DE3515499C2

DE3515499C2 - Elektropneumatischer Wandler

Info

Publication number: DE3515499C2
Application number: DE19853515499
Authority: DE
Inventors: Katsuhiko Odazima; Motoshige Ikehata
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC KK
Priority date: 1984-05-01
Filing date: 1985-04-30
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2005-05-01
Also published as: DE3515499A1; US4898200A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektropneumatischen Wandler für die Umwandlung eines elektrischen Signals in einen Fluiddruck, vorzugsweise einen pneumatischen Druck mit einem Gehäuse mit einer Versorgungsöffnung und einer Ausgangsöff nung, mit einem Düsenklappenmechanismus in dem Gehäuse für die Veränderung eines Düsengegendrucks einer Düse in Abhän gigkeit von der Lageveränderung einer Düsenklappe, und mit einem inneren Ventil in einem Durchlaß, welcher die Versor gungsöffnung mit der Ausgangsöffnung verbindet, um den Durchlaß unter der Wirkung einer Zwischenwandanordnung, wel che in Abhängigkeit von dem Düsengegendruck arbeitet, zu öff nen und zu schließen, wobei die Düsenklappe ein elektrostrik tives Element aufweist, welches in Abhängigkeit von einem daran angelegten elektrischen Signal in seiner Lage verän derbar ist.

Ein derartiger elektropneumatischer Wandler ist aus der US-PS 34 56 669 (Fig. 1) bekannt. Bei diesem Wandler wird die Düse mit dem ggf. mittels eines Druckverstärkers verstärkten Fluiddruck der Ausgangsöffnung beaufschlagt. Stromabwärts der Düse ist ein elektrostriktives Element in einer ersten Kammer vorgesehen. Diese erste Kammer steht über einen Verbindungs kanal mit einer zweiten Kammer in Verbindung, in der eine Zwischenwand angeordnet ist, welche in Abhängigkeit von dem in dieser zweiten Kammer herrschenden Druck ein mit der Zwi schenwand verbundenes Ventil betätigt, welches einen Kanal zwischen der Versorgungsöffnung und der Ausgangsöffnung öffnet oder schließt. Der Wandler funktioniert in der Weise, daß eine Druckänderung in der ersten Kammer zu einer großen Druckänderung an der Düse führt. Die gesamte Anordnung ist derart geschaltet, daß eine Rückkopplung erzielt wird derart, daß ein Gleichgewicht zwischen den auf das elektrostriktive Element wirkenden Kräften erreicht wird. Einerseits wird das elektrostriktive Element durch die Wirkung des Düsendruckes und andererseits durch die externe, elektrische Spannung aus seiner Ruhelage ausgelenkt. Die Rückkopplungskraft wird dabei praktisch vollständig durch die Druckänderung des Dü sendruckes bedingt. Bei einer weiteren Ausführungsform der US-PS 34 56 669 (Fig. 2) kann diese Rückkopplungskraft auch auf mechanische Art dadurch erzeugt werden, daß eine aus zwei Zwischenwänden vorgesehene Anordnung in dem Gehäuse des Wand lers vorgesehen ist. Dabei wird die äußere Oberfläche der unteren Zwischenwand mit dem Ausgangsdruck des Wandlers be aufschlagt, wobei in Abhängigkeit von der Stärke des Aus gangsdruckes ein mit der unteren Zwischenwand verbundener Stift auf das elektrostriktive Element einwirkt. Die obere Zwischenwand wird hingegen vom Ausgangsdruck der Düse beauf schlagt. Ein inneres Ventil, welches die Versorgungsöffnung mit der Ausgangsöffnung verbindet und den Durchlaß unter der Wirkung der Zwischenanordnung öffnet oder schließt, ist bei dieser zweiten Ausführungsform nicht vorgesehen.

Als elektropneumatische Wandler für die Umwandlung elektri scher Signale in pneumatische Drücke werden auch Drehmoment erzeuger verwendet. Der Drehmomenterzeuger hat eine mit einem Strom erzeugte Spule, um eine dem zugeführten Strom entsprechende Rotationskraft zu erzeugen, welche über Klap pen-, Ventil- u. gl. Mechanismen in einen pneumatischen Druck umgewandelt wird. Normalerweise ist der Strom, welcher dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, ein Gleichstrom in der Größenordnung von 4 mA bis 20 mA.

Sofern eine Steuereinrichtung bspw. ein elektropneumatischer Wandler mit einem Drehmomenterzeuger, verwendet wird, ist diese umso widerstandsfähiger gegen mechanische Schwingungen und andere Störungen und stabiler in ihrer Funktionsweise, je größer das von dem Erzeuger gelieferte Drehmoment ist.

Entsprechend der jüngeren Forderung nach kleineren und leich teren Steuereinrichtungen besteht ein wichtiges Ziel darin, den Drehmomenterzeuger in seinen Abmessungen zu verringern. Im allgemeinen ist jedoch die Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Schwingungen umso geringer, desto kleiner der Drehmomenterzeuger und damit das in Abhängigkeit von dem zugeführten Strom erzeugte Drehmoment ist. Deswegen ist es in einer Anzahl von Fällen, in welchen eine solch Steuerein richtung eingesetzt werden soll, technisch unmöglich, einen Drehmomenterzeuger zu verwenden.

Mit der Verwendung elekrostriktiver Elemente als Wandlerele ment für die Umwandlung eines elektrischen Signals in einen pneumatischen Druck wurde es bereits in einem gewissen Maße möglich, die Steuereinrichtung in Abmessung und Gewicht bei Vergrößerung oder wenigstens Erhaltung der Widerstandfähigkeit gegen mechanische Vibrationen und Stöße zu verringern. Ob gleich es unterschiedliche Gestalten und Materialien für elektrostriktive Elemente gibt, ist die allgemeine Anordnung als bimorphes (zweiplattiges) elektrostriktives Element in der Form einer dünnen im wesentlichen rechteckigen Platte vorgesehen, welche als Auskragung mit einem eingespannten und einem freien Ende ausgebildet ist. Wenn eine Spannung zwi schen die Elektroden des elekrostriktiven Elements angelegt wird, wird das freie Ende des bimorphen elektrostriktiven Elements in seiner Lage geringfügig verändert. Durch den Bau einer Düsenklappe aus einem elektrostriktiven Element kann daher eine Spannungsänderung einfach in einen Düsengegendruck umgewandelt werden. Eine bekannte Düsenklappe, welche ein elektrostriktives Element verwendet, ist in der PCT/(SE 80/- 00 057-Schrift gezeigt. Mit einer solchen Anordnung kann der üblicherweise als Wandlerelement verwendete Drehmomenterzeu ger durch ein elektrostriktives Element ersetzt werden. Wenn das elektrostriktive Element eine Größe von etwa 10 mm×20 mm und eine Dicke von etwa 0,6 mm hat, besitzt die Düsenklap pe eine vernachlässigbare Masse im Vergleich zu dem Drehmo menterzeuger und ist gegen mechanische Schwingungen und Stöße hoch widerstandsfähig.

Obgleich die Ausbildung der Düsenklappe als elektrostriktives Element gewisse Verbesserungen bezüglich der Widerstandsfä higkeit gegen mechanische Schwingungen und Stöße mit sich bringt, bestehen Probleme bei dem Einsatz in einem Schaltven til zur Herstellung eines fertig funktionsfähigen elektro pneumatischen Wandlers. Da das elektrostriktive Element im allgemeinen nur geringfügig in Abhängigkeit von einer Ände rung der angelegten Spannung in seiner Lage veränderbar ist, muß bisher die angelegte Spannung erhöht und dadurch die erforderliche elektrische Schaltung kompliziert werden, wenn eine relativ große Lageveränderung mit dem elekrostriktiven Element erzielt werden soll. Bei einer großen Lageveränderung hat das elektrostriktive Element außerdem eine geringere Lebensdauer.

Angesichts der zuvor beschriebenen Schwierigkeiten bekannter elektropneumatischer Wandler liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektropneumatischen Wandler der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß der Ausgangsdruck in Abhängigkeit von einer geringen Lageän derung des elektrostriktiven Elements in weiten Grenzen genau veränderbar ist. Desweiteren soll der Wandler nur eine gerin ge Energiemenge verbrauchen, dauerhaft sein und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Schwingungen oder Stöße aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen durch einen elektropneumatischen Wandler mit den eingangs genannten Merkmalen gelöst, bei dem die Zwischenwandanordnung zwei flexible Zwischenwände aufweist, welche eine Kammer begrenzen und mittig über ein Verbindungsglied, welches mit dem inne ren Ventil gekoppelt ist, miteinander verbunden sind, wobei die der Kammer abgewandte Oberfläche der einen Zwischenwand dem Atmosphärendruck und die der Kammer abgewandte Oberflä che der anderen Zwischenwand dem Düsengegendruck ausgesetzt ist.

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglich keiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vor liegenden Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammen fassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt eines die Erfindung aufwei senden elektropneumatischen Wandlers mit einem elektrostriktiven Element und einem Schaltventil,

Fig. 2 eine Seitenansicht des elektrostriktiven Elements,

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Rückkopplungssteuersystems für den elektropneumatischen Wandler,

Fig. 4 einen Vertikalschnitt eines elektropneumatischen Wandlers nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 5 bis 9 vertikale Schnittdarstellungen von elektro pneumatischen Wandlern entsprechend noch weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Identische oder einander entsprechende Teile sind im fol genden mit identischen oder entsprechenden Bezugszeichen in den verschiedenen Darstellungen versehen.

Fig. 1 veranschaulicht einen elektropneumatischen Wandler nach der Erfindung mit einem Einheitenkörper oder Gehäuse 10, welcher einen Düsenklappenmechanismus 12 aufnimmt, welcher in einem oberen Abschnitt des Gehäuses 10 unterge bracht ist, sowie eine Steuer- oder Schaltventil 14, welche in einem unteren Abschnitt des Gehäuses 10 unter gebracht ist.

Der Düsenklappenmechanismus 12 besteht aus einer Düse 18 mit einem vorgegebenen Mundstückdurchmesser, welcher über einen Durchlaß 17 mit einer Düsengegendruckkammer 16 des Schalt ventils 14 in Strömungsverbindung steht. Der Düsen klappenmechanismus 12 hat ferner eine Düsenklappe 22 in der Form einer auskragenden Platte, deren eines Ende mittels einer Schraube 20 an dem Gehäuse 10 fest eingespannt ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, weist die Düsenklappe 22 ein elektrostriktives Element auf, welches aus zwei Gliedern, nämlich einem oberen und einem unteren piezoelektrischen keramischen Glied 24a, 24b besteht, welche auf ihrer oberen Fläche und ihrer unte ren Fläche jeweils Elektroden und eine dazwischenliegende Elektrodenplatte 26 aufweisen, welche sandwichartig zwischen den piezoelektrischen keramischen Gliedern 24a, 24b liegt. Das obere piezoelektrische keramische Glied 24a und die zwischenliegende Elektrodenplatte 26 sind jeweils an Ver bindungsleitungen 28a, 28b angeschlossen, über welche eine Spannung an die Düsenklappe 22 anlegbar ist.

Das Schaltventil 14 weist zwei obere und untere Zwischenwände 30, 32 auf, welche hintereinander angeordnet sind, sowie ein Auslaßventil 34 und ein inneres Ventil 36, welche mit den Zwischenwänden 30, 32 zusammenwirken. Das Auslaßventil 34 besteht aus einem im wesentlichen zylindri schen Körper, welcher am unteren Ende eines Verbindungs gliedes 33 ausgebildet ist, mittels welchem die Zwischen wände 30, 32 miteinander verbunden und im Abstand vonein ander gehalten werden. Wie später noch beschrieben wird, ist ein Abschnitt des inneren Ventils 36 auf den zylindrischen Körper des Auslaßventils 34 aufsetzbar. Das innere Ventil 36 hat einen ersten Ventilkörper 35 und einen zweiten Ventil körper 37, welche miteinander verbunden sind.

Das Gehäuse 10 hat eine Versorgungsöffnung 38, welche in einer Seitenwand vorgesehen ist und mit der Düsengegen druckkammer 16 über gegenseitig miteinander in Strömungs verbindung stehende Durchlässe 40a, 40b, 40c, 40d und 40e in Strömungsverbindung steht. Ein festliegendes Mundstück 44 ist in dem Durchlaß 40d stromab der Versorgungsöffnung 38 angeordnet, um die Strömungsrate der Luft, welche unter Druck zugeführt wird, zu beschränken.

Eine Versorgungsdruckkammer (Kammer) 46 ist direkt mit dem Luftdruck von der Versorgungsöffnung 38 über einen Durchlaß 47, wel cher von dem Durchlaß 40b ausgeht, beaufschlagt. Eine At mosphärendruckkammer 48 ist unterhalb der unteren Zwischen wand 32 gebildet; sie steht mit Atmosphäre über einen Durch laß oder eine Auslaßöffnung 50 in Verbindung.

Das Gehäuse 10 hat auch eine Ausgangsöffnung 52, welche in einer Seitenwand gegenüber der Versorgungsöffnung 38 gebil det ist. Wenn der Düsengegendruck in der Düsengegendruckkammer 16, der Versorgungsdruck in der Kammer 46 und der Atmosphärendruck in der Atmosphärendruckkammer 48 im Gleichgewicht stehen, verschließt das innere Ventil 36 eine Luftaufnahmeöffnung 54, welche die Versorgungsöffnung 38 und die Ausgangsöffnung 52 verbindet. Hierbei sitzt der zweite Ventilkörper 37 des inneren Ventils 36 auf einem Ventilsitz oder einer Auslaßöffnung 60 des Auslaßventils 34, um eine Auslaßöffnung 58, welche zur Atmosphärendruckkammer 48 führt, zu schließen. Daher ist das Schaltventil 14 vom nicht belüfteten Typ, welcher unter Druckgleichgewicht keine Luft abgibt. Das innere Ventil 36 wird normalerweise mittels einer Feder 74 in eine Richtung gedrückt, um die Luftaufnahmeöffnung zu schließen.

Ein O-Ring 64 ist in einem Durchlaß 62 angeordnet, in wel chem der zylindrische Körper des Auslaßventils 34 gleitend bewegbar ist, um dadurch zu verhindern, daß der Ausgangs druck in der Ausgangsöffnung 52 zu der unteren Zwischenwand 32 zurückgeführt wird. Der Ausgangsdruck wird von einem Druckfühler 66 (Fig. 3) in ein elektrisches Signal umge wandelt, welches elektrisch an eine Steuereinrichtung 70 zu rückgeführt wird. Insbesondere ist der Druckfühler 66, welcher eine Halbleitermembrane aufweisen kann, in dem Gehäuse 10 untergebracht, wie mit gestrichelten Linien in Fig. 1 veranschaulicht. Der Druckfühler 66 ist dabei mit der Ausgangsöffnung 52 über einen Durchlaßweg 67 verbunden. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird der Ausgangsdruck von der Schalt ventilanordnung 14 als ein von dem Druckfühler 66 kommendes elektrisches Signal nachgewiesen und das elektrische Signal wird dann einer Steuereinrichtung 70 über einen Verstärker 68 zurückgeführt. Die Steuereinrichtung 70 vergleicht das Signal von dem Verstärker 68 mit einem elektrischen Ein gangssignal, welches an den elektropneumatischen Wandler angelegt wird. Die Differenz zwischen den miteinander ver glichenen Signalen wird dann von einem Verstärker 72 ver stärkt und das verstärkte Signal der Düsenklappe 22 aufgegeben.

Die Betriebsweise des so aufgebauten elektropneumatischen Wandlers ist folgende:

Es sei angenommen, daß die Drücke in den elektropneumati schen Wandlern sich im Gleichgewicht befinden. Zu diesem Zeitpunkt steht der Düsengegendruck an der oberen Ober fläche der oberen Zwischenwand 30 an, während der Versor gungsdruck an der unteren Oberfläche der oberen Zwischen wand 30 ansteht. Der Versorgungsdruck wird auch der oberen Oberfläche der unteren Zwischenwand 32 aufgegeben, während Atmosphärendruck an der unteren Oberfläche der unteren Zwischenwand 32 ansteht. Unter diesem Gleichgewichtszustand sind die Luftaufnahmeöffnung 54 und die Auslaßöffnung 60 von dem inneren Ventil 36 geschlossen. Wenn die an die Düsenklappe 22 mit dem elektrostriktiven Element anliegende Spannung ansteigt, wird das freie Ende der Düsenklappe 22 in seiner Lage in einer solchen Richtung verändert, daß die Düse 18 ge schlossen wird. Da die von der Düse 18 ejizierte Luftmenge verringert wird, steigt der Düsengegendruck in der Düsen gegendruckkammer 16 an und wirkt auf die obere Oberfläche der oberen Zwischenwand 30, um das Verbindungsglied 33 nach unten zu drücken. Die Drücke gelangen somit außer Gleichgewicht und die Abwärtsbewegung der oberen und unte ren Zwischenwände 30, 32 senkt das Auslaßventil 34, welches einstückig mit dem Verbindungsglied 33 ausgebildet ist, ab; damit bewegt sich auch das innere Ventil 36. Der erste Ventilkörper 35 des inneren Ventils 36 wird von seinem Sitz abgehoben, so daß die Luftaufnahmeöffnung 54 geöffnet wird; dadurch wird ein Teil des Druckes, welcher von der Versor gungsöffnung 38 geliefert wird, als Ausgangsdruck in der Ausgangsöffnung 52 erzeugt. Der Ausgangsdruck, welcher dem Anstieg der an die Düsenklappe 22 angelegten Spannung ent spricht, wird dann einem (nicht dargestellten) Verbraucher aufgegeben, um an dem Verbraucher die erforderliche Arbeit zu leisten.

Der Durchlaß 62, in welchem das Auslaßventil 34 gleitend beweglich ist, ist in luftdichter Weise mittels eines O-Ringes 64 abgedichtet und die Unterseite der unteren Zwischenwand 32 ist zur Atmosphäre hin über die Auslaßöffnung 50 hin belüftet, wie zuvor beschrieben. Deswegen wird der Ausgangsdruck nicht auf die untere Zwischenwand 32 zurück geführt und folglich ist die Verstärkung des Ausgangs druckes bezüglich des Düsengegendruckes so groß, daß der Ausgangsdruck stark variiert, auch wenn sich der Düsen gegendruck nur geringfügig ändert.

In dem Maße, wie der Ausgangsdruck mittels des Druckfühlers 66 als ein elektrisches Signal zu der Steuereinrichtung zurückgeführt wird, kehrt der Düsengegendruck auf seinen ursprünglichen Pegel zurück, wenn der Ausgangsdruck eine Höhe erreicht, welche durch das Eingangssignal angegeben wird. Dann kehrt das innere Ventil 36 unter der Vorspannung der Feder 74 zurück, um die Luftaufnahmeöffnung 54 und die Auslaßöffnung 58 zu schließen, worauf die Drücke in einen neuen Gleichgewichtszustand gebracht werden.

Fig. 4 zeigt einen elektropneumatischen Wandler gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Das Gehäuse 10 hat einen Umgehungsdurchlaß (Bypass) 76 von verringertem Durch messer, welcher in Strömungsverbindung mit der Versorgungs öffnung 38 und der Ausgangsöffnung 52 unter Umgehung der Luftaufnahmeöffnung 54 gehalten wird. Der Umgehungsdurchlaß 76 erlaubt es, daß eine geringe Luftmenge unter Druck von der Versorgungsöffnung 38 in die Ausgangsöffnung 52 gelangt. Da der Ausgangsdruck unter dem Druckgleichgewichtszustand allmählich ansteigt, wird der Anstieg des Ausgangsdruckes von dem Druckfühler 66 festgestellt, welcher die an die Düsenklappe 22 angelegte Spannung verändert. Der Düsen gegendruck wird dann verändert, um die Zwischenwände 30, 32 und das Auslaßventil 34 anzuheben. Als Ergebnis wird der zweite Ventilkörper 37 des inneren Ventils 36 leicht geöff net, um den erhöhten Ausgangsdruck abzubauen, während das innere Ventil 36 in schwimmendem Zustand gehalten wird. Das innere Ventil 36 hat nunmehr eine erhöhte Empfindlichkeit, weil es auf eine geringe Änderung des Düsengegendruckes reagiert. Wenn der Umgehungsdurchlaß 76 nicht vorhanden wäre, würde der zweite Ventilkörper 37, wenn er geschlossen ist, gegen den Ventilsitz 60, welcher ein Auskleidungsglied aus Gummi (nicht dargestellt) aufweist, angedrückt und an diesem festgelegt, was zu einer verringerten Empfindlich keit führt.

Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung gemäß Fig. 5 hat das innere Ventil 36 einen Umgehungsdurchlaß 78, welcher in ihn selbst gebildet ist, um eine Strömungsverbindung zwi schen der Versorgungsöffnung 38 und der Ausgangsöffnung 52 unter Überbrückung der Luftaufnahmeöffnung 54 zu schaffen, und zwar zum gleichen Zweck wie anhand von Fig. 4 bezüglich des Umgehungsdurchlaßes 76 erläutert. Der Umgehungsdurchlaß 78 erstreckt sich axial in dem inneren Ventil 36; ein Ende von ihm liegt auf der Unterseite des ersten Ventilkörpers 35 offen und das gegenüberliegende Ende öffnet sich seit lich in die Ausgangsöffnung 52. Das innere Ventil 36 wird während der gesamten Zeit in schwimmendem Zustand gehalten, so daß es auf Veränderungen des Düsengegendruckes schnell reagiert.

Eine weitere Ausführungsform des elektropneumatischen Wand lers entsprechend der Erfindung ist aus Fig. 6 zu entneh men. Ein Umgehungsdurchlaß 80 ist in dem inneren Ventil 36 in Strömungsverbindung zwischen der Auslaßöffnung 58 und der Ausgangsöffnung 52 gebildet. Bei dieser Ausführungsform wird zum Ausgleich einer allmählichen Verringerung des Ausgangsdruckes, wenn Gleichgewicht herrscht, das innere Ventil 36 leicht geöffnet, um den Versorgungsdruck in die Ausgangsöffnung 52 zu führen.

Wo ein Auskleidungsglied beispielsweise aus Gummi auf dem ersten Ventilkörper 35 angeordnet ist, wird es nicht gegen die Kante um die Luftaufnahmeöffnung 54 gedrückt und festge setzt, da das innere Ventil 36 in einem schwimmenden Zu stand gehalten wird, wodurch eine hohe Ventilempfindlich keit gesichert ist.

Fig. 7 zeigt einen elektropneumatischen Wandler gemäß einer noch weiteren Ausführungsform. Wie dort veranschaulicht, ist eine Auslaßöffnung 86 unterhalb des inneren Ventils 36 festgelegt, welches im Vergleich zu den inneren Ventilen 36 in den vorhergehenden Ausführungsformen umgedreht ist. Das innere Ventil 36 sitzt an dem Verbindungsglied 33 und greift an der Auslaßöffnung 86 an. Die Auslaßöffnung 86 ist in einem Luftaufnahmeventil 88 gebildet, welches gleitend in einer Bohrung 90 des Gehäuses 10 aufgenommen und norma lerweise unter der Kraft einer Schraubenlinienfeder 92 nach oben gedrückt wird, so daß es an einem Ventilsitz 96 mit tels einer Gummidichtung 94 sitzt.

Wenn sich der Druck in der Düsengegendruckkammer 16 ändert, senken sich die Zwischenwände 30, 32 ab, um das innere Ventil 36 und dadurch das Luftaufnahmeventil 88 gegen die Federkraft der Schraubenlinienfeder 92 niederzudrücken. Zu diesem Zeitpunkt hebt die Gummidichtung 94 von dem Ventil sitz 96, welcher die Form einer scharfen Kante hat, ab; die Versorgungsöffnung 38 und die Ausgangsöffnung 52 werden dadurch in Strömungsverbindung miteinander gebracht. Der Ausgangsdruck von der Ausgangsöffnung 52 steigt dadurch an, um die gewünschte Arbeit an einen Verbraucher zu leisten, wobei der erhöhte Ausgangsdruck dem Anstieg in der angeleg ten Spannung entspricht.

Ein elektropneumatischer Wandler gemäß einer noch weiteren Ausführungsform ist in Fig. 8 gezeigt. Der elektropneuma tische Wandler von Fig. 8 hat keine Versorgungsdruckkammer, jedoch eine Ausgangsdruckkammer 84, welche zwischen den Zwischenwänden 30, 32 gebildet und mit der Ausgangsöffnung 52 über einen Durchlaß 82 von geringem Durchmesser verbun den ist, um einen Teil des Ausgangsdruckes über den Durch laß 52 in die Ausgangsdruckkammer 84 zu übertragen. Durch Auswahl einer geringen Differenz zwischen den wirksamen Flächen der Zwischenwände 30, 32 kann die Verstärkung des Ausgangsdruckes bezüglich des Düsengegendruckes sehr hoch gemacht werden, so daß der Ausgangsdruck in Abhängigkeit von einer geringen Veränderung des Düsengegendruckes stark variiert.

Die Ausgangsdruckverstärkung kann in Abhängigkeit von dem Düsengegendruck wie folgt bestimmt werden: Die folgenden Gleichungen können aufgestellt werden, wenn die auf das Verbindungsglied 33 wirkenden Kräfte ausgeglichen sind:

wobei P_N der Druck ist, welcher auf das Verbindungsglied 33 wirkt, d. h. der Düsengegendruck P_O ist der Ausgangs druck, A_N ist die wirksame Fläche der Zwischenwand 30 und A_O ist die wirksame Fläche der Zwischenwand 32. Um die Druckverstärkung P_O/P_N zu erhöhen, sollte die Differenz zwischen den wirksamen Flächen A_N, A_O verringert werden. Wenn beispielsweise A_N = 5 und A_O = 4 ist, dann ist:

Somit ist die Verstärkung des Ausgangsdruckes in Bezug auf den Düsengegendruck gleich 5.

Fig. 9 veranschaulicht eine noch weitere Ausführungsform nach der Erfindung. Der elektropneumatische Wandler nach Fig. 9 ist ähnlich dem von Fig. 8, hat jedoch ein Luft aufnahmeventil 88, welches mit dem Luftaufnahmeventil 88 von Fig. 7 identisch ist. Die Ausgangsdruckkammer 84 zwi schen den Zwischenwänden 30, 32 ist über einen Durchlaß 98 in Strömungsverbindung mit der Ausgangsöffnung 52 gehalten.

Wenn sich in Betrieb der Druck in der Düsengegendruckkammer 16 ändert, senken sich die Zwischenwände 30, 32 ab, um das innere Ventil 36 und dadurch das Luftaufnahmeventil 88 gegen die Rückstellkraft der Schraubenlinienfeder 92 nach unten zu drücken. Zu diesem Zeitpunkt wird die Gummidich tung 94 von dem Ventilsitz 96 in Form einer scharfen Kante abgehoben; die Versorgungsöffnung 38 und die Ausgangs öffnung 52 werden in Strömungsverbindung zueinander ge bracht. Die so in dem Ausgangsdruck der Ausgangsöffnung 52 erzeugte Veränderung wird über die Auslaßöffnung 58 auf die Ausgangsdruckkammer 84 übertragen, um das Verbindungs glied 33 anzuheben. Demzufolge wird das innere Ventil 36 ebenfalls angehoben, so daß der Ausgangsdruck über die Aus laßöffnung 86 abgebaut werden kann.

Während in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Düsenklappenmechanismus 12 und das Schaltventil 14 in einem einzigen Gehäuse 10 aufgenommen sind, können diese selbstverständlich auch in getrennten Gehäuse angeordnet sein.

Bei der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung ist der Wandler, da die Düsenklappe ein elektrostriktives Element aufweist, gegen mechanische Schwingungen und Stöße sehr unempfindlich; außerdem ist geringe Größe und leichtes Gewicht gewährleistet. Soweit der Ausgangsdruck nicht als pneumatischer Druck zu den Zwischenwänden der Schaltventil anordnung zurückgeführt wird, kann der Ausgangsdruck in Abhängigkeit von einer geringen Lageveränderung des elek trostriktiven Elementes in weiten Grenzen verändert werden. Deswegen verbraucht der erfindungsgemäße Wandler nur eine geringe Energiemenge und ist sehr genau in seiner Funk tionsweise entsprechend der verringerten Hysterese und Nicht-Linearität des elektrostriktiven Elements. Das elek trostriktive Element ist außerdem sehr dauerhaft, da es nur geringen Lageveränderungen unterworfen wird. Da fernerhin die Schalt- und Steuerventilanordnung vom nicht belüfteten Typ ist, verbraucht sie nur eine geringe Luftmenge, auch wenn sie unter hohem pneumatischen Druck steht.

Der erfindungsgemäße elektropneumatische Wandler kann als ein Steuerrelais, vorzugsweise in Form eines elektropneu matischen Stellgliedes für die Steuerung der Lageveränderung eines Steuerventils verwendet werden.

Obgleich bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele näher dargestellt und beschrieben worden sind, können ersichtlich verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Wandler nicht auf eine pneumatische Funktionsweise beschränkt, sondern ermöglicht ebenso eine hydraulische Funktionsweise, wenn statt eines gasförmigen Fluids, wie Luft, ein flüssiges Fluid, wie beispielsweise Öl verwendet wird.

Claims

1. Elektropneumatischer Wandler mit
einem Gehäuse (10) mit einer Versorgungsöffnung (38) und einer Ausgangsöffnung (52),
mit einem Düsenklappenmechanismus (12) in dem Gehäuse (10) für die Veränderung eines Düsengegendrucks einer Düse (18) in Abhängigkeit von der Lageveränderung einer Düsenklappe (22), wobei die Düsenklappe (22) ein elek trostriktives Element aufweist, welches in Abhängigkeit von einem daran angelegten elektrischen Signal in seiner Lage veränderbar ist,
und mit einem inneren Ventil (36) in einem Durchlaß, welcher die Versorgungsöffnung (38) mit der Ausgangsöff nung (52) verbindet, um den Durchlaß unter der Wirkung einer Zwischenwandanordnung, welche in Abhängigkeit von dem Düsengegendruck arbeitet, zu öffnen und zu schlie ßen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwandanordnung zwei flexible Zwischenwände (30, 32) aufweist, welche eine Kammer (46) begrenzen und mittig über ein Verbindungsglied (33) miteinander verbunden sind, wobei die der Kammer (46) abge wandte Oberfläche der einen Zwischenwand (32) dem Atmosphä rendruck und die der Kammer (46) abgewandte Oberfläche der anderen Zwischenwand (30) dem Düsengegendruck ausgesetzt ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ventil (36) ein nicht entlüftetes Schaltventil (14) aufweist.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrostriktive Element der Düsenklappe (22) vom bimorphen Typ ist und eine auskragende rechteckige Platte aufweist, deren eines Ende an dem Gehäuse (10) befestigt und deren gegenüberliegendes Ende frei ist.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß das Auslaßventil (34) des Verbindungsglie des (33) von einem Ende des inneren Ventils (36), welches mit diesem in Eingriff steht, öffenbar und schließbar ist.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kammer (46) in Strömungsverbindung mit der Versorgungsöffnung (38) über einen Durchlaß (47) in dem Gehäuse (10) steht, so daß der Versorgungsdruck von der Ver sorgungsöffnung (38) in die Kammer (46) übertragen wird.

6. Wandler nach einem der Ansprüche bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das innere Ventil (36) einen Umgehungs durchlaß (78) aufweist, welcher in diesem vorgesehen ist und die Versorgungsöffnung (38) mit der Ausgangsöffnung (52) ver bindet.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das innere Ventil (36) einen Umgehungs durchlaß (80) aufweist, welcher in ihm vorgesehen ist und die Ausgangsöffnung (52) mit einer Atmosphärendruckkammer (48) verbindet.

8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Gehäuse (10) einen Umgehungsdurchlaß (76) aufweist, welcher in ihm gebildet ist und die Versor gungsöffnung (38) mit der Ausgangsöffnung (52) verbindet.

9. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kammer (46) in Strömungsverbindung mit der Ausgangsöffnung (52) über einen Durchlaß (82) steht, welcher in dem Gehäuse (10) gebildet ist, so daß ein Aus gangsdruck von der Ausgangsöffnung (52) in die Kammer (46) übertragen wird.

10. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß das innere Ventil (36) auf dem Verbindungs glied (33) angeordnet ist und eine Auslaßöffnung (58) für die Ausgangsöffnung (52) aufweist, wobei das innere Ventil (36) in Abhängigkeit von der Lageveränderung der Zwischenwände (30, 32) beweglich ist, um die Auslaßöffnung (58) zu öffnen und dadurch zu ermöglichen, daß der Ausgangsdruck abgebaut wird.

11. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die eine Zwischenwand (30) eine wirksame Fläche aufweist, welche größer ist als die wirksame Fläche der anderen Zwischenwand (32).