DE29819856U1

DE29819856U1 - Steuerglied eines Piezoventils

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Publication number: DE29819856U1
Application number: DE29819856U
Authority: DE
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 1998-11-06
Filing date: 1998-11-06
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2008-11-07
Also published as: US6367767B2; US20020008218A1; DE19949197A1

Description

G 18514 - lens 15. Oktober 1998

FESTO AG & Co. 73734 Esslincren Steuerglied eines Piezoventils

Die Erfindung betrifft das Steuerglied eines Piezoventils, mit einem länglichen Biegeelement, das im Bereich eines seiner beiden axialen Enden an einander entgegengesetzten längsseitigen Seitenflächen über jeweils ein eine Dichtfläche aufweisendes Dichtelement verfügt.

Ein Steuerglied dieser Art geht beispielsweise aus der EPO 170 990 Al hervor. Es ist dort Bestandteil eines zu einer Unterdruck-Steuervorrichtung gehörenden Piezoventils, wobei es über ein als Biegewandler bezeichnetes längliches Biegeelement verfügt, das im Bereich seines einen axialen Endes gehäusefest eingespannt ist und im Bereich seines anderen axialen Endes an einander entgegengesetzten längsseitigen Seitenflächen mit jeweils einem Dichtelement versehen ist, das der Mündung eines Fluidkanals gegenüberliegt. Durch Anlegen einer Spannung an das Biegeelement wird selbiges verformt, so daß wahlweise eines der beiden Dichtelemente mit einer an ihm vorgesehenen Dichtfläche an einem die zugeordnete Kanalmündung umgebenden Ventilsitz anliegt.

Bei dem bekannten Piezoventil sind die beiden Dichtelemente auf das Biegeelement aufgesetzt und vermutlich angeklebt. Auf diese Weise treten im Bereich beider Dichtelemente Fertigungs- bzw. Montagetoleranzen auf, die sich addieren und die zur Folge haben, daß die Abstände zwischen den beiden Dichtflächen variieren können, was die Betriebsgenauigkeit des Piezoventils beeinträchtigt. Weil die im Betrieb auftretende Auslenkung des Biegeelementes regelmäßig sehr gering ist, machen sich schon geringe Maßtoleranzen sehr negativ bemerkbar und erfordern beispielsweise eine aufwendige Düsenjustierung mit Bezug zum Biegeelement.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuerglied der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine einfachere und dennoch präzisere Herstellung gestattet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die beiden Dichtelemente gemeinsamer Bestandteil eines Dichtkörpers sind, der einen sich zwischen den beiden Dichtelementen erstreckenden und einstückig mit diesen ausgebildeten Verbindungsabschnitt aufweist, der eine Durchbrechung des Biegeelementes durchsetzt, wobei die beiden Dichtelemente den die Durchbrechung begrenzenden Randabschnitt des Biegeelementes übergreifen und im Umfangsbereich der Durchbrechung an der jeweils zugeordneten längsseitigen Seitenfläche des Biegeelementes anliegen.

Auf diese Weise sind die beiden Dichtelemente in einem gemeinsamen Dichtkörper zusammengefaßt, wobei sie über den Verbindungsabschnitt untereinander verbunden sind, so daß ein

fester Abstand zwischen den beiden Dichtflächen vorliegt, der bereits bei der Herstellung des Dichtkörpers festgelegt werden kann. Dabei ist insbesondere auch die Möglichkeit gegeben, den Dichtkörper mit seinen Dichtflächen unabhängig vom Biegeelement nach Bedarf mechanisch und/oder thermisch zu behandeln, ohne das Material des Biegeelementes zu beeinträchtigen. Da sich im montierten Zustand, bedingt durch die den die Durchbrechung begrenzenden Randabschnitt des Biegeelementes übergreifenden Dichtelemente eine mechanische Fixierung des Dichtkörpers am Biegeelement einstellt, ist eine einfache und präzise Montage möglich, wobei sich gewährleisten läßt, daß der zwischen den beiden Dichtflächen vorhandene Abstand nicht verändert wird und die Montagetoleranzen gering sind. Es versteht sich, daß das Biegeelement unter Berücksichtigung der Durchbrechung zweckentsprechend gestaltet wird, wobei insbesondere durch die Lage der zum Betrieb gegebenenfalls erforderlichen Elektroden (Elektrodenlayout) die Einbringung der Durchbrechung möglich gemacht werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Es wäre prinzipiell möglich, die Durchbrechung als umfangsseitig vollständig geschlossenes Loch auszuführen, in das der Dichtkörper eingeknöpft wird, der insbesondere in diesem Falle über gummielastische Eigenschaften verfügen sollte. Eine noch einfachere Bauform sieht allerdings vor, daß die vom Verbindungsabschnitt des Dichtkörpers durchsetzte Durchbrechung des Biegeelementes zu dessen Rand hin offen ist, um eine einfache Steckmontage des Dichtkörpers über die randseiti-

ge Öffnung hinweg vornehmen zu können. Dabei ist es aus Gründen der Symmetrie von Vorteil, wenn sich die randseitige Öffnung der Durchbrechung an der axial orientierten Stirnseite des Biegeelementes befindet.

Insbesondere dann, wenn allein durch mechanische Befestigungsmaßnahmen
keine ausreichend sichere Fixierung gewährleistet werden kann, empfiehlt sich eine zusätzliche Klebeverbindung zwischen dem Dichtkörper und dem Biegeelement.

Die Abmessungen des Verbindungsabschnittes können so gewählt werden, daß die beiden Dichtelemente mit Vorspannung am Biegeelement anliegen.

Die Dichtflächen können unmittelbar am jeweils zugeordneten Dichtelement vorgesehen sein, so daß sie einstückiger Bestandteil
des Dichtkörpers sind. Eine hierzu alternative und besonders vorteilhafte Bauform sieht allerdings vor, die
Dichtflächen an separaten Dichtflächenteilen auszubilden und diese Dichtflächenteile am einstückigen Dichtkörper festzulegen. Dies macht es möglich, den Dichtkörper hinsichtlich seiner Haltefunktion am Biegeelement optimal auszulegen und unabhängig davon für die Dichtflächen das sich am besten eignende
Material auszuwählen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

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Figur 1 eine erste Bauform des erfindungsgemäßen Steuergliedes in einer Draufsicht auf eine der längsseitigen Seitenflächen des Biegeelementes,

Figur 2 eine weitere Bauform des Steuergliedes in einer der Figur 1 entsprechenden Ansicht, wobei die Blickrichtung in Figur 3 durch Pfeil II verdeutlicht ist,

Figur 3 einen Längsschnitt durch das Steuerglied der Figur 2 gemäß Schnittlinie III-III, wobei ergänzend Gehäusebestandteile eines mit dem Steuerglied ausgestatteten Piezoventils abgebildet sind und wobei der Dichtkörper in einer Querschnittsdarstellung vor der Montage und in einer Seitenansicht nach der Montage gezeigt ist, und

Figur 4 eine weitere Bauform des Steuergliedes in einer der Figur 2 entsprechenden Darstellungsweise mit einer abweichenden Formgebung der Dichtelemente.

Alle Figuren der Zeichnung zeigen ein Steuerglied 1, das bei Piezoventilen zum Einsatz gelangen kann. Die Figur 3 zeigt exemplarisch einige weitere Bestandteile eines solchen Piezoventils 2, welches in der Regel über ein Gehäuse 3 verfügt, das einen Innenraum 4 definiert, in dem sich das Steuerglied erstreckt.

Das Steuerglied 1 enthält ein längliches plattenartiges Biegeelement 5 mit zweckmäßigerweise rechteckigem Umriß, das im

Bereich eines seines beiden axialen Enden - nachfolgend als rückseitiges Ende 6 bezeichnet - gehäusefest eingespannt ist. Seine beiden einander entgegengesetzten längsseitigen Seitenflächen 7, 7', die von den voneinander abgewandten größerflächigen Plattenflächen repräsentiert werden, sind mit elektrischen Leitern 8, 8' kontaktiert, so daß unter Vermittlung einer strichpunktiert angedeuteten Spannungsquelle 12 eine Spannung angelegt werden kann, die eine durch Doppelpfeil angedeutete Schwenkbewegung 12 des Biegeelementes 5 bezüglich der gehäuseseitigen Einspannstelle 13 hervorruft.

Im Bereich des dem rückseitigen Ende 6 entgegengesetzten anderen axialen Endes des Biegeelementes 5 - nachfolgend als vorderes Ende 14 bezeichnet - ist ein Dichtkörper 15 festgelegt. Dieser enthält zwei scheiben- oder plattenähnliche Dichtelemente 16, 16', die von entgegengesetzten Seiten her an den beiden längsseitigen Seitenflächen 7, 7¹ des Biegeelementes 5 anliegen. Jedes Dichtelement 16, 16' enthält eine vom Biegeelement 5 abgewandte Dichtfläche 17, 17', die einem gehäusefesten ringförmigen Ventilsitz 18, 18' gegenüberliegt, der die Mündung eines im Gehäuse 3 verlaufenden Fluidkanals 19, 19' umschließt.

Durch Verschwenken des Steuergliedes 1 läßt sich wahlweise eine der Dichtflächen 17, 17' an den ihr gegenüberliegenden Ventilsitz 18, 18' anlegen, so daß die Mündung des zugeordneten Fluidkanals 19, 19' verschlossen wird. Gleichzeitig ist die entgegengesetzt orientierte andere Dichtfläche von dem dieser zugewandten Ventilsitz abgehoben, so daß die Mündung des zugeordneten Fluidkanals freigegeben ist und eine Fluid-

strömung stattfinden kann. Handelt es sich bei dem Piezoventil 2 um ein 3/2-Wegeventil, kann in den Innenraum 4 ein nicht dargestellter weiterer Fluidkanal einmünden, der in Abhängigkeit von der Schwenkstellung des Steuergliedes 1 wahlweise mit einem der beiden oben beschriebenen Fluidkanäle 19, 19' verbindbar ist. Denkbar wäre beispielsweise auch eine Ausgestaltung als 2/2-Ventil, wobei eine aus Figur 3 ersichtliche Schaltstellung möglich ist, in der beide Dichtflächen 17, 17' vom zugeordneten Ventilsitz 18, 18' abgehoben sind, so daß ein Fluid, beispielsweise Druckluft, durch den Innenraum 4 hinweg zwischen den beiden Fluidkanälen 19, 19' überströmen kann. Um die Fluidverbindung zu unterbrechen, wird hier der Dichtkörper 15 mit einer seiner Dichtflächen 17, 17' an einen der Ventilsitze 18, 18' angedrückt.

Die beiden Dichtelemente 16, 16' sind über einen zwischen ihnen angeordneten Verbindungsabschnitt 22 des Dichtkörpers 15 einstückig miteinander verbunden, wobei der Querschnitt des Verbindungsabschnittes 22 geringer ist als derjenige der beiden Dichtelemente 16, 16', so daß der Dichtkörper 15 insgesamt eine klotz- oder scheibenähnliche Form hat und über eine umlaufende Ringnut 23 verfügt. Der Nutgrund 24 der Ringnut 23 ist von der Umfangsflache des Verbindungsabschnittes 22 gebildet, die beiden Nutflanken 25 werden von den den Verbindungsabschnitt 22 radial überragenden Randbereichen der Dichtelemente 16, 16' definiert. Die zwischen den Nutflanken 25, 25' gemessene Breite der Ringnut 23 entspricht zweckmäßigerweise der zwischen den längsseitigen Seitenflächen 7, 7' gemessenen Dicke des Biegeelementes 5 im Bereich der Befestigungsstelle des Dichtkörpers 15.

Das Biegeelement 5 weist im Bereich der Befestigungsstelle des Dichtkörpers 15 eine zwischen den beiden längsseitigen Seitenflächen 7, 7' durchgehende Durchbrechung 26 auf. Bei montiertem Dichtkörper 15 greift der Verbindungsabschnitt 22 durch die Durchbrechung 26 hindurch, während die beiden Dichtelemente 16, 16' den die Durchbrechung 26 umfangsseitig begrenzenden Randabschnitt 27 des Biegeelementes 5 übergreifen und im Umfangsbereich der Durchbrechung 2 6 an der jeweils zugeordneten längsseitigen Seitenfläche 7, 7' des Biegeelementes 5 anliegen.

Beim Ausführungsbeispxel der Figur 1 ist die Durchbrechung nach Art einer umfangsseitig vollständig geschlossenen Bohrung ausgeführt, in die der vorzugsweise aus Material mit gummielastischen Eigenschaften bestehende Dichtkörper 15 eingeknöpft ist.

Hiervon abweichend ist bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 2 bis 4 vorgesehen, daß die Durchbrechung 2 6 zu dem relativ schmalen Rand des Biegeelementes 5 hin offen ist, wobei die randseitige Öffnung 28 zweckmäßigerweise an der axial orientierten Stirnfläche 32 des vorderen Endes 14 des Biegeelementes 5 liegt. Die Durchbrechung 26 ist hier also nach Art eines Einschnittes oder einer Aussparung in die vordere Stirnfläche 32 eingebracht.

Die Einbringung der Durchbrechung 26 wird im übrigen bei allen Ausführungsformen zweckmäßigerweise dadurch begünstigt, daß die in der Zeichnung nicht im Detail dargestellten, mit

den Leitern 8, 8' kontaktierten Elektroden des Biegeelementes eine entsprechend angepaßte Gestaltung haben.

Die randseitige Öffnung 28 der Durchbrechung 26 ermöglicht eine einfache Steckmontage des Dichtkörpers 15 von der axialen Vorderseite des Biegeelementes 5 her. Dabei ist zweckmäßigerweise vorgesehen, daß die in der Ausdehnungsebene des Biegeelementes 5 quer zu dessen Längsrichtung gemessene Breite der randseitigen Öffnung 28 den entsprechend gemessenen Querabmessungen des Verbindungsabschnittes 22 entspricht. Die Anordnung sollte möglichst so getroffen werden, daß beim Einführen des Dichtkörpers 15 in die Durchbrechung 26 des Biegeelementes 5 der vor der Montage vorhandene Abstand "a" zwischen den beiden Dichtflächen 17, 17' unverändert bleibt. Somit kann bei der separat vom Biegeelement 5 erfolgenden Fertigung des Dichtkörpers 15 ein präziser Abstand "a" vorgegeben werden, der sich auch nach der Montage am Biegeelement 5 nicht geändert hat, so daß insgesamt eine Herstellung mit geringen Toleranzen möglich ist.

Bei der Einsteckmontage des Dichtkörpers 15 in die Durchbrechung 26 greift der die Durchbrechung 2 6 begrenzende Randabschnitt 27 des Biegeelementes 5 auf entgegengesetzten Seiten in die Ringnut 23 ein, so daß sich der Dichtkörper 15 leicht und zielgerichtet aufschieben läßt. Hat der Dichtkörper 15 seine Endposition erreicht, ist er sowohl in der Dickenrichtung als auch in der Querrichtung des Biegeelementes 5 mechanisch formschlüssig fixiert und bereits relativ sicher gehalten. Dabei würde es die in der Regel gummielastische Ausgestaltung des Dichtkörpers 15 gestatten, die maßliche Abstim-

mung so zu treffen, daß die beiden Dichtelemente 16, 16' mit zumindest geringer Vorspannung am Biegeleement 5 anliegen, so daß auch noch eine gewisse kraftschlüssige Fixierung vorhanden ist. Zweckmäßigerweise wird man aber zur endgültigen Befestigung auf eine zusätzliche Klebeverbindung zwischen dem Dichtkörper 15 und dem Biegeelement 5 zurückgreifen.

Bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 3 hat der Verbindungsabschnitt 22 eine zylindrische Außenkontur und auch die Dichtelemente 16, 16' verfügen über einen kreisförmigen Umriß. Bei der Bauform der Figur 1 entspricht der Durchmesser der Durchbrechung 26 demjenigen des Verbindungsabschnittes 22. Beim Ausführungsbeispiel der Figuren 2 und 3 hat die Durchbrechung 26 eine U-förmige Kontur, wobei sich die randseitige Öffnung 28 im Bereich der U-Öffnung befindet und der Radius des U-Bogens dem Radius des Verbindungsabschnittes 22 entspricht, so daß dieser am Rand der Durchbrechung 26 satt anliegen kann.

Bei der Ausführungsform der Figur 4 ist sowohl die Durchbrechung 26 als auch der Verbindungsabschnitt 22 rechteckförmig und insbesondere quadratisch konturiert. Auch die Dichtelemente 16, 16' verfügen hier über einen reckteckförmigen und insbesondere quadratischen Umriß.

Die Figuren 2 bis 4 machen ferner deutlich, daß die in Längsrichtung des Biegeelementes 5 gemessene Tiefe der Durchbrechung 2 6 durchaus so gewählt sein kann, daß der Dichtkörper 15 im montierten Zustand mit einem Abschnitt seines Umfanges

über die vordere Stirnfläche 32 des Biegeelementes 5 axial hinausragt.

Die Dichtflächen 17, 17' können unmittelbar am jeweils zugeordneten Dichtelement 16, 16' ausgebildet sein, wie dies exemplarisch anhand der Figur 1 gezeigt ist. Hier bildet der Dichtkörper 15 einschließlich der Dichtflächen 17, 17' einen zweckmäßigerweise integralen Körper, der vorzugsweise aus Kunststoffmaterial besteht und der insbesondere über gummielastische Eigenschaften verfügt.

Bei einer alternativen Bauform, wie sie anhand der Figuren 2 bis 4 verdeutlicht wird, sind die Dichtflächen 17, 17' Bestandteil separater Dichtflächenteile 33, 33', die im Bereich der Dichtelemente 16, 16' am Dichtkörper 15 unverlierbar befestigt sind. Die Befestigung der Dichtflächenteile 33, 33' kann beispielsweise durch Verkleben erfolgen oder vorzugsweise dadurch, daß sie bei einer Spritzgießherstellung des Dichtkörpers 15 vom Dichtkörpermaterial teilweise umspritzt werden. Auf jeden Fall empfiehlt sich eine Ausgestaltung bei der die Dichtflächenteile 33, 33' flache Scheibenkörper sind, die an der dem Ventilsitz 18, 18' zugewandten Außenseite in das zugeordnete Dichtelement 16, 16' zumindest teilweise eingelassen bzw. eingebettet sind. Bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 2 bis 4 verlaufen die an den Dichtflächenteilen 33, 33' vorgesehenen Dichtflächen 17, 17' bündig in einer Ebene mit den die Dichtflächenteile 33, 33' umschließenden Bereichen des Dichtkörpers 15.

Die separate Ausgestaltung der Dichtflächen 17, 17' hat den Vorteil, daß man das Material des Dichtkörpers 15 hinsichtlich seiner Haltefunktion und das Material der Dichtflächenteile 33, 33' hinsichtlich der zu erfüllenden Dichtfunktion auswählen kann, ohne Kompromisse eingehen zu müssen. Zweckmäßigerweise bestehen sowohl der Dichtkörper 15 als auch die Dichtflächenteile 33, 33' aus Kunststoffmaterial, dessen Härte und Elastizität man nach Bedarf auswählt.

Claims

4 · G 18514 - lens 15. Oktober 1998 FESTO AG & Co. 73734 Esslinqen Steuerglied eines Piezoventils Ansprüche

1. Steuerglied eines Piezoventils (2), mit einem länglichen Biegeelement (5), das im Bereich eines seiner beiden axialen Enden (14) an einander entgegengesetzten längsseitigen Seitenflächen
(7, 7') über jeweils ein eine Dichtfläche (17,
17") aufweisendes Dichtelement (16, 16') verfügt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dichtelemente (16, 16') gemeinsamer
Bestandteil eines Dichtkörpers (15) sind, der einen
sich zwischen den beiden Dichtelementen (16, 16') erstreckenden und einstückig mit diesen ausgebildeten Verbindungsabschnitt
(22) aufweist, der eine Durchbrechung (26) des Biegeelementes (5) durchsetzt, wobei die beiden Dichtelemente (16, 16') den die Durchbrechung (26) begrenzenden Randabschnitt
(27) des Biegeelementes (5) übergreifen und im Umfangsbereich der Durchbrechung (26) an der jeweils zugeordneten längsseitigen
Seitenfläche (7, 7') des Biegeelementes (5) anliegen.

2. Steuerglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Verbindungsabschnitt (22) des Dichtkörpers (15) durchsetzte Durchbrechung (26) zur Ermöglichung einer Steckmontage des Dichtkörpers (15) zum Rand des Biegeelementes (5) hin offen ist.

3. Steuerglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechung (26) zur benachbarten, axial orientierten Stirnfläche (32) des Biegeelementes (5) hin offen ist.

4. Steuerglied nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtkörper (15) mit dem Biegeelement

(5) verklebt ist.

5. Steuerglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dichtelemente (16, 16') mit zumindest geringer Vorspannung am Biegeelement (5) anliegen.

6. Steuerglied nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtkörper (15) über eine umlaufende Ringnut (23) verfügt, deren Nutgrund (24) von der Umfangsflache des Verbindungsabschnittes (22) und deren Nutflanken (25, 25') von den Dichtelementen (16, 16') gebildet sind.

7. Steuerglied nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Dichtfläche (17, 17') unmittelbar am zugeordneten Dichtelement (16, 16') ausgebildet ist.

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8. Steuerglied nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Dichtfläche (17, 17') an einem am zugeordneten Dichtelement (16, 16') festgelegten separaten Dichtflächenteil (33, 33') vorgesehen ist.

9. Steuerglied nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtflächenteil (33, 33') am zugehörigen Dichtelement (16, 16') durch eine Klebeverbindung oder durch Umspritzen bei der Spritzgießherstellung des Dichtkörpers (15) fixiert ist.

10. Steuerglied nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtflächenteil (33, 33') zumindest teilweise in das zugeordnete Dichtelement (16, 16') eingebettet ist.