DE19547149A1

DE19547149A1 - Fluidisches Ventil

Info

Publication number: DE19547149A1
Application number: DE1995147149
Authority: DE
Inventors: Martin Reuter; Konrad Voigt
Original assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Current assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Priority date: 1995-12-16
Filing date: 1995-12-16
Publication date: 1997-06-19
Also published as: WO1997022824A1

Description

Die Erfindung betrifft ein fluidisches Ventil, insbesondere zum Schalten bzw. Steuern relativ großer Volumenströme, vorzugsweise unter Verwendung eines piezoelektrischen Antriebs. Bevorzugte Anwendung findet die Erfindung in 3/2-Ventilen.

Weit verbreitet zum Schalten von Volumenströmen sind Magnetventile. Der hauptsächliche Nachteile dieser Magnetventile besteht darin, daß sie zum Halten des Magneten in einer Position einer ständigen Energiezufuhr bedürfen, sie relativ hohe Schaltzeiten und ein großes Bauvolumen aufweisen. Auch sind Ventile der gattungsgemäßen Art bekannt und finden bevorzugt in der Elektroventiltechnik als Alternative zu Magnetventilen Anwendung (vgl. Datenblatt PIEZO 2000 A5P023D61KO30Ö der Fa. Hoerbiger Pneumatic). Diese Ventile enthalten als Schaltelement einen piezoelektrischen Biegeaktuator, der durch Anlegen einer elektrischen Spannung in wenigstens zwei Lagen schaltbar ist. Solche Biegeaktuatoren werden je nach Anwendungsfall bezüglich des erreichbaren Verstellweges, der Kraft, Baugröße und elektrischer Betriebsspannung ausgewählt bzw. optimiert. Der grundsätzliche Nachteil dieser Biegeaktuatoren besteht darin, daß sich mit größer werdender Auslenkung die Kraft, die auf einen Anschlag noch ausgeübt werden kann, verkleinert. Aus diesem Grund können diese Ventile nach dem Stand der Technik nur zum Schalten relativ geringer Volumenströme bzw. geringer fluidischer Drucke eingesetzt werden, weshalb sie meist nur als Relaisventile zum Schalten von weiteren Pneumatikventilen in Kaskadenanordnungen, die größere Volumen schalten können, eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein fluidisches Ventil, insbesondere zum Schalten bzw. Steuern relativ großer Volumenströme anzugeben, das vorzugsweise einen piezoelektrischen Antrieb beinhaltet.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst. Je nach Anwendungsfall lassen sich durch Auswahl eines piezoelektrischen Antriebs, insbesondere eines piezoelektrischen Biegers mit vorgebbarer Spannung, Antriebskraft und Biegerauslenkung und des anliegenden fluidischen Drucks sowie des Ventilhubs gemäß der Erfindung Ventile schaffen, die durch eine definierte Ausbildung wenigstens einer Ventilöffnung größere Volumenströme steuern bzw. schalten lassen. Ist das Schalten größer Volumenströme nicht das Hauptanliegen des Anwenders, kann die Erfindung zur Schaffung vereinfachter und damit kostengünstigerer Ventilbauformen verwendet werden, indem kleinere piezoelektrische Antriebe mit geringerer Antriebskraft und/oder geringerem Hub Verwendung finden können.

Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausführungs beispiele und Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein 3/2-Ventil im seitlichen Schnitt als ein Beispiel der Anwendung der Erfindung,

Fig. 2a bis d mögliche Öffnungsprofile gemäß der Erfindung in einem Schnitt senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 1 und

Fig. 3 eine Möglichkeit einer zusätzlichen Kraftbeaufschlagung des piezoelektrischen Antriebs vermittels einer Feder.

In Fig. 1 enthält ein Ventilgehäuse 1 einen piezoelektrischen Antrieb 2, der im Beispiel als Bimorph-Bieger ausgeführt ist. Weiterhin ist das Ventil als 3/2-Ventil ausgeführt, wobei es Öffnungen P, R und einen Verbindungsweg A besitzt. In der gezeigten Darstellung ist das 3/2-Ventil geschlossen; die strichlinierte Darstellung des Biegers steht für die geöffnete Ventilstellung, wobei in dieser Schaltstellung ein Strömungsweg für das an der Öffnung P anliegende Medium zum Verbindungsweg A freigegeben ist.

In der geschlossenen Schaltstellung wird der Bieger mit einer fluidischen Druckkraft F_p beaufschlagt.

Das durch den Verbindungsweg A in geöffneter Ventilstellung strömende Medium bewirkt die Verstellung eines beispielhaft dargestellten Verstellkolbens 3, der in geschlossener Stellung bspw. durch eine nicht näher dargestellte Feder eine gegenläufige Bewegung entlang eines dargestellten Doppelpfeils erfährt. Weiterhin ist der vorgebbare Ventilhub, als einer weiteren wesentlichen Größe im Rahmen der Erfindung, mit s bezeichnet.

Zur Verdeutlichung der Wirkung der Erfindung soll zunächst ein Referenzbeispiel beschrieben werden, bei dem die Öffnungen von P und R, wie nach dem Stand der Technik üblich, kreisrund ausgeführt sind; vgl. Fig. 2a. Bei einem beispielhaft angenommenen Öffnungsdurchmesser von 1,3 mm betragen die Querschnittsflächen A_p der Öffnung P und A₀ der Öffnung R jeweils ca. 1,3 mm². Bei einem angenommenen, an der Öffnung P anliegenden Druck von 6 bar ergeben sich fluidische Kräfte F_p (bzw. F₀ in geöffneter Ventilstellung) von jeweils 0,8 N im stationären Zustand. Ein zum Betrieb des Ventils vorgesehener Multilayer-Bimorph- Bieger soll einen Maximalhub von 0,7 mm aufweisen und eine Maximalkraft F_b von 1,3 N ausüben. Diese Daten werden z. B. mit kommerziellen Multilayer-Bimorph-Biegern (vgl. Multilayer-Bieger pa/b marco 1995) einer Länge von 30 mm, einer Breite von 10 mm und einer Dicke von 0,7 mm mit einer Ansteuerspannung von 100 V erreicht. Es zeigt sich jedoch, daß der im Ventil nutzbare Ventilhub s nur 0,2 mm beträgt. Womit der Strömungsquerschnitt A_s, worunter das Produkt aus dem Mantellinienumfang der Öffnung (in diesem Beispiel also π·1,3 mm) und Ventilhub (s) zu verstehen ist, der Öffnung P nur ca. 0,82 mm² beträgt. Würde der Ventilhub s größer eingestellt, reichte die Antriebskraft F_b des Biegers nicht mehr aus, um die fluidischen Kräfte, die durch ΔF = F_p-F_min charakterisiert werden sollen, zu überwinden. F_min steht dabei für das Kraftminimum, die das fluidische System zwischen den beiden Endlagen auf den piezoelektrischen Bieger ausübt. Der geringe Strömungsquerschnitt bewirkt, daß die fluidische Kraft zwischen den Schließpunkten auf nahezu Null abfällt (F_min ≈ 0,05 N), der piezoelektrische Bieger also nicht nur die o.g. Kraft von 0,8 N, sondern auch die Kraftdifferenz von ΔF = 0,75 N überwinden muß.

Ausgehend vom beschriebenen Referenzbeispiel sind nun in einem ersten Ausführungsbeispiel im Ventilgehäuse 1 zwei Öffnungen P und R mit gleichen Öffnungsquerschnittsflächen von wiederum A_p = A₀ = 1,3 mm², also gleichen Werten für F_p und F₀ = 0,8 N, vorgesehen. Jedoch wird im Beispiel von einer, von der oben beschriebenen kreisrunden Öffnungsquerschnittsfläche, stark abweichenden erfindungsgemäßen schlitzförmigen Öffnungsquerschnittsausführung, wie in Fig. 2b dargestellt, ausgegangen. Die Längsausdehnung der schlitzförmigen Öffnung soll dabei l = 3,6 mm und die Breitenausdehnung b = 0,36 mm betragen. Bei vorausgesetztem gleichen Ventilhub wie im Referenzbeispiel von 0,2 mm ergibt sich hier ein Strömungsquerschnitt A_s von 1,6 mm² Durch den damit verbundenen höheren Volumenstrom wird der Wert für F_min auf F_min 0,4 N angehoben. Für die Kraftdifferenz ΔF ergibt sich ΔF = 0,4 N, d. h. der piezoelektrische Bieger 2 hätte in diesem Beispiel nur die halbe Kraftdifferenz zu überwinden und könnte somit, bspw. durch Halbierung seiner Breite, kleiner dimensioniert werden oder er könnte bei beibehaltener Dimensionierung mit höheren fluidischen Drucken beaufschlagt werden. Voraussetzung ist aber, daß eine zusätzliche äußere Kraft von ca. 0,5 N wirkt, die die verminderte Biegerkraft kompensiert und die bspw. durch Vorspannung des Biegers selbst oder durch eine zusätzliche Feder 4, wie in Fig. 3 schematisch angedeutet, erzeugt werden kann. Aufgrund des vergrößerten Strömungsquerschnitts, läßt sich mit einem Ventil dieses Ausführungs beispiels ein wesentlich größerer Volumenstrom schalten.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die gleiche schlitzförmige Öffnungsgeometrie wie im ersten Ausführungsbeispiel gewählt, wobei ein Strömungsquerschnitt wie im Referenzbeispiel A_s = 0,82 mm² gegeben sein soll und die Öffnungsquerschnittsflächen A_p = A₀ = 1,3 mm² betragen. Das heißt, dieselben Verhältnisse werden hier bereits bei einem Ventilhub s = 0,1 mm erreicht. Dies bewirkt fluidische Kräfte von F_p = F₀ = 0,8 N, F_min ≈ 0,3 N und ΔF = 0,5 N. Der piezoelektrische Antrieb muß neben dem halben Ventilhub hier auch nur 62% des Kraftunterschieds überwinden. Die zusätzliche äußere Kraft kann wie im ersten Ausführungsbeispiel erzeugt werden und soll hier ca. 0,3 N betragen. Damit könnte der Bieger wesentlich kleiner dimensioniert werden, z. B. 20 mm lang, 7 mm breit bei einer Dicke von 0,7 mm und erreicht mit einer Betriebsspannung von 100 V einen maximalen Hub von z = 0,3 mm mit einer Antriebskraft Fb des Biegers von F_b = 0,9 N. Als weiterer Vorteil ergibt sich hierbei, daß die Resonanzfrequenz des Biegers um den Faktor 2,25 auf ca. 820 Hz ansteigt, womit sich wesentlich schnellere Ventilschaltvorgänge realisieren lassen.

In einem dritten Ausführungsbeispiel soll ein Ventil wie im Beispiel 2 ausgestattet mit einer Geometrie der Öffnung wie im Beispiel 1 und versehen mit einem piezoelektrischen Antrieb wie im Referenzbeispiel betrachtet werden. Es wird eine zusätzliche äußere Kraft von ca. 0,3 N, wie im zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen. Ein derartiges Ventil kann mit Spannungen von 50 V betrieben werden, wenn die Biegerbreite auf 12,5 mm vergrößert, oder der Betriebsdruck auf 4,5 bar reduziert wird. Bei einer solchen Maßgabe kann das Ventil mittels einer einfachen Spannungsverdopplerschaltung an standardmäßige 24 V-Spannungs versorgungen angeschlossen bzw. über 24 V-Bus-Leitungen versorgt werden.

In einem vierten Ausführungsbeispiel soll ein 3/2-Ventil betrachtet werden, das einen Ventilhub von s = 0,2 mm und einen Strömungsquerschnitt von A_s = 1,8 mm² aufweisen soll. Es wird wieder von zwei gleichen spaltförmigen Öffnungen von P und R, diesmal mit einer Länge l = 2 mm und einer Breite b = 0,2 mm ausgegangen, woraus eine Öffnungsfläche A_p = 0,4 mm² resultiert. Es ergeben sich folgende fluidische Kräfte: F_p = 0,25 N, F_min ≈ 0,1 N, ΔF = 0,15 N. Dieses Ventil kann z. B. mit einem piezoelektrischen Bieger mit einem maximalen Biegerhub von z = 0,4 mm und einer maximalen Antriebskraft von F_b = 0,4 N noch sicher betätigt werden, wenn eine zusätzliche Feder eine statische Vorspannung von 0,1 N erzeugt. Dem Bieger können dann bspw. folgende Abmessungen gegeben sein, Länge: 20 mm, Breite: 4 mm, Dicke: 0,5 mm bei einer Spannung U = 100 V. Dadurch ergeben sich kompaktere Bauformen und außerdem ein mehr als verdoppelter Strömungsquerschnitt gegenüber einer Ausführung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel.

In einem fünften Ausführungsbeispiel wird ein piezoelektrischer Bieger wie im Referenzbeispiel beschrieben unter Verwendung von Schlitzöffnungen mit einem Verhältnis l/b = 10, wie im Beispiel 1 ausgeführt. Wird dieser Öffnungsquerschnitt verdoppelt, so daß A_p = A₀ = 2,6 mm² beträgt, so ergibt sich F_p = 1,6 N und l = 5,1 mm, b = 0,51 mm und der Strömungsquerschnitt A_s zu 2,24 mm². Dieser um den Faktor 2,75 gegenüber dem Referenzbeispiel vergrößerte Öffnungsquerschnitt bewirkt Werte von F_min ≈ 1,0 N, ΔF ≈ 0,6 N und eine statische Vorspannung von 0,7 N. Wiederum unterstützt durch eine Feder, die die statische Vorspannkraft aufbringt, die in diesem Fall auf 1,1 N erhöht wird, kann dieses Ventil sogar mit einem etwas schwächer dimensionierten Bieger, z. B. durch Reduzierung seiner Breite auf 8 mm, einen etwa 3mal so großen Volumenstrom wie im Referenzbeispiel schalten.

In Fig. 2c ist ein letztes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Öffnungsquerschnittsflächen von P und R unterschiedlich groß ausgebildet sein sollen. So soll A_p = 1,63 mm² bei l = 3,05 und b = 0,55 mm (l/b = 5,6) und A₀ = 1,05 mm² bei l = 3,25 und b = 0,325 mm (l/b = 10) betragen. Dabei sind die Strömungsquerschnitte A₅ beider Öffnungen gleich groß. Die sich hier ergebenden Kräfte betragen F_p = 1 N und F₀ = 0,65 N. Als piezoelektrischer Antrieb soll hier ein Bieger einer mit einer Länge von 30 mm, einer Breite von 5 mm, einer Dicke von 0,7 mm einem Maximalhub von z = 0,7 mm und einer Maximalkraft F_b = 0,65 N Verwendung finden. Der Ventilhub s soll so gewählt werden, daß die Kraftänderung des Biegers gleich F_p-F₀ = 0,35 N beträgt. Damit ergibt sich s zu 0,38 mm, womit die Strömungsquerschnitte beider Öffnungen 2,72 mm² betragen. Die statische Vorspannkraft einer zusätzlichen, auf den Bieger eingreifenden Feder wird auf 0,7 N festgelegt. Eine Ausbildung der Erfindung entsprechend dieses Ausführungsbeispiels ermöglicht eine noch bessere Anpassung des Verlaufs der fluidischen Kraft-Weg-Kennlinie an die Arbeitskennlinie des zum Einsatz gelangenden piezoelektrischen Antriebs.

Wenn im Rahmen der Beschreibung schlitzförmige Öffnungen mit rechteckigem Querschnitt beschrieben wurden, stellen diese zwar eine besonders bevorzugte Ausführungsform dar, da sie sich in einer Ebene durch den Bieger günstiger verschließen lassen, beschränken die Erfindung jedoch nicht darauf. Wesentlich im Rahmen der Erfindung ist die definierte Wahl von Öffnungen mit einem Querschnitt, der von einem kreisrunden Querschnitt abweicht und damit eine gegenseitige Anpassung der sich wechselseitig beeinflussenden Öffnungs- und Biegerparameter auf den jeweiligen Anwendungsfall erstmals möglich machen. So fallen auch elliptische Öffnungen, Langlochöffnungen o. ä., wie in Fig. 2d angedeutet, unter die Erfindung. Ebenso ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von piezoelektrischen Antrieben in Form von Biegern beschränkt. Es können unter Beibehaltung obiger Betrachtungen auch piezoelektrische Stapelantriebe Verwendung finden, wie sie bspw. in P 44 45 642.5 beschrieben sind.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1 - Ventilgehäuse
2 - piezoelektrischer Antrieb
3 - Verstellkolben
4 - Feder
P, R - Öffnungen
A - Verbindungsweg
s - Ventilhub
z - Maximalhub des Biegers
A₀ - Flächenquerschnitt der Öffnung R
A_p - Flächenquerschnitt der Öffnung P
F₀ - fluidische Kraft an der Fläche A₀
F_p - fluidische Kraft an der Fläche A_p
l - Öffnungslängsausdehnung
b - Öffnungsbreitenausdehnung

Claims

1. Fluidisches Ventil, insbesondere zum Schalten bzw. Steuern relativ großer Volumenströme, vorzugsweise einen piezoelektrischen Antrieb (2) beinhaltend, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der erreichbaren Antriebskraft (F_b) und einem Antriebshub (z) eines vorgebbaren Antriebs (2), einem erreichbaren vorgebbaren Ventilhub (s) und der sich durch den anliegenden fluidischen Druck ergebenden Kraft (F_p) der Querschnitt wenigstens einer Öffnung (P; R) mit der Maßgabe gestaltet ist, daß ihm eine von der Kreisform abweichende Mantelliniengeometrie gegeben ist.

2. Fluidisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines 3/2-Ventils bei gleichem Flächenquerschnitt (A_p, A₀) der Öffnungen (P; R) insbesondere der Öffnung (P) eine von der Kreisform abweichende Mantelliniengeometrie gegeben ist.

3. Fluidisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines 3/2-Ventils bei gleichem Flächenquerschnitt (A_p, A₀) der Öffnungen (P; R) beiden Öffnungen (P und R) eine von der Kreisform abweichende Mantelliniengeometrie gegeben ist.

4. Fluidisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines 3/2-Ventils bei unterschiedlichem Flächenquer schnitt (A_p, A₀) der Öffnungen (P; R) wenigstens einer Öffnung (P) eine von der Kreisform abweichende Mantelliniengeometrie gegeben ist.

5. Fluidisches Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Öffnungen (P und R) eine von der Kreisform abweichende Mantelliniengeometrie gegeben ist.

6. Fluidisches Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Kreisform abweichende Mantellinien geometrie im wesentlichen schlitzförmig ausgebildet ist.

7. Fluidisches Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei unterschiedlichem Flächenquerschnitt (A_p, A₀) der Öffnungen (P und R) den Öffnungen ein gleicher Strömungsquerschnitt, worunter das Produkt aus Mantellinienumfang (2l + 2b) und Ventilhub (s) zu verstehen ist, gegeben ist.

8. Fluidisches Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Öffnung (R) ein kleinerer Flächenquerschnitt als der anderen Öffnung (P) gegeben ist.

9. Fluidisches Ventil nach einem der Ansprüche 1, 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität der Öffnungsque rschnitte zueinander so gewählt ist, daß die auf die eine Öffnung (P) wirkende fluidische Kraft F_p und die auf den piezoelektrischen Antrieb (2) an der anderen Öffnung (R) wirkende fluidische Druckkraft F₀ zueinander in einem Verhältnis festgelegt sind, wobei F_b für die Antriebskraft des piezoelektrischen Antriebs und z für den Maximalhub des Antriebs (2), bei: z s, steht.

10. Fluidisches Ventil nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Antrieb (2) in beiden Schaltstellungen (F_p, F₀) zusätzlich mit einer weiteren Kraft, bevorzugt erzeugt durch eine mechanische Feder (4), beaufschlagt ist.