1 ist zweckmäßigerweise mit einer elektronischen Steuereinrichtung 68 ausgestattet, über die die beiden Piezoaktoren 25a, 25b elektrisch ansteuerbar sind. Exemplarisch ist die elektronische Steuereinrichtung 68 unter Verwendung mindestens einer mit elektronischen Bauteilen bestückten Platine 71 realisiert.
Das Piezoventil 1 kann zusätzlich zu der Ventileinheit 2 einen an das Ventilgehäuse 3 angesetzten Ansteuerkopf 72 aufweisen, in dessen Innern sich die elektronische Steuereinrichtung 68 befindet und der insbesondere oben auf den Gehäusedeckel 6 aufgesetzt ist. Der Gehäusedeckel 6 kann Durchbrechungen 73 aufweisen, durch die die Kontaktmittel 58 hindurchgeführt sind, so dass sie in einen Innenraum 74 des Ansteuerkopfes 72 führen, in dem die elektronische Steuereinrichtung 68 untergebracht ist und in dem sie mit dieser elektronischen Steuereinrichtung 68 kontaktiert sind.
Eine von außen her zugängliche elektromechanische Schnittstelle 75 ermöglicht eine elektrische Kommunikation der internen elektronischen Steuereinrichtung 68 mit einer nicht dargestellten externen Steuerelektronik.
Der internen elektronischen Steuereinrichtung 68 ist beim Ausführungsbeispiel ein Drucksensor 76 zugeordnet, der den in der Ventilkammer 4 und mithin den im dritten Ventilkanal 14c herrschenden Druck erfasst, so dass er bei der elektrischen Ansteuerung der Piezoaktoren 25a, 25b verwertbar ist, insbesondere bei einem geregelten Betrieb.
Es wäre auch möglich, zusätzlich oder alternativ einen Durchflusssensor zu integrieren, so dass ein druckgeregelter und/oder durchflussgeregelter Betrieb des Piezoventils 1 möglich ist.
Das Piezoventil kann sehr kostengünstig realisiert werden, weil geeignete Stapeltranslatoren am Markt von verschiedenen Herstellern preisgünstig zur Verfügung gestellt werden. Da das Piezoventil einen sehr hohen Druckbereich abdeckt, erspart man sich die Bereitstellung mehrerer, für unterschiedliche Druckbereiche speziell angepasster Ventile, was in der Fertigung eine hohe Kosteneinsparung verspricht. Durch den nahezu reibungsfreien Aufbau mit Festkörpergelenken zeigt der Ventilaufbau eine sehr geringe Hysterese und ermöglicht somit sehr exakte Druck- und/oder Durchflussvorgaben. Da die sich aus dem Steuerkörper 24 und den Piezoaktoren 25a, 25b zusammensetzende Steuereinheit 23 eine hohe Steifigkeit aufweist, treten auch bei großen Druckunterschieden nur geringe Hubunterschiede auf. Mithin ergibt sich eine sehr gute Regelbarkeit des Ventils.
Der beim Ausführungsbeispiel realisierte Aufbau ist temperaturkompensiert und äußerst toleranzunempfindlich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1207329 B1 [0002]
DE 202009007298 U1 [0004]
DE 10303856 B3 [0005]
WO 96/19836 A1 [0006]

Claims

Piezoventil, mit einem Ventilgehäuse (3), in dem eine bewegliche Steuereinheit (23) angeordnet ist, die einen Steuerkörper (24) mit einem Basisabschnitt (28) und zwei nebeneinander von dem Basisabschnitt (28) wegragenden Steuerfingern (31a, 31b) aufweist, wobei der Steuerkörper (24) an seinem Basisabschnitt (28) bezüglich dem Ventilgehäuse (3) um eine Schwenkachse (26) verschwenkbar gelagert ist und die beiden Steuerfinger (31a, 31b) mit jeweils einem Verschlussabschnitt (32a, 32b) über jeweils einen von zwei am Ventilgehäuse (3) angeordneten Ventilsitzen (15a, 15b) ragen, wobei die Steuereinheit (23) ferner zwei jeweils einem der Steuerfinger (31a, 31b) zugeordnete Piezoaktoren (25a, 25b) aufweist, durch deren einzelne Aktivierung der jeweils zugeordnete Verschlussabschnitt (32a, 32b) unter gleichzeitigem Durchbiegen des Steuerkörpers (24) an den ihm gegenüberliegenden Ventilsitz (15a, 15b) andrückbar ist, so dass der Basisabschnitt (28) einschließlich des anderen Steuerfingers (31b, 31a) um die Schwenkachse (26) verschwenkt wird und dadurch der diesem anderen Steuerfinger (31b, 31a) zugeordnete Verschlussabschnitt (32b, 32a) von dem ihm zugeordneten Ventilsitz (15b, 15a) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Steuerfinger (31a, 31b) über ein integriertes Festkörpergelenk (35a, 35b) des Steuerkörpers (24) mit dem Basisabschnitt (28) verbunden ist und dass die beiden Piezoaktoren (25a, 25b) von bezüglich dem Steuerkörper (24) gesonderten Stapeltranslatoren gebildet sind, die sich jeweils einerseits an einem der Steuerfinger (31a, 31b) und andererseits am Basisabschnitt (28) des Steuerkörpers (24) abstützen, so dass durch ihre selektive Aktivierung der jeweils zugeordnete Steuerfinger (31a, 31b) im Bereich des Festkörpergelenkes (35a, 35b) bezüglich dem Basisabschnitt (28) verschwenkbar ist.
Piezoventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ventilsitze (15a, 15b) jeweils einem in eine Ventilkammer (4) einmündenden ersten bzw. zweiten Ventilkanal (14a, 14b) zugeordnet sind, wobei außerdem auch noch ein dritter Ventilkanal (14c) in von der Steuereinheit (23) unbeeinflusster Weise in die Ventilkammer (4) einmündet.
Piezoventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es als Proportionalventil ausgebildet ist, wobei die beiden Piezoaktoren (25a, 25b) derart variabel elektrisch aktivierbar sind, dass stufenlos eine Mehrzahl unterschiedlicher Abstände zwischen jedem Verschlussabschnitt (32a, 32b) und dem jeweils zugeordneten Ventilsitz (15a, 15b) einstellbar ist.
Piezoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der beiden Festkörpergelenke (35a, 35b) von einem biegbaren Materialsteg (37) gebildet ist, der einstückig einerseits mit dem Basisabschnitt (28) und andererseits mit dem zugeordneten Steuerfinger (31a, 31b) verbunden ist.
Piezoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussabschnitt (32a, 32b) eine dem zugeordneten Ventilsitz (15a, 15b) gegenüberliegende Verschlussfläche (33) aufweist, wobei der Abstand zwischen dem Festkörpergelenk (35a, 35b) und der Verschlussfläche (33) größer ist als der Abstand zwischen dem Festkörpergelenk (35a, 35b) und der vom zugeordneten Piezoaktor (25a, 25b) beaufschlagten Krafteinleitungsstelle (56) des Steuerfingers (31a, 31b).
Piezoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerfinger (31a, 31b) L-förmig gestaltet ist, wobei der längere L-Schenkel (46) den Verschlussabschnitt (32a, 32b) bildet und der kürzere L-Schenkel (47) mit dem zugeordneten Festkörpergelenk (35a, 35b) verbunden ist, wobei sich die vom zugeordneten Piezoaktor (25a, 25b) beaufschlagte Krafteinleitungsstelle (56) des Steuerfingers (31a, 31b) zweckmäßigerweise an dem kürzeren L-Schenkel (47) befindet und hierbei zweckmäßigerweise an der dem längeren L-Schenkel (46) entgegengesetzten Außenfläche des kürzeren L-Schenkels (47).
Piezoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoaktoren (25a, 25b) gemeinsam in einer seitlichen Ausnehmung (52) des Steuerkörpers (24) aufgenommen sind, die auf einer Seite von den sich an die Festkörpergelenke (35a, 35b) anschließenden rückseitigen Endabschnitten der Steuerfinger (31a, 31b) und auf der entgegengesetzten Seite von einer Abschlusswand (43) des Basisabschnittes (28) begrenzt ist, wobei sich die Piezoaktoren (25a, 25b) jeweils einerseits an den rückseitigen Endabschnitten der Steuerfinger (31a, 31b) und andererseits an der Abschlusswand (43) abstützen.
Piezoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Steuerfinger (31a, 31b) im deaktivierten Zustand der Piezoaktoren (25a, 25b) parallel zueinander erstrecken und/oder dass die beiden Ventilsitze (15a, 15b) auf der gleichen Längsseite des Steuerkörpers (24) angeordnet sind.
Piezoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenklagerung des Steuerkörpers (24) durch eine Schneidenlagerung realisiert ist, die als eine Lagerkomponente (22b) eine Lagernut und als andere Lagerkomponente (22a) eine in die Lagernut eingreifende Lagerschneide aufweist, wobei die eine Lagerkomponente (22b) am Basisabschnitt (28) des Steuerkörpers (24) und die andere Lagerkomponente (22a) am Ventilgehäuse (3) angeordnet ist.
Piezoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ventilgehäuse (3) und dem Steuerkörper (24) wirkende Federmittel (63, 63') vorhanden sind, die die beiden Steuerfinger (31a, 31b) ständig in Richtung einer am zugeordneten Ventilsitz (15a, 15b) anliegenden Schließstellung beaufschlagen, wobei diese Federmittel (63, 63') zweckmäßigerweise entweder im Bereich der Verschlussabschnitte (32a, 32b) oder im Bereich der Festkörpergelenke (35a, 35b) auf den Steuerkörper (24) einwirken.
Piezoventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmittel (63, 63') auch den Basisabschnitt beaufschlagen und diesen zweckmäßigerweise an eine am Ventilgehäuse (3) angeordnete und zu seiner Schwenklagerung dienende Lagerkomponente (22a) andrücken.
Piezoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Steuerfinger (31a, 31b) in zueinander parallelen, rechtwinkelig zur Schwenkachse (26) der Schwenklagerung des Basisabschnittes (28) verlaufenden Auslenkebenen (62a, 62b) erstrecken.
Piezoventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoaktoren (25a, 25b) mit in jeweils einer der Auslenkebenen (62a, 62b) verlaufenden Längsachsen (53a, 53b) angeordnet sind, wobei zweckmäßigerweise jeweils ein Steuerfinger (31a, 31b) und ein Piezoaktor (25a, 25b) axial aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Piezoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabschnitt (28) zwei mit Querabstand zueinander angeordnete Fingerträger (44a, 44b) aufweist, die jeweils unter Zwischenschaltung von einem der Festkörpergelenke (35a, 35b) einen der Steuerfinger (31a, 31b) tragen.
Piezoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkörper (24) ein einstückiges, zweckmäßigerweise aus Metall bestehendes Bauteil ist.
Piezoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ventilgehäuse (3) ein eine elektronische Steuereinrichtung (68) für die Piezoaktoren (25a, 25b) aufnehmender Ansteuerkopf (72) angeordnet ist.