Piezoelektrischer Druckgeber
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Druckgeber, insbesondere zur Messung des Druckverlaufes in Zylindern von Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Gehäuse und einer in diesem festgeklemmten Vorspannhülse, die mindestens im Bereich ihres druckbeaufschlagten Endes einen dünnwandigen, federnden, die Piezoelemente umschliessenden Mantel aufweist und an diesem Ende mit einem den Druck übertragenden Stempel abgeschlossen ist, wobei zwischen der Hülse und dem Gehäuse ein stempelseitig durch eine Membran abgeschlossener und von einer durch je eine Zufluss- und eine Abflussöffnung eine und austretenden Kühlflüssigkeit durchflossener Ringraum vorgesehen ist.
Bei den bekannten Ausführungen dieser Art wird dem Ringraum durch einen Kanal Kühlwasser zugeführt, welches die Vorspannhülse umfliesst und den Ringraum durch einen dem Zuflusskanal etwa gegen überliegend angeordneten Abflusskanal verlässt. Es hat sich dabei gezeigt, dass gerade diejenigen Teile des Druckgebers, die beim Betrieb desselben die höchste Temperatur aufweisen, insbesondere das druckbeaufschlagte Ende der Vorspannhülse und der den Druck übertragende Stempel, nur unzureichend gekühlt werden. Dies hat zur Folge, dass diese Teile einer unzulässig hohen thermischen Belastung unterworfen werden und dass die Temperatur der als Piezoelemente meist verwendeten Quarzkristalle nicht konstant bleibt, wodurch die Messung ungenau wird.
Ausserdem wurde festgestellt, dass das von der Strömung kaum erfasste Wasser, insbesondere im Bereich der Membran, zum Sieden kommen kann, wobei die Membran in Schwingungen versetzt wird. Diese Schwingungen übertragen sich auf die Piezoelemente, wodurch es zu Messfehlern, beispielsweise in Form von Überlagerungen auf der durch einen Kathodenstrahloszillographen angezeigten Druckverlaufkurve kommt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen. Sie geht von der Erkenntnis aus, dass die Voraussetzung für eine befriedigende Wärmeabfuhr die Ableitung der Wärme schon auf ihrem Weg zu den Piezoelementen von dem druckbeaufschlagten Ende der Vorspannhülse und insbesondere aus dem diese druckseitig abschliessenden Stem pelist.
Die Erfindung besteht darin, dass der Stempel im Bereich des Ringraumes mindestens eine quer zur Vorspannhülse verlaufende, durchgehende Bohrung zum Durchtritt der Kühlflüssigkeit aufweist und im Ringraum zwei etwa diametral gegenüberliegende, in axialer Richtung verlaufende und über die gesamte Höhe des Ringraumes sich erstreckende, rippenförmige Vorsprünge angeordnet sind, die von der äusseren Mantelfläche des Ringraumes ausgehen und gegen die Vorspannhülse ragen, wobei die Zufluss- und die Abflussöffnung auf verschiedenen Seiten der Vorsprünge liegen.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung wird eine eindeutige Kühlflüssigkeitsströmung innerhalb des ringförmigen Kühlmantels des Druckgebers erzielt und dadurchjeder Wärmefluss von der Stirnfläche des Druckgebers zu den Piezoelementen unterbunden. Zufolge der somit wesentlich verbesserten Kühlwirkung wird eine Beeinflussung des piezoelektrischen Effektes durch Schwankungen der Temperatur der Piezoelemente völlig vermieden. Die rippenförmigen Vorsprünge, die bis nahe an die äussere Mantelfläche der Vorspannhülse reichen können, leiten einen erheblichen Teil der durch die Zuflussöffnung in den Ringraum eintretenden Kühlflüssigkeit durch die Bohrungen im Stempel hindurch und bewirken auf diese Weise, dass die Kühlflüssigkeit an allen Stellen des Ringraumes ständig in Bewegung gehalten wird.
Dabei wird auch die Gefahr des Siedens der Kühlflüssigkeit, insbesondere im Be reich der den Ringraum abschliessenden Membran, weitgehend vermieden. Die Piezoelemente können ausserdem weiter im Inneren des Druckgebers liegen, da der Stempel infolge der Bohrungen eine grössere
Ausdehnung in Achsrichtung aufweist, ohne dass sich seine Masse dabei nennenswert vergrössert. Als Kühl flüssigkeit kann z. B. Wasser oder eine Flüssigkeit mit höherem Siedepunkt als Wasser, insbesondere Silikon öl, verwendet werden.
Es ist zwar auch schon ein piezoelektrischer Druck geber bekannt, bei welchem das druckbeaufschlagte
Ende der Vorspannhülse durch ständig in Bewegung befindliches Kühlwasser gekühlt wird. Die Piezo elemente sind hierbei ausserhalb der Vorspannhülse um diese herum im Innern eines ringförmigen Gehäuses angeordnet, welches von einem äusseren, ebenfalls ringförmigen Kühlmantel umgeben ist.
Ausser diesem äusseren Kühlkreislauf ist zur Kühlung der Vorspannhülse zusätzlich ein innerer Kühlkreislauf vorgesehen, wobei das Kühlwasser durch ein in das
Innere der Vorspannhülse bis nahe an das druckbeaufschlagte Ende derselben reichendes Rohr zugeführt und den Wänden der Vorspannhülse entlang wieder abgeleitet wird. Durch diese Anordnung ergibt sich jedoch eine ausserordentlich komplizierte Ausbildung des Druckgebers und trotzdem keine wesentliche Verbesserung der Kühlwirkung, da die vom Kühlwasser umspülte Fläche der Vorspannhülse sehr klein ist und auch nur ein geringer Teil des die Vorspannhülse druckseitig abschliessenden Stempels mit dem Kühlwasser in Berührung kommt.
Nach einem weiteren Vorschlag ist es auch schon bekannt, die Membran eines auf kapazitiver Wirkung beruhenden Druckgebers an der Unterseite mit Querrillen zu versehen, die durch eine von unten an die Membran gedrückte Scheibe zu Kanälen für das Kühlmittel ergänzt werden. Entsprechend der Eigenart der bei dieser Ausführung angewendeten physikalischen Erscheinungen sind keine Piezoelemente und auch kein dem Druckstempel des Erfindungsgegenstandes vergleichbares Element vorhanden. Ausserdem sind hierbei auch keine Massnahmen zur Aufrechterhaltung einer geregelten Kühlmittel strömung vorgesehen, so dass die von den Querrillen in der Membran gebildeten Kühlkanäle nur unzureichend von der Kühlflüssigkeit durchströmt sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Vorsprünge von einer im Ringraum vorgesehenen Leithülse gebildet, die mit ihrer äusseren Mantelfläche am Gehäuse anliegt und sich über die gesamte Höhe des Ringraumes erstreckt. Diese Ausführung zeichnet sich vor allem durch ihre einfache Herstellbarkeit aus. Die Schwierigkeiten, die sich bei fester Anordnung der rippenförmigen Vorsprünge am Gehäuse beim Ein- und Ausbau der Vorspannhülse ergeben, fallen bei dieser Ausführung weg.
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. 1 zeigt eine Ansicht des erfindungsgemässen Druckgebers und Fig. 2 dazu eine Draufsicht. In Fig. 3 ist ein Schnitt durch den die Piezoelemente enthaltenden Teil des Druckgebers nach der Linie III-III in Fig. 4 und in Fig. 4 ein Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3 jeweils in vergrössertem Massstab dargestellt.
Der gezeichnete Druckgeber besitzt ein zylindrisches Gehäuse 1, das an seinem unteren Ende mit einem Anschlussgewinde 2, zum Einschrauben beispielsweise in den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, versehen ist und an seinem oberen Ende einen Sechskantkopf 3 aufweist. Ebenfalls am oberen Ende des Gehäuses 1 sind Rohre 4 und 5 für den Anschluss der Zu- und Abflussleitungen für die Kühlflüssigkeit und ein Durchführungsisolator 6, durch welchen die elektrische Leitung herausgeführt ist, angeordnet.
Im Innern des Gehäuses 1 befindet sich die Vorspannhülse 7, die im Gehäuse 1 festgeklemmt und mit einem den zu messenden Druck übertragenden Stempel 8 abgeschlossen ist. Im Bereich des druckbeaufschlagten Endes besitzt die Vorspannhülse 7 einen dünnwandigen federnden Mantel, der die Piezoelemente, z. B. zwei Quarzkristalle 9 und 10, umschliesst. Diese sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel übereinander angeordnet und gegeneinander geschaltet, wobei zwischen ihnen eine Elektrode 11 zur Ableitung z. B. der positiven Ladungen vorgesehen ist, während die negativen Ladungen über Masse abfliessen können. Zu diesem Zweck ist auf der einen Seite der Quarzkristalle eine Elektrode 12 und auf der anderen Seite ein Stahlzylinder 13 vorgesehen, welcher mit dem Quarzkristall 9 in Verbindung steht und zugleich auch zur Vorspannung der Quarze dient.
Die am Quarzkristall 10 anliegende Elektrode 12 steht über eine Schicht 14 aus weichem Metall, beispielsweise aus Aluminium, mit dem Stempel 8 und somit ebenfalls mit Masse in leitender Verbindung. Die Metallschicht 14 hat den Zweck, zwischen der Elektrode 12 und dem Stempel 8 einen elektrischen Kontakt mit möglichst geringem Übergangswiderstand herzustellen. Im Inneren des Stahlzylinders 13 ist ein Isolierrohr 15 angeordnet, welches die von der Elektrode 11 nach aussen führende elektrische Leitung 16 umschliesst.
Zwischen dem die piezoelektrischen Quarzkristalle 9 und 10 umschliessenden, dünnwandigen Mantel der Vorspannhülse 7 und dem Gehäuse 1 ist ein Ringraum 17 ausgespart, der stempelseitig durch eine zwischen dem Gehäuse 1 und dem Stempel 8 dichtend angeordnete Membran 18 abgeschlossen ist. Diese wird durch Ringe 19 und 20 festgehalten. Im oberen Teil des Ringraumes 17 befindet sich eine Zufluss- und eine Abflussöffnung 21 und 22, durch welche eine über die Rohre 4 und 5 und über Kanäle 23 im Gehäuse 1 zubzw. abgeführte Kühlflüssigkeit den Ringraum 17 durchströmt.
Der Stempel 8 besitzt in seinem im Bereich des Ringraumes 17 liegenden Teil drei quer zur Vorspannhülse verlaufende, durchgehende Bohrungen 24, durch welche die Kühlflüssigkeit von der einen Hälfte des Ringraumes 17 in die andere Hälfte gelangen kann.
Um nun zu erreichen, dass möglichst viel Kühlflüssigkeit durch die Bohrungen 24 fliesst, ist zusätzlich eine Leithülse 25 im Ringraum angeordnet, die mit ihrer äusseren Mantelfläche am Gehäuse 1 anliegt und sich über die gesamte Höhe des Ringraumes 17 erstreckt.
Die Leithülse 25 besitzt zwei diametral gegenüberliegende, rippenförmige Vorsprünge 26 und 27, die in axialer Richtung verlaufen und gegen den dünnwandigen Mantel der Vorspannhülse 7 ragen. Zwischen den Vorsprüngen 26 und 27 einerseits und dem dünnwandigen Mantel der Vorspannhülse 7 anderseits verbleiben lediglich schmale Schlitze für den Durchtritt der Kühlflüssigkeit. Auf diese Weise wird je nach der Breite dieser Schlitze ein grösserer oder kleinerer Teil der Kühlflüssigkeit durch die Bohrungen 24 im Stempel 8 geleitet. Zur Erzielung einer günstigen Kühlwirkung werden z. B. die Vorsprünge 26 und 27 so bemessen, dass etwa 60 % der Kühlflüssigkeit durch die Bohrungen 24 hindurchgeleitet werden.