DE4410153C1 - Piezoelektrisch betätigtes Fluidventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisch betätigtes Fluidventil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Ein solches, zum Steuern eines gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmediums verwendetes Fluidventil mit einem piezoelektrischen Mehrschicht-Biegewandler ist beispielsweise aus der EP 0 404 082 A2 bekannt. Der piezoelektrische Mehrschicht-Biegewandler besteht dabei aus mindestens zwei miteinander fest verbundenen Keramikschichten mit piezoelektrischen Eigenschaften, sog. Piezokeramik, die quer zur Erstreckungsrichtung des Biegewandlers polarisiert und auf ihrer Ober- und Unterseite jeweils mit einem elektrisch leitfähigen Belag überzogen sind. Zur Erzeugung eines elektrischen Feldes wird an die elektrisch leitfähigen Beläge einer jeder Keramikschicht eine Spannung gelegt, wobei die Spannung an die eine Piezokeramik in deren Polarisationsrichtung und die Spannung an die andere Piezokeramik gegen deren Polarisationsrichtung gelegt wird. Unter der Wirkung des elektrischen Feldes erfährt die eine Piezokeramik eine Verkürzung und die andere Piezokeramik eine Längung, so daß der Biegewandler sich insgesamt krümmt und damit das an seinem von der Einspannstelle abgekehrten freien Ende befindliche Ventilglied auf den Ventilsitz auflegt (Schließer) oder vom Ventilsitz abhebt (Öffner). Die Schließkraft bzw. Öffnungskraft ist dabei umgekehrt proportional der Auslenkung des freien Endes des Biegewandlers und beträgt bei maximaler Auslenkung s_max Null. Das Verhalten des Biegewandlers bei Anlegen einer vorgegebenen Spannung wird durch seine Kennlinie beschrieben, welche die Funktion der Verstellkraft in Abhängigkeit von der Auslenkung darstellt. Die maximale Verstellkraft, auch Klemmkraft genannt, wird bei der Auslenkung Null erreicht.

Bei Fluidventilen besteht die Forderung nach hoher Dichtigkeit. Wesentlich für die Dichtigkeit ist die Schließkraft des Ventilglieds, die wiederum von der Kennlinie des Biegewandlers aufgrund des einzuhaltenden Mindesthubs des Ventilglieds vorgegeben ist. Um die Dichtigkeit des Fluidventils bei vorgegebener Spannung und damit vorgegebener Schließkraft zu erhöhen, hat man bei dem eingangs genannten bekannten Fluidventil den Ventilkörper als eine nicht metallisierte Stelle auf der Piezokeramik mit einer Rauhigkeit von unter 0,5 µm ausgebildet. Die Fläche der nichtmetallisierten Stelle wird dabei geringfügig größer gemacht als die des Ventilsitzes. Auf diese Weise wird bei unveränderter Schließkraft durch eine geringere Rauhigkeit der Ventilsitzabdichtung eine größere Dichtigkeit des Fluidventils sichergestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Fluidventil der eingangs genannten Art dessen Dichtigkeit durch eine höhere Verstellkraft des Biegewandlers zu verbessern, ohne die angelegten Spannungen erhöhen zu müssen und damit die Belastungsgrenze des Biegewandlers zu erreichen. Die Aufgabe ist bei einem piezoelektrisch betätigten Fluidventil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Abstützung des Biege­ wandlers zumindest auf einer Seite ist bei dessen Aus­ lenkung ein Widerlager wirksam, so daß dessen Kennlinie zu höherer Klemmkraft und kleinerer maximaler Auslenkung verschoben und dessen Verstellkraft damit zu größeren Werten transformiert wird. Wie aus Fig. 4 der Zeichnung zu erkennen ist, wird beispielsweise bei einem vorgegebenen Schließhub des Fluidventils, der einer Auslenkung s′ des freien Endes des Biegewandlers entspricht, eine Schließkraft F erzielt (Kennlinie II in Fig. 4), die größer ist als die Schließkraft bei nicht abgestütztem Biegewandler (Kennlinie I in Fig. 4). Damit kann ohne aufwendige Bearbeitung des Ventilglieds oder Ventilsitzes nur durch Erhöhung der Verstellkraft des Biegewandlers, und dies ohne Erhöhung der an dem Biegewandler anliegenden Spannung, die Dichtigkeit des Fluidventils beträchtlich verbessert werden. Die am Biegewandler maximal zulässige Spannung ist vorgegeben und darf einen Wert, bei welchem eine bleibende Depolarisation der Piezokeramik einsetzt, nicht übersteigen.

Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fluidventils mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung sind in der Einspann- und/oder Abstützstelle des Biegewandlers elektrische Kontaktflächen vorgesehen, die über im Ventilgehäuse verlaufende elektrische Verbindungsleitungen mit einer elektrischen Steuerschaltung zur Erzeugung der an den Biegewandler anzulegende Gleichspannung verbunden sind und die Piezokeramik beidseitig überziehende elektrisch leitfähige Beläge kontaktieren. Dies hat den Vorteil, daß mit dem Einspannen und Abstützen des Biegewandlers zugleich der elektrische Anschluß des Biegewandlers hergestellt ist und zusätzliche Maßnahmen dafür entfallen. Die elektrisch leitfähigen Beläge sind in der Regel als Metallisierungen ausgeführt, die auf die Außenseite der Piezokeramiken der einzelnen Wandlerschichten des Mehrschicht-Biegewandlers aufgebracht sind, z. B. im Siebdruckverfahren. Diese Beläge liegen auf der Außenseite des Biegewandlers und werden damit beim Einspannen und Abstützen automatisch kontaktiert. Ist aus Isolationsgründen auf den äußeren Metallisierungen noch zusätzlich eine nichtleitfähige Deckschicht aufgebracht, so wird diese Deckschicht im Bereich der Einspann- und Abstützstelle entfernt.

Zusätzlich zu der durch Erhöhung der Verstellkraft des Biegewandlers erreichten Verbesserung der Dichtigkeit des Fluidventils kann diese noch dadurch gesteigert werden, daß gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung das mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Ventilglied auf dem Biegewandler als eine plane Dichtschicht mit extrem niedriger Rauhigkeit ausgeführt wird, die im Siebdruckverfahren aufgebracht und anschließend poliert wird.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt eines piezoelektrischen Fluidventils in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ausschnittweise eine Unteransicht eines Mehrschicht-Biegewandlers im Fluidventil gemäß Fig. 1, vergrößert dargestellt,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 ein Diagramm der Kennlinie des Biegewandlers gemäß Fig. 1-3,

Fig. 5 eine Skizze der Anordnung des Biegewandlers zur Erläuterung seiner Funktion.

Das in Fig. 1 schematisch im Längsschnitt dargestellte piezoelektrisch betätigte Fluidventil zum Steuern eines gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmediums weist ein Ventilgehäuse 10 mit zwei Ventilanschlüssen 11 und 12 und einer Ventilkammer 13 auf. Die beiden Ventilanschlüsse 11, 12 sind über je einen Anschlußkanal 14, 15 mit der Ventilkammer 13 verbunden. Die Kanalmündung 16 des Anschlußkanals 14 in der Ventilkammer 13 ist von einem Ventilsitz 18 umgeben, der mit einem Ventilglied 19 zum Schließen und Öffnen des Fluidventils zusammenwirkt. Im Ausführungsbeispiel ist das Fluidventil als Schließer ausgebildet, das im gezeigten Ruhezustand geöffnet ist und einen Fluß des Arbeitsmediums vom Zulauf-Anschlußkanal 14 zum Abfluß- Anschlußkanal 15 ermöglicht und bei Aktivierung den Anschlußkanal 14 verschließt. Selbstverständlich kann das Fluidventil auch als Öffner ausgebildet sein, bei welchem in umgekehrter Weise der Anschlußkanal 14 im Ruhezusand verschlossen und bei Ventilaktivierung freigegeben wird. Die Ausbildung des Fluidventils als 3/2-Wegeventil ist ebenfalls möglich, wozu an der Kanalmündung 17 noch ein weiterer Ventilsitz, der im Ruhezustand des Ventils von demselben oder einem weiteren Ventilglied abgedichtet wird, und ein dritter Anschlußkanal vorzusehen ist. Selbstverständ­ lich kann das Fluidventil auch proportional betrieben werden, d. h. das Ventilglied 19 kann auch eine beliebige Zwischen­ position zwischen den beiden Ventilsitzen einnehmen.

Zur Betätigung des Ventilglieds 19 ist ein piezoelektrischer Mehrschicht-Biegewandler 20 bekannter Bauart in der Ventilkammer 13 angeordnet. Wie aus der Schnittdarstellung des Biegewandlers 20 in Fig. 3 hervorgeht, besteht der hier verwendete Mehrschicht- Biegewandler 20 aus zwei Wandlerschichten 21 und 22, die unmittelbar aufeinanderliegen und längs ihrer Erstreckungsrichtung fest miteinander verbunden, z. B. verklebt, sind. Die beiden Wandlerschichten 21, 22 sind identisch ausgebildet. Jede Wandlerschicht 21, 22 besteht aus einer Piezokeramik 23, die auf ihrer Ober- und Unterseite mit einem elektrisch leitfähigen Belag 24, 25 versehen ist. Der Begriff Piezokeramik steht hier synonym für jeden Körper aus einem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften. Die elektrisch leitfähigen Beläge 24, 25 werden üblicherweise durch Metallisierung der Piezokeramik 23 im Siebdruckverfahren hergestellt. In der Schnittdarstellung in Fig. 3 ist anstelle der Schraffur der Piezokeramik 23 in den Wandlerschichten 21, 22 deren Polarisationsrichtung durch Pfeile 26 bzw. 27 angedeutet. Wie aus Fig. 3 zu erkennen ist, sind die beiden Wandlerschichten 21, 22 so aufeinandergelegt, daß ihre Polarisationsrichtungen 26, 27 gleich sind. Aus Isolationsgründen kann bei dem beschriebenen Mehrschicht- Biegewandler 20 noch außen auf die metallischen Beläge 24, 25 eine isolierende Deckschicht aufgebracht sein. Das mit dem Ventilsitz 18 zusammenwirkende Ventilglied 19 ist an oder nahe dem freien Ende des Mehrschicht-Biegewandlers 20 angeordnet und als plane kreisrunde Dichtschicht 28 ausgeführt, deren Durchmesser wenig größer ist als der Außendurchmesser des Ventilsitzes 18. Diese Dichtschicht 28 hat eine extrem niedrige Rauhigkeit, die dadurch erreicht wird, daß die Dichtschicht 28 im Siebdruckverfahren auf den Belag 24 aufgebracht und anschließend poliert wird. Durch die geringe Rauhigkeit der Dichtschicht 28 legt sich diese mit hoher Dichtigkeit auf den Ventilsitz 18 auf, so daß mit erträglicher Schließkraft eine hohe Dichtigkeit des Fluidventils erzielt wird. Alternativ kann auch die gesamte Oberfläche der Wandlerschicht 21 mit einer solchen planen Dichtschicht mit extrem geringer Rauhigkeit überzogen werden. Dies hat den Vorteil, daß der Überzug ohne Siebdruckmasken und ähnliches leichter und kostengünstiger hergestellt werden kann.

Der Mehrschicht-Biegewandler 20 ist an seinem von dem Ventilglied 19 abgekehrten Ende einseitig in das Gehäuse 10 eingespannt und erstreckt sich etwa mittig durch die gesamte Ventilkammer 13 hindurch bis über den Ventilsitz 18 an der Kanalmündung 16 hinaus. Zum Einbau des Biegewandlers 20 ist das Gehäuse 10 zweiteilig aus einem oberen Gehäuseteil 101 und einen unteren Gehäuseteil 102 zusammengesetzt. Beide Gehäuseteile 101, 102 sind spiegelsymmetrisch ausgebildet und aufeinandergesetzt und längs ihrer Trennfuge dicht miteinander verbunden. In jedem Gehäuseteil 101, 102 ist ein Anschlußkanal 14 bzw. 15 mit Ventilanschluß 11 bzw. 12 und Kanalmündung 16 bzw. 17 angeordnet, sowie die Hälfte der Ventilkammer 13 ausgebildet. Zusätzlich ist im Ventilgehäuse 10 noch eine Aufnahmekammer 30 zur Aufnahme einer elektrischen Steuerschaltung 31 für den Biegewandler 20 vorgesehen, von welcher wiederum jeweils eine Hälfte in den Gehäuseteilen 101 und 102 ausgebildet ist. Die Bauelemente der Steuerschaltung 31 sind auf einer Leiterplatine 32 angeordnet, die in der Aufnahmekammer 30 festgespannt und mit zwei außen zugänglichen elektrischen Anschlüssen 33, 34 verbunden ist. An die elektrischen Anschlüsse 33, 34 wird üblicherweise die Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle 35 gelegt, die üblicherweise 24 V beträgt. Aus Isolationsgründen ist im Ausführungsbeispiel das Gehäuse 10 aus Kunststoff hergestellt, doch kann es auch aus einem anderen Material gefertigt werden.

Die einseitige Einspannung des Mehrschicht-Biegewandlers 20 wird durch zwei Gehäusevorsprünge 103, 104 bewerkstelligt, die jeweils an einem der Gehäuseteile 101, 102 ausgebildet sind. Der Biegewandler 20 liegt dabei mit seinen äußeren Belägen 24 unmittelbar an den Einspannflächen 103a und 104a der Gehäusevorsprünge 103, 104 an. Nach Einlegen des Biegewandlers 20 und kraftschlüssigem Verbinden der beiden Gehäuseteile 101 und 102 pressen sich die Einspannflächen 103a und 104a der Gehäusevorsprünge 103 und 104 unmittelbar auf die beiden Außenfläche des Mehrschicht-Biegewandlers 20 auf und klemmen diesen fest. Zur elektrischen Kontaktierung der metallischen Beläge 24, 25 der beiden Wandlerschichten 21, 22 des Biegewandlers 20 sind in den Einspannflächen 103a und 104a der Gehäusevorsprünge 103, 104 elektrische Kontaktflächen 36, 37 angeordnet, die beim Einspannen des Biegewandlers 20 die äußeren Beläge 24 der beiden Wandlerschichten 21, 22 unmittelbar kontaktieren. Die Kontaktflächen 36, 37 sind über im Gehäuse 10 verlaufende elektrische Verbindungsleitungen 38, 39 mit der Steuerschaltung 31 verbunden und dabei an das positive Potential der von der Steuerschaltung 31 erzeugten Steuerspannung angebunden. Eine weitere elektrische Verbindungsleitung 40 führt zu den beiden aufeinanderliegenden Belägen 25 der beiden Wandlerschichten 21, 22 und führt negatives Potential. Es ist selbstverständlich möglich, die beiden Beläge 25 durch eine einzige elektrisch leitfähige Schicht zu ersetzen.

Wird nunmehr der Mehrschicht-Biegewandler 20 von der Steuerspannung beaufschlagt, so liegt die Spannung in der unteren Wandlerschicht 22 des Biegewandlers 20 in Polarisationsrichtung (Fig. 3) und in der oberen Wandlerschicht 21 entgegen deren Polarisationsrichtung. Unter dem Einfluß der dadurch erzeugten elektrischen Felder erfährt die obere Wandlerschicht 21 eine Längung und die untere Wandlerschicht 22 eine Verkürzung, so daß sich der Mehrschicht-Biegewandler 20 nach unten krümmt. Das Ventilglied 19 setzt sich dadurch auf den Ventilsitz 18 auf und das Ventil schließt. Die Kennlinie des Biegewandlers F = f (s) ist als Gerade I in Fig. 4 dargestellt. F ist die Verstellkraft des Biegewandlers 20 und s die Auslenkung des freien Endes des Biegewandlers 20. Mit zunehmender Auslenkung s nimmt die Verstellkraft des Biegewandlers von der Klemmkraft F_K bis zu Null bei s_max ab. Mit s′ ist die Auslenkung des Biegewandlers 20 bezeichnet, die dem Schließhub des Fluidventils entspricht. Bei diesem Schließhub würde das Ventilglied 19 mit einer Schließkraft F* auf den Ventilsitz 18 aufgepreßt werden.

Um die Dichtigkeit des Fluidventils durch Erhöhung der Schließkraft zu verbessern, ist der Biegewandler 20 im Abstand von seiner durch die Gehäusevorsprünge 103, 104 festgelegten Einspannstelle zusätzlich am Gehäuse 10 gegen Ausschwenken zumindest auf einer Seite abgestützt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist die Abstützstelle hier nur durch einen Gehäusevorsprung 105 realisiert, der von dem oberen Gehäuseteil 101 in die Ventilkammer 13 hinein vorspringt und sich mit einer Abstützfläche 105a an die Oberseite des Biegewandlers 20 anlegt. In dieser Abstützfläche 105a ist wiederum eine Kontaktfläche 41 vorgesehen, welche den Belag 24 des Biegewandlers 20 kontaktiert. Diese Kontaktfläche 41 ist wiederum über eine elektrische Verbindungsleitung 42 mit der Steuerschaltung 31 verbunden, so daß auch über die Kontaktfläche 41 dem Biegewandler 20 eine elektrische Spannung zugeführt werden kann. Es kann auch noch oder statt dessen eine zweite Ab­ stützstelle auf der Seite vorgesehen sein, die gegenüberliegt.

In Fig. 5 sind schematisch die Verhältnisse beim Abstützen des Biegewandlers 20 am Gehäusevorsprung 105 dargestellt. 103, 104 bezeichnen die Einspannstelle und 105 die Abstützstelle des Biegewandlers 20 mit der Länge l, wobei die Abstützstelle 105 im Abstand a vom freien Ende des Biegewandlers 20 liegt. Wie aus der in Fig. 5 angegebenen Gleichung hervorgeht, beträgt die maximale Auslenkung des abgestützten Biegewandlers 20 jetzt s = a² × s_max / l², wobei s_max die maximale Auslenkung des Biegewandlers 20 ohne Abstützung ist. Der Effekt dieser Abstützung des Biegewandlers 20 ist aus Fig. 4 zu ersehen. Die Kennlinie des Biegewandlers 20 ist nun von der Geraden I zur Geraden II in Fig. 4 transformiert. Die Klemmkraft F_K des abgestützten Biegewandlers 20 ist doppelt so groß und die maximale Auslenkung beträgt nur noch die Hälfte der Auslenkung s_max bei nicht abgestütztem Biegewandler 20. Um diese Kennlinie II zu realisieren, muß nach der in Fig. 5 angegebenen Gleichung der Abstand a der Abstützung 105 vom freien Ende des Biegewandlers 20 a = 1/√ betragen.

Claims (5)

1. Piezoelektrisch betätigtes Fluidventil mit einem eine Ventilkammer (13) aufweisenden Ventilgehäuse (10), mit mindestens einem in der Ventilkammer (13) mündenden Anschlußkanal (14), mit einem die Kanalmündung (16) umgebenden Ventilsitz (18), der mit einem Ventilglied (19) zum Schließen und Freigeben der Kanalmündung (16) zusammenwirkt, und mit einem piezoelektrischen Mehrschicht-Biegewandler (20), der einseitig im Ventilgehäuse (10) eingespannt ist und an oder nahe seinem von der Einspannstelle (103, 104) abgekehrten freien Ende das Ventilglied (19) trägt und so ausgebildet ist, daß er bei Anlegen einer elektrischen Spannung das Ventilglied (19) relativ zum Ventilsitz (18) verschwenkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegewandler (20) im Abstand von seiner Einspannstelle (103, 104) zusätzlich am Ventilgehäuse (10) gegen Ausschwenken abgestützt ist (Abstützstelle 105), und zwar zumindest auf einer Seite.

2. Fluidventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den einander gegenüberliegenden Einspannflächen (103a, 104a) der Einspannstelle (103, 104) und/oder in der am Biegewandler (20) anliegenden Abstützfläche (105a) der Abstützstelle (105) jeweils eine elektrische Kontaktfläche (36, 37, 41) angeordnet ist, die einen von mehreren elektrisch leitfähigen Belägen (24), welche eine Piezokeramik (23) bildende Wandlerschichten (21, 22) beidseitig überziehen, kontaktiert und über eine im Ventilgehäuse (10) verlaufende elektrische Verbindungsleitung (38, 39, 42) mit einer elektrischen Schaltung (31) zur Erzeugung einer elektrischen Spannung am Biegewandler (20) verbunden ist.

3. Fluidventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltung (31) im Ventilgehäuse (10) aufgenommen und mit zwei am Ventilgehäuse (10) außen zugänglichen elektrischen Anschlüssen (33, 34) verbunden ist.

4. Fluidventil, insbesondere nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (19) von einer auf die Oberfläche des Biegewandlers (20) aufgebrachten planen Dichtschicht (28) mit extrem niedriger Rauhigkeit gebildet ist.

5. Fluidventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die plane Dichtschicht (28) im Siebdruckverfahren aufgebracht und anschließend poliert wird.