DE3713697A1 - Ultraschnelles steuerventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch betätigtes, ultraschnelles Ventil mit einem Antrieb aus gestapelten piezoelektrischen Elementen.

Ein elektrischer Auslöseimpuls wurde bisher üblicherweise dadurch in eine hydraulische Steuerung umgesetzt, daß ein Ventil mittels einer Spule mit Eisen und Anker bewegt wurde. Ein solches System verhält sich jedoch relativ träge, da sich ein Magnetfeld aufbauen muß sowie relativ große Massen zu bewegen sind. Solche Zeitverzögerungen sind, insbesondere bei der Verwendung der hydraulischen Steuerung für Schaltgeräte für Hoch-, Mittel- und Niederspannungen, von Nachteil, da es bei diesen Schaltgeräten auf möglichst kurze Schaltzeiten ankommt.

Aus der DE-PS 29 17 933 ist ein elektrisch betätigtes Ventil mit einem Antrieb aus gestapelten piezoelektrischen Elementen bekannt. Dabei wird durch einen Stapel von 50 piezoelektrischen Elementen eine Ventilöffnung erzielt, die beispielsweise für die Steuerung des Kraftstoffzuflusses eines Kraftfahrzeugmotors ausreicht.

Ein solches mit piezoelektrischen Elementen betriebenes Ventil ist jedoch nicht dazu geeignet, große Durchflußöffnungen freizugeben, da der Hub, trotz Stapelung von vielen Elementen, in einer Größenordnung ca. 1 mm liegt. Für die hydraulische Steuerung großer Kräfte muß eine große Durch­ flußöffnung freigegeben werden, was einen entsprechend großen Hub des Steuer­ ventils voraussetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil verfügbar zu machen, daß zur schnellen und zuverlässigen Schaltung großer Kräfte geeignet ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch das Flächen­ verhältnis der Stapeldeckfläche der piezoelektrischen Elemente zu der Kolbenfläche des Ventilstössels sowie einem zwischen diesen Elementen angeordneten Hydraulikraum eine Vergrößerung des Hubs erzielt ist.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Ventils liegt darin, daß große Durchfluß­ öffnungen für hohe Drücke äußerst schnell freigegeben werden. Es ist un­ empfindlich gegen Verschleiß, zuverlässig in seiner Funktion, benötigt eine geringe Wartung und ist einfach in seinem Aufbau. Es ist für die äußerst schnelle Beherrschung großer Kräfte geeignet.

Weiterbildungen der Erfindungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung, die der Erhöhung der Zuverlässigkeit sowie der Betriebssicherheit dient, besteht in einer Kompensation von Ausdehnungen sowohl der Hydraulikflüssigkeit wie der piezoelektrischen Elemente infolge von Änderungen der Außentemperatur.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläuert.

Ein Stapel piezoelektrischer Elemente 11 befindet sich in einem Raum 12, dem Innenraum eines topfartigen Gehäuses 13. Die piezoelektrischen Ele­ mente 11 können aufeinandergeklebt sein oder durch eine mechanische Vor­ spannung zusammengepreßt werden. Sie sind elektrisch parallel geschaltet, so daß sie sich während der Energieaufnahme in Achsrichtung vergrößern und in Querrichtung zusammenziehen. Dadurch wird, in bereits bekannter Weise, eine Addition der Wirkungen der Einzelelemente erzielt. Der Raum 12 des topfartigen Gehäuses 13 wird durch eine Membran 17 abgeschlossen, die auf der Oberfläche des Stapels der piezoelektrischen Elemente 11 aufliegt. Das topfartige Gehäuse 13 wird durch einen Deckel 9 verschlossen, der mit dem Gehäuse 13 einen Flansch bildet, welcher der Membran 17 einspannt. Der Deckel 9 hat eine trichterförmige Ausgestaltung, so daß zwischen ihm und der Membran 17 ein Hydraulikraum 10 entsteht. Der Deckel 9 enthält den abgedichteten Sitz eines Ventilstössels. Dieser Ventilstössel 5 führt in einen Ventilblock 3, der mit dem Deckel 9 verbunden ist. Dieser Ventil­ block 3 enthält einen Ventilsitz, der mit einem Ventilteller des Stössels 5 zusammenarbeitet. Durch eine Bewegung des Stössels 5 nach oben wird ein Hochdruckraum 16 mit einem Niederdruckraum 7 verbunden. Eine Feder 4 sorgt für die Rückstellkraft des Stössels 5 sowie für den Anpreßdruck des Ventil­ tellers auf den Sitz 6 im Falle daß, in den Räumen 16 und 17 Druckgleich­ heit herrscht. Eine Verschraubung 1 dient der Einstellung des Anpreßdrucks der Feder 4.

Die Funktion ist folgende: Durch das Schließen eines Schalters 14 werden die piezoelektrischen Elemente 11 mit einer Spannungsquelle 15 verbunden, dadurch tritt eine Formänderung des Stapels von ca. 200 µm auf, die das Fluid nach oben drückt und dadurch den Stössel 5 betätigt. Da die Stapel­ deckfläche der piezoelektrischen Elemente 11 größer ist als die Kolben­ fläche des Ventilstössels 5 wird eine Vergrößerung des Hubs im Verhältnis dieser Flächen erzielt.

Durch eine Bohrung 8 des Stössels 5 wird eine Verbindung des Hydraulik­ raums 10 mit dem Hochdruckraum 16 erzielt. Dadurch wird ein Ausgleich der Hydraulikflüssigkeit erreicht, wenn sich diese durch die Änderung der Außentemperatur ausdehnt. Auch eine Änderung der Höhe des Stapels der piezoelektrischen Elemente 11 durch eine Temperaturänderung wird auf diese Weise kompensiert. Dazu ist eine Bemessung der lichten Weite der Bohrung 8 erforderlich, die solche Ausgleichsvorgänge zuläßt, jedoch die Übertragung des Hubs des Stapels der piezoelektrischen Elemente 11 mittels der Hydrau­ likflüssigkeit auf den Ventilstössel 5 nicht beeinträchtigt. Die Bemessung dieser lichten Weite hängt ab von den Volumenverhältnissen sowie von der Viskosität der Hydraulikflüssigkeit. Sie wird zweckmäßigerweise so einge­ stellt, daß die Ausgleichsvorgänge im Sekundenbereich liegen, so daß die Schaltvorgänge, die im Mikrosekundenbereich liegen, nicht beeinträchtigt werden. Zweckmäßigerweise enthält dieser Verbindungskanal 8 eine Düse, deren lichte Weite verstellbar ist.

Eine schnelle und zuverlässige Schaltung großer Kräfte bei elektrischen Schaltgeräten wird am besten dadurch erzielt, daß das erfindungsgemäße Ventil als Vorventil der Hydrauliksteuerung dieser Schaltgeräte Verwendung findet.

Claims (6)

1. Elektrisch betätigtes Ventil mit einem Antrieb aus gestapelten piezoelektrischen Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Flächenverhältnis der Stapeldeckfläche der piezoelek­ trischen Elemente (11) zu der Kolbenfläche des Ventilstössels (5) sowie einem zwischen diesen Elementen angeordneten Hydraulik­ raum (10) eine Vergrößerung des Hubs erzielt ist.

2. Elektrisch betätigtes Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikraum (10) mittels eines Verbindungskanals (8) mit einem Hochdruckraum (16) in Verbindung steht und daß der Verbin­ dungskanal (8) so bemessen ist, daß sich die Ausdehnungen infolge Änderung der Außentemperatur ausgleichen, aber der Hub des Stapels der piezoelektrischen Elemente (11) infolge eines Schaltvorgangs sich voll auf den Ventilstössel (5) überträgt.

3. Elektrisch betätigtes Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (8) so bemessen ist, daß der Ausgleich der Hydraulikflüssigkeit, welcher durch die Änderung der Außentem­ peratur hervorgerufen ist, in einem im Sekundenbereich liegenden Zeitraum erfolgt.

4. Elektrisch betätigtes Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (8) eine Düse (2) enthält, die in ihrer Lichten Weite verstellbar ist.

5. Elektrisch betätigtes Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die gestapelten piezoelektrischen Elemente (11) im Raum (12) eines topfartigen Gehäuses (13) befinden, daß das Ge­ häuse (13) mit einem Deckel (9) einen Flansch bildet, in welchen die Membran (17) eingespannt ist, und daß der Deckel (9) durch eine trichterförmige Ausgestaltung den Hochdruckraum (16) umschließt und den Ventilstössel (5) mittels eines abgedichteten Sitzes enthält.

6. Elektrisch betätigtes Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Vorventil der Hydrauliksteuerung eines elektrischen Schaltgerätes.