DE69918067T2 - Piezo-ventil mit hohem ansprechverhalten - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Ventile und insbesondere das elektrische Betätigen von Ventilen, um eine Fluidströmung, wie beispielsweise von Luft oder einem ähnlichen gasförmigen Material, wahlweise zuzulassen. Die vorliegende Erfindung betrifft speziell ein piezoelektrisch betätigtes Fluidströmungsventil mit hohem Ansprechverhalten. Eine bevorzugte Anwendung des Ventils der vorliegenden Erfindung ist ein Lufteinspritzventil zur aktiven Steuerung der Kompressorstabilisierung in einem Turbinenmotor.
• Die aktive Steuerung der Kompressorstabilisierung in einem Turbinenmotor kann die Verwendung mehrerer Luftventile beinhalten, die sich am Ringraum des Motorkompressors befinden. Die Temperaturen in einer solchen Umgebung können 500 bis 600 Grad Celsius betragen. Es ist außerdem erwünscht, daß die Öffnungs- und Schließrate solcher Ventile in der Größenordnung von 1/2 kHz bis 2 kHz liegt. Typische handelsübliche Ventile können jedoch nur bis zu etwa 500mal in einer Sekunde betätigt werden.
• Das US-Patent 3,174,716 schlägt die Verwendung einer Bogenfeder zur variablen Einschränkung einer Drucköffnung in Reaktion auf magnetostriktiv erzeugte Änderungen an der Stelle eines Endes der Feder vor. Dieses Patent schlägt außerdem magnetostriktiv erzeugte Änderungen in der Trennung zwischen den Enden einer Bogenfeder vor, um das Öffnen und Schließen eines Paars elektrischer Kontakte zu steuern. Das Patent weist darauf hin, daß die Bogenfeder die relativ kleinen magnetostriktiv erzeugten Dimensionsänderungen verstärkt, um die praktische Verwendung solcher Änderungen zu ermöglichen. Diese Ventilanordnung ist auf Betriebstemperaturen von unter 300 Grad Celsius begrenzt und kann den vorgenannten Temperaturerfordernissen nicht entsprechen. Darüber hinaus erfordern magnetostriktive Betätiger eine kontinuierliche Stromversorgung, um ihre aktivierte Position aufrechtzuerhalten. Zusätzlich nimmt die Verstärkung magnetostriktiver Materialien mit ansteigenden Temperaturen deutlich ab. Schließlich wird die Gesamtlebensdauer des Federelements durch die vom magnetostriktiven Betätiger benötigte Vorbelastung verkürzt. In den US-A-4 585 209 und DE-U-297 22 085 sind Ventile beschrieben, in denen flexible Blattfederelemente verwendet werden.
• Es ist erwünscht, eine kurze Weglänge und eine großflächige Öffnung zwischen dem Einlaßplenum und dem Auslaßplenum eines Ventils bereitzustellen. Es ist weiterhin erwünscht, eine Ventilkonfiguration zu schaffen, die sich durch hohe Steifigkeit und geringe Trägheit auszeichnet und daher rasch anspricht. Es ist außerdem erwünscht, einen Ventilbetätigungsmechanismus bereitzustellen, der keine Stromzufuhr erfordert, um eine statische Position zu halten. Temperaturunabhängigkeit oder eine Erhöhung der Verstärkung in Abhängigkeit von der Temperatur in einer Hochtemperaturanwendung ist außerdem für den Betätiger wünschenswert.
• Die vorliegende Erfindung stellt ein Ventil nach Anspruch 1 bereit.
• Das Ventil kann beliebig eines oder mehrere der Merkmale der abhängigen Ansprüche 2 bis 8 beinhalten.
• Die vorliegende Erfindung stellt Lösungen für die vorgenannten Probleme bereit, indem sie eine Ventilaustrittsöffnung mit Mehrfachöffnungen, um für eine relativ große Austrittsöffnungsfläche zu sorgen, bereitstellt und das hohe Ansprechverhalten und die Kraft piezoelektrischer Materialien nutzt, gekoppelt mit einer Ventilausführung, die über eine hohe Eigenfrequenz verfügt. Das Verhalten piezoelektrischer Materialien ähnelt einem Kondensator. Bei Nichtbeachtung von Leckagen wird, bei feststehender Beaufschlagung, die Länge oder Position ohne zusätzliche Stromzufuhr konstantgehalten. Einige piezoelektrische Materialien besitzen zusätzlich die erwünschten Temperaturmerkmale.
• In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet ein für Hochtemperaturanwendung vorgesehenes Luftventil mit hohem Ansprechverhalten, das zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand bedienbar ist, eine Öffnungsplatte mit mehreren alternierenden Rippen und Nuten mit mehreren durch die Rippen in der Öffnungsplatte verlaufenden Öffnungen. Eine Öffnungsschließanordnung beinhaltet eine gebogene Blattfeder mit einem Paar gegenüberliegender Enden und eine Federoberfläche, die normalerweise an den Rippen anliegt, um die Rippenöffnungen abdichtend abzudecken, wenn sich das Ventil in seinem geschlossenen Zustand befindet. Es ist ein Paar länglicher elektromechanischer Transducer vorgesehen, die jeweils in ein Federende eingreifen und im erregten Zustand dazu dienen, die Federenden in Richtung zueinander zusammenzudrücken, um die Blattfeder zu verformen, so daß die Blattfederoberfläche von den Rippenöffnungen wegbewegt und das Ventil in seine offenen Positionen bewegt wird. Die elektromechanischen Transducer sind vorzugsweise allgemein zylindrische Stapel piezoelektrischer Scheiben, wobei ein Stapelende einstellbar von einem Ventilgehäuse abgestützt und eine verschleißbeständige Kappe am anderen Ende des Stapels zum Koppeln des Stapels mit einem entsprechenden Federende vorgesehen ist. Die Kappe kann eine Kerbe oder eine ähnliche Konstruktion beinhalten, um in ein entsprechendes Federende in der Nähe der Zylinderachse einzugreifen und dieses aufrechtzuerhalten.
• 1 ist eine Querschnittsansicht eines Ventils mit hohem Ansprechverhalten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
• 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 der 1;
• 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht vom unteren zentralen Abschnitt der 1 aus;
• 4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht ähnlich wie 3, die jedoch das Ventil in einer "offenen" Position zeigt;
• 5 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5-5 der 3; und
• 6 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 6-6 der 3.
• In den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen sind entsprechende Teile durchgängig durch entsprechende Bezugszahlen bezeichnet.
• Wie aus den 1 und 2 ersichtlich, hat ein Ventilkörper 11 eines Ventils 10 einen Hochdrucklufteinlaß 13, der eine Luftzufuhr in eine Einlaßkammer oder einen Plenumbereich 19 über einen Durchgang 57 zuläßt. Innerhalb des Ventilkörpers befindet sich eine Auslaßkammer oder ein Plenumbereich 21, die bzw. der vom Einlaßplenum durch eine vorbelastete Blattfeder 25 getrennt ist, die wahlweise abdichtend in eine Öffnungsplatte 23 eingreift. Der einzige Fluidweg zwischen dem Einlaßplenum 19 und dem Auslaßplenum 21 erfolgt durch die Öffnungsplatte 23, und dieser Weg ist wahlweise durch die Blattfeder 25 blockiert. Eine konkave Seite 17 des Ventilkörpers 11 ist so ausgebildet, daß sie an einem Außenwandabschnitt eines Motorkompressorringraums anliegt, und beinhaltet eine nur in 6 sichtbare Auslaßöffnung, durch die wahlweise Luft vom Austragsplenum 21 zum Motor strömt.
• Ein Paar zylindrischer oder rechtwinklig geformter Stapel 27 und 29 scheibenförmiger piezoelektrischer Elemente befinden sich zwischen Endkappen oder Schalen 33 und 37 bzw. 31 und 35. Zusätzlich zu der Linie, entlang der der Schnitt der 1 erfolgt, zeigt die Ansichtslinie 1-1 in 2 auch eine Mittellinie 71 zylindrischer Symmetrie für die piezoelektrischen Stapel, Schalen und gewisse andere Bauteile an. Ein Paar Dichtungen (beispielsweise O-Ringe), wie zum Beispiel 45 und 47, stützen jeden der zylindrischen Stapel ab, wie beispielsweise Stapel 29, um vor einer Einwirkung nachteiliger radialer Scherkräfte auf den Stapel zu schützen. Die axiale Anordnung der Endschalen 31 und 33 sowie die Biegung der Blattfeder 25 zur Sicherstellung einer guten Abdichtung wird durch ein Paar Stellschrauben 41 und 43 bestimmt . Die Kanten der Blattfeder 25 werden zwischen den schalenförmigen Einsätzen oder Schalen 35 und 37 festgehalten. Wenn beispielsweise die Stellschraube 41 nach innen gedreht wird, werden somit die Schale 31, der Stapel 29 und die Schale 35 zum Zentrum des Ventils hin bewegt und eine höhere axiale Kraft auf die Blattfeder 25 ausgeübt, so daß die Tendenz besteht, die Durchbiegung dieser Blattfeder weg von der Öffnungsplatte 23 zu erhöhen. Kleinere Einstellungen regulieren eher die von der Blattfeder 25 auf die Öffnungsplatte 23 ausgeübte Kraft, während mit einer größeren Einstellung die Feder 25 von der Platte 23 abgehoben werden kann, wodurch das Ventil 10 geöffnet wird.
• Jede der Scheiben in den piezoelektrischen Stapeln 27 und 29 wird über ein elektrisches Verbindungsglied 15 wahlweise mit Gleichstrom versorgt. In erregtem Zustand dehnen sich die Stapel axial aus, um eine zusätzliche axiale Belastung auf die Blattfeder 25 auszuüben, wodurch bewirkt wird, daß sich diese Feder weg von der Öffnungsplatte 23 durchbiegt, wie durch die Pfeile in 4 verdeutlicht. Die Trennung zwischen der Öffnungsplatte 23 und der Blattfeder 25 in 4 ist verstärkt. In einer Ausführungsform wurde eine Trennung von etwa 0,030 cm (0,012 Zoll) angewendet, um das Ventil 10 vollständig zu öffnen.
• Um Verschleißprobleme zu minimieren, die durch die relativ harte Feder 25 verursacht werden könnten, können die Schalen 35 und 37 als Einsätze aus einem harten Lagermaterial, wie beispielsweise Carboloy^®, vorgesehen sein. Eine gewisse thermische Kompensation kann dadurch erzielt werden, daß die Schalen 31 und 33 aus einer Legierung aus rostfreiem Stahl und Invar^® (einem Eisen-Nickelmaterial mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten) gebildet sind. Die einzelnen piezoelektrischen Scheiben können aus einem Blei-Niobat-Keramikmaterial gebildet sein und sind parallel verbunden, während die beiden zylindrischen Stapel entweder in Reihe oder parallel verbunden sein können. Die Position der Blattfeder 25, und somit der offene oder geschlossene Zustand des Ventils, kann durch einen Sensor, wie beispielsweise den linear variablen Differentialtransformator (LVDT) 59 oder Näherungssensor, oder auf Wunsch durch eine andere ähnliche Vorrichtung überwacht werden.
• Wie aus den 3 und 4, auf die nunmehr hauptsächlich Bezug genommen wird, ersichtlich, wird die Öffnungsplatte 23 durch die Zungen 53 und 55 des Gehäuses 11 gegen ein Paar Dichtungen 67 und 69 geklemmt. Die Öffnungsplatte 23 beinhaltet, wie erkennbar, eine Reihe von Schlitzen, Durchgängen oder Öffnungen, wie beispielsweise 49 und 51, die sich in das Auslaßplenum 21 öffnen. Wie aus 3 ersichtlich, werden diese Schlitze durch die Blattfeder 25 daran gehindert, mit dem Einlaßplenum 19 zu kommunizieren. Wie am besten aus 5 erkennbar, stehen eine Reihe von Ritzen oder Mulden, wie beispielsweise 61, 63 und 65, in ständiger Verbindung mit dem Einlaßplenum 19. Wenn einer der beiden piezoelektrischen Stapel 27 und 29 erregt wird, werden die Schalen 35 und/oder 37 axial zueinander zusammengedrückt, wie durch die Pfeile in 4 angezeigt, wodurch eine zusätzliche axiale Belastung auf die Blattfeder 25 ausgeübt wird, so daß bewirkt wird, daß sich die Feder von der Öffnungsplatte 23 wegbiegt. Wie aus den 3 und 4 ersichtlich, ist die Bogenlänge der Feder konstant, die Sehnenlänge ist jedoch kleiner und der Grad der Durchbiegung größer, wie in 4 dargestellt. Somit ist der Krümmungsradius der Feder in 3 größer als in 4. Die Bewegung der Blattfeder in einer allgemein orthogonal zur Achse 71 (in 2 dargestellt) verlaufenden Richtung öffnet Fluidwege, beispielsweise von den Mulden 61 und 63 zum Schlitz 49 und von den Mulden 63 und 65 zum Schlitz 51, wie durch die kleinen gebogenen Pfeile in 4 dargestellt. Die Strömung durch das Ventil ist linear proportional zur Erregung von entweder einem oder beiden der piezoelektrischen Stapel 27 und 29. Dies wird durch die nachstehend beschriebenen Verhältnisse zwischen Konstruktionsflächen und Druck erreicht. Erstens führt der Druckabfall am Ventil stets zu einer gedrosselten oder eingeschränkten Strömung. Zweitens bildet jede Öffnung, wie beispielsweise 49 und 51 in 5, eine Vorhangfläche, die als die Umfangs- oder Außendistanz um die Öffnung herum, multipliziert mit der Distanz zwischen der Öffnungsplatte 23 und der Blattfeder 25, definiert ist. Die Querschnittsfläche der Öffnungen und die Querschnittsflächen der Mulden, wie beispielsweise 61, 63, 65 in den 3 bis 5, sind immer größer als die Vorhangflächen der Öffnungen. Dieses Merkmal des Ventils führt dazu, daß die Strömung durch das Ventil proportional zur Beaufschlagung oder Erregung entweder von einem oder beiden der piezoelektrischen Stapel ist. Dieses Merkmal unterscheidet die vorliegende Erfindung von einem einfachen Ein/Aus- Ventil und ermöglicht die Verwendung des Proportionalventils der vorliegenden Erfindung in einem Gesamsteuerungssystem. Würde ein Ein/Aus-Ventil verwendet, wäre die erforderliche Frequenzresonanz zu hoch, um praktisch zu sein, weil die Länge des Strömungsdurchgangs zu einem begrenzenden Faktor wird.
• In 3 stoßen die Enden der Feder 25 gegen Widerlager oder Leisten, wie beispielsweise 39. Wenn die Enden der Schalen 35 und 37 flach wären, würde eine sehr geringfügige Erhöhung der Trennung zwischen diesen Schalen zulassen, daß die Federenden in 3 vertikal etwas nach oben gleiten, was eine wesentliche Erhöhung des Krümmungsradius der Feder 25 zur Folge hätte und mögliche Leckageprobleme hervorrufen würde. Gleichermaßen wird die Möglichkeit, daß die Enden der Feder 25, wie aus 4 ersichtlich, nach unten gleiten und dadurch das Ventil wieder geschlossen wird, dadurch verhindert, daß die Leiste 39 als Teil einer Kerbe ausgebildet wird, wie dargestellt. In einigen Anwendungen kann dieses Abwärtsgleiten zugelassen werden, wobei die Feder an den Ecken, wie beispielsweise 73, der Öffnungsplatte 23 aufzuliegen kommt. Da der Krümmungsradius der Feder 25 in 4 verringert ist, bleiben die zentralen Abschnitte der Öffnungsplatte, trotz des Eingriffs an den Ecken, wie beispielsweise bei 73, offen.
• Die geschlitzte Öffnungsplatte 23 umfaßt, wie aus 5 ersichtlich, eine Reihe von Rippen 60, 62 und 64, die von einer Reihe von Nuten oder Mulden, wie beispielsweise 61, 63 und 65, durchsetzt sind. Die Mulden stehen in ständiger Verbindung mit dem Einlaßplenum 19. Gewisse der Rippen beinhalten Schlitze oder Öffnungen, wie beispielsweise 49 und 51, die in ständiger Verbindung mit dem Auslaßplenum 21 stehen. Wenn sich die Feder 25, wie aus 4 erkennbar, nach oben durchbiegt, ist die Strömungsbegrenzungsfläche oder wirksame Ventilöffnung die äußere Begrenzung einer jeden mit Öffnungen versehenen Rippe, multipliziert mit der Trennung zwischen der Oberseite dieser Rippe und der Federoberfläche. Natürlich trägt jede mit Öffnungen versehene Rippe zur Strömungsbegrenzungsfläche bei, so daß eine relativ große Fläche mit einer relativ kleinen Federdurchbiegung durch Verwendung mehrerer mit Öffnungen versehener Rippen erzielt werden kann.
• Während des Betriebsbereichs ist die Federdurchbiegung oder die vertikale Bewegung, wie in 4 dargestellt, im wesentlichen proportional zur axialen Durchbiegung oder Verringerung der Sehnenlänge. Dies führt zu einer Änderung der Öffnungsströmungsfläche, die direkt proportional zur Änderung der Beaufschlagung in den piezoelektrischen Stapeln ist. Außerdem führt eine kleine axiale Verschiebung zu einer großen Durchbiegung am Zentrum. Die Folge ist eine sehr kompakte hochwirksame Ventilkonstruktion.
• Die vorliegende Erfindung ist so konfiguriert, daß sie ein Ventil, das eine Luft- oder Fluideinspritzung bewirkt, oder Bypass- oder Lüftungsfunktionen bereitstellt. Die Erfindung stellt ein Hochgeschwindigkeitsventil mit geringem Stromverbrauch und linear variabler großer Öffnungsfläche bereit, das über einen weiten Temperaturbereich von – 55 Grad Celsius bis über 500 Grad Celsius betrieben werden kann.

Claims (8)

1. Ventil (10), das ein Gehäuse (11) mit einem Einlaß (13) und einem Auslaß (21) besitzt und bedienbar ist, um Fluid wahlweise vom Einlaß (13) zum Auslaß (21) zu leiten, wobei das Ventil folgendes umfaßt: mindestens eine Öffnung (49, 51), die in ständiger Verbindung mit dem Einlaß steht; und ein Mittel (25, 27, 29) zur Aktivierung der Öffnung (49, 51), das zwischen einer geschlossenen Position, in der eine Fluidströmung vom Einlaß (13) durch die Öffnung zum Auslaß blockiert ist, und mindestens einer offenen Position, die eine Fluidströmung vom Einlaß durch die Öffnung zum Auslaß zuläßt, bedienbar ist; wobei das Öffnungsaktivierungsmittel eine Blattfeder (25) mit einem Paar gegenüberliegender Enden und einer Oberfläche, die normalerweise an der Öffnung (49, 51) anliegt und diese in der geschlossenen Position abdichtend schließt, und ein Paar länglicher elektromechanischer Transducer (27, 29) beinhaltet, die jeweils in ein Federende eingreifen und in erregtem Zustand dazu dienen, die Federenden in Richtung zueinander zusammenzudrücken, um die Blattfeder (25) zu verformen, so daß die Blattfederoberfläche von der Öffnung (49, 51) wegbewegt wird.
2. Ventil nach Anspruch 1, wobei das Ventil (10) eine Fluidströmung linear proportional zur Erregung des Aktivierungsmittels (25, 27, 29) bewirkt.
3. Ventil nach Anspruch 1, bei dem jeder elektromechanische Transducer (27, 29) einen Stapel piezoelektrischer Elemente (27, 29) umfaßt, von dem jeweils ein Ende im Verhältnis zum Gehäuse (11) einstellbar fixiert und eine Kappe (37, 35) am anderen Ende zum Koppeln des jeweiligen Stapels (27, 29) mit einem entsprechenden Federende vorgesehen ist.
4. Ventil nach Anspruch 1, bei dem jeder elektromechanische Transducer (27, 29) einen allgemein zylindrischen Stapel piezoelektrischer Scheiben (27, 29) mit einer zentralen Achse (71) umfaßt, wobei ein Ende des Stapels im Verhältnis zum Gehäuse (11) einstellbar fixiert und eine Kappe (37, 35) am anderen Ende des Stapels (27, 29) zum Koppeln des Stapels mit einem entsprechenden Federende vorgesehen ist, wobei die Kappe (37, 35) eine Kerbe (39) beinhaltet, um in ein entsprechendes Federende in der Nähe der entsprechenden zentralen Achse (71) einzugreifen und dieses aufrechtzuerhalten.
5. Ventil nach Anspruch 1, bei dem die Blattfeder (25) in der geschlossenen Position in biegsamer Weise vorbelastet ist.
6. Ventil nach Anspruch 1, bei dem die Blattfederoberfläche sowohl in der offenen als auch in der geschlossenen Position im Verhältnis zur Öffnung eine konkave Oberfläche ist, wobei der Krümmungsradius der konkaven Oberfläche in der offenen Position kleiner als der Krümmungsradius der konkaven Oberfläche in der geschlossenen Position ist.
7. Ventil nach Anspruch 1, bei dem die Öffnung folgendes umfaßt: eine Öffnungsplatte (23) mit mehreren alternierenden Rippen (60, 62, 64) und Nuten (61, 63, 65), wobei die Nuten (61, 63, 65) in ständiger Verbindung mit dem Einlaß (13) stehen; und mehrere Öffnungen (49, 51) in der Öffnungsplatte (23), die in ständiger Verbindung mit dem Auslaß (21) stehen, wobei jede Öffnung (49, 51) durch eine entsprechende Rippe (62, 64) verläuft; wobei das Öffnungsaktivierungsmittel in der offenen Position dazu dient, eine Fluidströmung aus angrenzenden Nuten (61, 63, 65) in die Öffnungen (49, 51) der dazwischenliegenden Rippen (62, 64) zuzulassen.
8. Ventil nach Anspruch 7, bei dem jeder elektromechanische Transducer (27, 29) einen allgemein zylindrischen Stapel piezoelektrischer Scheiben (27, 29) mit einer zentralen Achse (71) umfaßt, wobei ein Ende des jeweiligen Stapels (27, 29) im Verhältnis zum Gehäuse (11) einstellbar fixiert und eine Kappe (37, 35) am anderen Ende des Stapels (27, 29) zum Koppeln des Stapels mit einem entsprechenden Federende vorgesehen ist, wobei die Kappe (37, 35) eine Kerbe (39) beinhaltet, um in ein entsprechendes Federende in der Nähe der zentralen Achse (71) einzugreifen und dieses aufrechtzuerhalten, und wobei die Blattfeder (25) in der geschlossenen Position in biegsamer Weise vorbelastet ist und die Oberfläche sowohl in der offenen als auch in der geschlossenen Position konkav ist, wobei der Krümmungsradius der Oberfläche in der offenen Position kleiner als der Krümmungsradius der Oberfläche in der geschlossenen Position ist.