DE20116515U1 - Actuator and valve equipped with it - Google Patents
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Description
G 19669 - lemh 14. August 2001G 19669 - lemh August 14, 2001
FESTO AG & Co. 73734 Esslinaen Aktor und damit ausgestattetes VentilFESTO AG & Co. 73734 Esslinaen Actuator and valve equipped with it
Die Erfindung betrifft einen Aktor zum wahlweisen Positionieren und Entfernen einer Wirkfläche in bzw. aus einer Wirkposition. Ferner betrifft die Erfindung ein mit einem derartigen Aktor ausgestattetes Ventil.The invention relates to an actuator for selectively positioning and removing an active surface in or from an active position. The invention further relates to a valve equipped with such an actuator.
Aus der DE 37 38 630 C2 gehen mehrere Bauformen von Ventilen hervor, bei denen das Ventilglied als piezoelektrischer Biegeaktor ausgebildet ist. In einem Falle ist seitlich am Biegeaktor eine Wirkfläche angeordnet, die mehr oder weniger weit an eine Düse angenähert werden kann, um entsprechend der jeweils eingenommenen Wirkposition einen mehr oder weniger großen Strömungswiderstand hervorzurufen. Bedingt durch die relativ geringen Kräfte des Biegeaktors können allerdings nur verhältnismäßig geringe Düsennennweiten gesteuert werden. Außerdem muss der Biegeaktor einen Mindesthub über der Düsenöffnung leisten, um bei Bedarf einen möglichst großen Strömungsquerschnitt zu ermöglichen.DE 37 38 630 C2 describes several types of valves in which the valve element is designed as a piezoelectric bending actuator. In one case, an effective surface is arranged on the side of the bending actuator, which can be brought closer or closer to a nozzle in order to create a greater or lesser flow resistance depending on the respective effective position. Due to the relatively low forces of the bending actuator, however, only relatively small nozzle nominal widths can be controlled. In addition, the bending actuator must achieve a minimum stroke above the nozzle opening in order to enable the largest possible flow cross-section when required.
Bei einer anderen Ausführungsform des bekannten Ventils sitzt die Wirkfläche an einer Stirnseite des Biegeaktors. Die Biegebewegung verläuft somit nicht mehr in der Ausströmrichtung des Fluides, sondern quer dazu. Auf diese Weise kann bei Ein-In another embodiment of the known valve, the effective surface is located on one end of the bending actuator. The bending movement therefore no longer runs in the outflow direction of the fluid, but rather perpendicular to it. In this way, when
nähme der Wirkposition eine höhere Gegenkraft bezüglich dem ausströmenden Fluid aufgebaut werden. Allerdings ist es mit dieser Ausführungsform aufgrund des zu gewährleistenden Bewegungsspiels nicht ohne weiteres möglich, in der Wirkposition ein dichtes Verschließen einer Ventilöffnung hervorzurufen.When the valve is in the active position, a higher counterforce can be built up with respect to the outflowing fluid. However, due to the movement play that must be ensured, this design does not make it possible to seal a valve opening tightly in the active position.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Aktor zu schaffen, dessen Wirkfläche bei guter Positioniermöglichkeit hohe Kräfte aufnehmen kann. Ferner soll ein mit einem derartigen Aktor ausgestattetes Ventil vorgeschlagen werden.The object of the present invention is to create an actuator whose effective surface can absorb high forces while allowing good positioning. Furthermore, a valve equipped with such an actuator is to be proposed.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Aktor zum wahlweisen Positionieren und Entfernen einer Wirkfläche in bzw. aus einer Wirkposition, der gekennzeichnet ist durch eine Ausgestaltung als kombinierter Biege- und Translationsaktor zum Erzeugen von sowohl einer Linearbewegung als auch einer quer zu der Linearbewegung verlaufenden Schwenkbewegung der Wirkfläche.This object is achieved with an actuator for selectively positioning and removing an active surface in or from an active position, which is characterized by a design as a combined bending and translation actuator for generating both a linear movement and a pivoting movement of the active surface running transversely to the linear movement.
Zur Lösung der Aufgabe ist ferner ein Ventil vorgesehen, dessen Ventilglied von einem Aktor des vorgenannten Aufbaues gebildet ist.To achieve the object, a valve is further provided whose valve member is formed by an actuator of the aforementioned structure.
Die Ausgestaltung des Aktors als kombinierter Biege- und Tranlationsaktor ermöglicht eine sehr flexible Positionierung der Wirkfläche. Es ist beispielsweise möglich, die Wirkfläche dadurch aus der Wirkposition zu entfernen, dass sie zunächst in linearer Richtung verlagert und anschließend quer dazu verschwenkt wird. Ein solches Betriebsverhalten lässt sichThe design of the actuator as a combined bending and translation actuator enables a very flexible positioning of the active surface. For example, it is possible to remove the active surface from the active position by first moving it in a linear direction and then pivoting it transversely to it. Such an operating behavior can be
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vor allem im Zusammenhang mit zur Fluidsteuerung verwendeten Ventilen vorteilhaft einsetzen. So kann beispielsweise die Wirkposition dadurch definiert sein, dass die Wirkfläche eine Ventilöffnung überdeckt und einem ausströmenden Fluid entgegengerichtet ist, wobei sie insbesondere nach Art eines Sitzventils ein Verschließen der Ventilöffnung hervorrufen kann. Der Translationsaktor gestattet hierbei die Aufbringung hoher Haltekräfte. Zum Freigeben der Ventilöffnung kann die Wirkfläche durch Erzeugen einer Linearbewegung zunächst von der Ventilöffnung weiter abgehoben werden, um anschließend durch eine Schwenkbewegung zur Seite weggeschwenkt zu werden, so dass die Ventilöffnung komplett freigegeben ist. Zusammenfassend liegt ein Aktor vor, der bei entsprechender Ansteuerung sowohl hohe Stellkräfte als auch vielfältige Bewegungsmuster der Wirkfläche ermöglicht.particularly advantageous in connection with valves used for fluid control. For example, the active position can be defined by the active surface covering a valve opening and facing the outflowing fluid, whereby it can cause the valve opening to close, particularly in the manner of a seat valve. The translation actuator allows high holding forces to be applied. To release the valve opening, the active surface can first be lifted further away from the valve opening by generating a linear movement, and then pivoted away to the side by a pivoting movement so that the valve opening is completely released. In summary, this is an actuator which, when controlled accordingly, enables both high actuating forces and a wide variety of movement patterns of the active surface.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Advantageous further developments of the invention emerge from the subclaims.
Der Aktor kann prinzipiell so ausgeführt sein, dass die Linearbewegung und die Schwenkbewegung nacheinander ablaufen. Als vorteilhafter wird jedoch eine Bauform gesehen, die einen überlagerten Ablauf der Linearbewegung und Schwenkbewegung gestattet, was es in der Regel ermöglicht, die Wirkfläche in kürzerer Zeit zwischen zwei Stellungen zu verbringen.In principle, the actuator can be designed so that the linear movement and the swivel movement take place one after the other. However, a design that allows the linear movement and swivel movement to take place in parallel is seen as more advantageous, which generally makes it possible to move the active surface between two positions in a shorter time.
Der Aktor verfügt vorzugsweise über ein zur ortsfesten Fixierung dienendes Befestigungsende und ein entgegengesetztes,The actuator preferably has a fastening end for fixed fixation and an opposite,
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mit der Wirkfläche ausgestattetes Arbeitsende. Im Zusammenhang mit einem Ventil kann das Befestigungsende am Ventilgehäuse fixiert sein.working end equipped with the effective surface. In connection with a valve, the fastening end can be fixed to the valve housing.
In bevorzugter Ausgestaltung verfügt der Aktor über wenigstens zwei miteinander bewegungsgekoppelte Aktorabschnitte, weil ein Aktorabschnitt von einem die Linearbewegung hervorrufenden Translationsantrieb und ein anderer Aktorabschnitt von einem die Schwenkbewegung hervorrufenden Biegeantrieb gebildet ist. Es besteht insbesondere die Möglichkeit, die beiden Aktorabschnitte in Reihe zu schalten. Je nach Ausführungsform kann sich das Befestigungsende des Aktors am Translationsantrieb oder am Biegeantrieb befinden, wobei die Wirkfläche am jeweils anderen Antrieb vorgesehen ist.In a preferred embodiment, the actuator has at least two actuator sections that are motion-coupled to one another, because one actuator section is formed by a translation drive that causes the linear movement and another actuator section is formed by a bending drive that causes the pivoting movement. In particular, it is possible to connect the two actuator sections in series. Depending on the embodiment, the fastening end of the actuator can be located on the translation drive or on the bending drive, with the active surface being provided on the other drive.
Der Aktor kann insgesamt stab-, säulen- oder streifenförmig gestaltet sein. Bevorzugt hat er Längserstreckung, wobei die Wirkfläche insbesondere an einer Stirnseite platziert ist und wobei die Linearbewegungsrichtung mit der Richtung der Längserstreckung zusammenfällt.The actuator can be designed as a rod, column or strip. It preferably has a longitudinal extension, with the active surface being placed in particular on one end face and with the linear movement direction coinciding with the direction of the longitudinal extension.
Zweckmäßigerweise ist der Aktor ein Piezoaktor. Sowohl der Translationsantrieb als auch der Biegeantrieb kann auf piezoelektrischer Funktionsweise basieren. Für den Translationsantrieb empfiehlt sich ein Aufbau als piezoelektrischer Stapeltranslator, der zwar in der Regel nur einen geringen Hub zulässt, jedoch hohe Stellkräfte erzeugen kann.The actuator is preferably a piezo actuator. Both the translation drive and the bending drive can be based on piezoelectric functionality. For the translation drive, a structure as a piezoelectric stack translator is recommended, which generally only allows a small stroke but can generate high actuating forces.
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Für den Biegeantrieb empfiehlt sich eine Ausführung mit mindestens einem piezoelektrischen Biegeelement, beispielsweise in bimorpher Ausführung.For the bending drive, a design with at least one piezoelectric bending element, for example in a bimorph design, is recommended.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit für den Biegeantrieb besteht in der Kombination zweier parallel geschalteter piezoelektrischer Stapeltranslatoren, die zur Erzeugung von Zugkräften und/oder Druckkräften gleichzeitig gegensinnig betätigt werden können.A further advantageous design option for the bending drive consists in the combination of two piezoelectric stack translators connected in parallel, which can be operated simultaneously in opposite directions to generate tensile forces and/or compressive forces.
Wie schon erwähnt, empfiehlt sich der Aktor vor allem als Ventilglied in einem zur Fluidsteuerung dienenden Ventil, wobei die Wirkfläche vorgesehen ist, um in der Wirkposition eine Ventilöffnung zu verschließen.As already mentioned, the actuator is particularly recommended as a valve element in a valve used for fluid control, whereby the active surface is intended to close a valve opening in the active position.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Figuren 1 bis 5 zeigen jeweils, in schematischer Darstellung, eine Seitenansicht verschiedener Bauformen des erfindungsgemäßen Aktors in vorteilhafter Ausgestaltung als Bestandteil eines zur Fluidsteuerung dienenden Ventils.The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawing. Figures 1 to 5 each show, in a schematic representation, a side view of various designs of the actuator according to the invention in an advantageous embodiment as a component of a valve used for fluid control.
Die Figuren 1 bis 5 zeigen jeweils einen Ausschnitt eines in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichneten Ventils, das vorzugsweise rein piezoelektrisch betätigt wird, so dass man es auch als Piezoventil bezeichnen kann. Andere Betätigungsarten sind jedoch ebenfalls möglich.Figures 1 to 5 each show a section of a valve, designated in its entirety by reference number 1, which is preferably operated purely piezoelectrically, so that it can also be referred to as a piezo valve. However, other types of operation are also possible.
Das Ventil 1 verfügt über ein Ventilgehäuse 2, das wenigstens eine Ventilkammer 3 definiert, in dem ein Ventilglied 4 angeordnet ist.The valve 1 has a valve housing 2 which defines at least one valve chamber 3 in which a valve member 4 is arranged.
Das Ventilglied 4 verfügt über einen beweglichen Steuerabschnitt 5, der eine Wirkfläche 6 definiert. Diese WirkflächeThe valve member 4 has a movable control section 5 which defines an effective area 6. This effective area
6 kann wahlweise in einer Wirkposition 7 positioniert oder aus dieser Wirkposition 7 entfernt werden.6 can optionally be positioned in an effective position 7 or removed from this effective position 7.
Beim Ausführungsbeispiel ist die Wirkposition 7 eine Schließposition, in der die Wirkfläche 6 eine Ventilöffnung 8 des Ventils 1 verschließt. Das Ventil 1 ist insbesondere als Sitzventil ausgebildet und verfügt über einen die Ventilöffnung 8 umschließenden Ventilsitz 12, an dem die Wirkfläche 6 in der Wirkposition 7 dichtend anliegt. Dadurch wird ein Einströmen eines Fluides in die Ventilkammer 3 durch die Ventil-Öffnung 8 hindurch verhindert.In the embodiment, the active position 7 is a closed position in which the active surface 6 closes a valve opening 8 of the valve 1. The valve 1 is designed in particular as a seat valve and has a valve seat 12 which surrounds the valve opening 8 and against which the active surface 6 rests in a sealing manner in the active position 7. This prevents a fluid from flowing into the valve chamber 3 through the valve opening 8.
Durch entsprechende Betätigung des Ventilgliedes 4 kann die Wirkfläche 6 auch in einer oder mehreren aus der WirkpositionBy appropriate actuation of the valve member 4, the effective surface 6 can also be moved in one or more positions
7 entfernten Positionen positioniert werden. Eine mögliche dieser weiteren Positionen der Wirkfläche 6 ist in Figuren 1 und 2 gezeigt und sei als Freigabeposition 13 bezeichnet. Die Wirkfläche 6 ist hier vom Ventilsitz 12 abgehoben und gibt die Ventilöffnung 8 frei, so dass ein Fluid in der Lage ist, durch die Ventilöffnung 8 in die Ventilkammer 3 einzuströmen.7. One possible further position of the active surface 6 is shown in Figures 1 and 2 and is referred to as the release position 13. The active surface 6 is here lifted from the valve seat 12 and releases the valve opening 8 so that a fluid is able to flow through the valve opening 8 into the valve chamber 3.
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Die Ventilöffnung 8 gehört zu einem ersten Fluidkanal 14, der die Wandung des Ventilgehäuses 2 durchsetzt. Er kann mit einer nicht näher dargestellten externen Fluidquelle in Verbindung stehen.The valve opening 8 belongs to a first fluid channel 14 which passes through the wall of the valve housing 2. It can be connected to an external fluid source (not shown in detail).
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Ventils 1 als 2/2-Wegeventil, führt in die Ventilkammer 3 mindestens ein weiterer, nicht näher dargestellter Fluidkanal, der mit einem anzusteuernden Verbraucher verbindbar ist, beispielsweise mit einem fluidisch betätigbaren Antrieb. Es kann dann, je nach Stellung des Ventilgliedes 4, eine Fluidverbindung zwischen der Fluidquelle und dem Antrieb hergestellt oder unterbrochen werden.In a preferred embodiment of the valve 1 as a 2/2-way valve, at least one further fluid channel (not shown in detail) leads into the valve chamber 3, which can be connected to a consumer to be controlled, for example to a fluidically actuated drive. Depending on the position of the valve member 4, a fluid connection between the fluid source and the drive can then be established or interrupted.
Das Ventil 1 kann allerdings auch über eine andere Funktionalität verfügen und beispielsweise ein 3/2-Wegeventil sein. Es enthält dann wenigsten eine weitere zu steuernde Ventilöffnung, der zweckmäßigerweise ein weiteres Ventilglied der hier beschriebenen Art zugeordnet ist.However, valve 1 can also have a different functionality and be a 3/2-way valve, for example. It then contains at least one further valve opening to be controlled, to which a further valve element of the type described here is expediently assigned.
Bei dem zu steuernden Fluid kann es sich um ein gasförmiges Fluid, beispielsweise Druckluft, oder um ein hydraulisches Fluid, beispielsweise Wasser oder Öl, handeln.The fluid to be controlled can be a gaseous fluid, such as compressed air, or a hydraulic fluid, such as water or oil.
Das Ventilglied 4 besteht bei allen Ausführungsbeispielen aus einem mit der Wirkfläche 6 ausgestatteten Aktor in Gestalt eines kombinierten Biege- und Translationsaktors 15. Dieser ist in der Lage, bei entsprechender Ansteuerung sowohl eineIn all embodiments, the valve member 4 consists of an actuator equipped with the effective surface 6 in the form of a combined bending and translation actuator 15. This is capable of both a
Linearbewegung 16 als auch eine quer zu der Linearbewegung 16 verlaufende Schwenkbewegung 17 der Wirkfläche 6 hervorzurufen. Linear movement 16 as well as a pivoting movement 17 of the active surface 6 running transversely to the linear movement 16.
Vorteilhafterweise ist es möglich, die Linearbewegung 16 und Schwenkbewegung 17 überlagert auszuführen, so dass die Bewegungsbahn der Wirkfläche 6 sehr variabel vorgegeben werden kann. Gleichwohl besteht aber auch die Möglichkeit, die Linearbewegung 16 und Schwenkbewegung 17 zeitlich aufeinanderfolgend vorzunehmen. Die weitere Beschreibung orientiert sich an einer solchen Bewegungsabfolge, wobei aber, wie gesagt, auch eine zumindest phasenweise Überlagerung der Bewegungen möglich ist.It is advantageously possible to carry out the linear movement 16 and the swivel movement 17 in a superimposed manner, so that the movement path of the active surface 6 can be specified in a very variable manner. However, it is also possible to carry out the linear movement 16 and the swivel movement 17 in succession. The further description is based on such a sequence of movements, although, as mentioned, it is also possible to superimpose the movements at least in phases.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass der kombinierte Biege- und Translationsaktor 15 Längserstreckung besitzt. Sein eines stirnseitiges Ende ist eine Befestigungsende 18, mit dem er gehäusefest fixiert ist. Ausgehend von dem Befestigungsende 18 erstreckt sich der Biege- und Translationsaktor 15 vorzugsweise frei auskragend und ohne weitere Befestigung bis hin zu seinem entgegengesetzten stirnseitigen Ende, an dem die Wirkfläche 6 vorgesehen ist und das als zusammen mit der Wirkfläche 6 bewegbares Arbeitsende 22 bezeichnet sei.What all embodiments have in common is that the combined bending and translation actuator 15 has a longitudinal extension. One of its front ends is a fastening end 18, with which it is fixed to the housing. Starting from the fastening end 18, the bending and translation actuator 15 preferably extends freely cantilevered and without further fastening to its opposite front end, on which the active surface 6 is provided and which is referred to as the working end 22 that can be moved together with the active surface 6.
Allen Ausführungsbeispielen ist ferner gemeinsam, dass der Biege- und Translationsaktor 15 jeweils zwei miteinander bewegungsgekoppelte Aktorabschnitte 23a, 23b aufweist, die inAll embodiments also have in common that the bending and translation actuator 15 has two actuator sections 23a, 23b which are coupled to one another in terms of movement and which
der Richtung der Längserstreckung des Biege- und Translationsaktors 15 aufeinanderfolgend angeordnet sind, so dass man von einer Reihenschaltung sprechen kann. Der eine Aktorabschnitt 23a ist von einem die Linearbewegung 16 hervorrufenden Translationsantrieb 24 gebildet, der andere Aktorabschnitt 23b von einem die Schwenkbewegung 17 hervorrufenden Biegeantrieb 25. Die Linearbewegung 16 verläuft in Richtung der Längserstreckung des Biege- und Translationsaktors 15.the direction of the longitudinal extension of the bending and translation actuator 15 are arranged one after the other, so that one can speak of a series connection. The one actuator section 23a is formed by a translation drive 24 causing the linear movement 16, the other actuator section 23b by a bending drive 25 causing the pivoting movement 17. The linear movement 16 runs in the direction of the longitudinal extension of the bending and translation actuator 15.
Bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 3 bis 5 befindet sich das Befestigungsende 18 am Biegeantrieb 25 und die Wirkfläche 6 am Translationsantrieb 24. Beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 liegt eine umgekehrte Anordnung vor.In the embodiments of Figures 1 and 3 to 5, the fastening end 18 is located on the bending drive 25 and the active surface 6 is located on the translation drive 24. In the embodiment of Figure 2, the arrangement is reversed.
Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass sowohl der Translationsantrieb 24 als auch der Biegeantrieb 25 von einem piezoelektrischen Antrieb gebildet ist. Zur Betätigung eines jeweiligen Antriebes wird eine mehr oder weniger große Spannung angelegt, die die gewünschte Auslenkung oder Translation aufgrund einer Verformung des vorhandenen piezoelektrischen Materials zur Folge hat. Es wäre jedoch prinzipiell möglich, auch auf andere Antriebsprinzipien zurückzugreifen, beispielsweise solche, die auf fluidischer Betätigungskraft basieren. What all embodiments have in common is that both the translation drive 24 and the bending drive 25 are formed by a piezoelectric drive. To actuate a respective drive, a more or less high voltage is applied, which results in the desired deflection or translation due to a deformation of the existing piezoelectric material. In principle, however, it would also be possible to use other drive principles, for example those based on fluidic actuation force.
Bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 2 hat der Biege- und Translationsaktor 15 eine stab-, säulen- oderIn the embodiments of Figures 1 and 2, the bending and translation actuator 15 has a rod, column or
streifenförmige Ausgestaltung. Die beiden Aktorabschnitte 23a, 23b sind in der Längsrichtung des Biege- und Translationsaktors 15 aufeinanderfolgend angeordnet und unmittelbar aneinander angesetzt· Beim Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist das dem Arbeitsende 22 entgegengesetzte rückwärtige Ende 26a des Translationsantriebes 24 mit dem dem Befestigungsende 18 entgegengesetzten vorderen Ende 26b des Biegeantriebes 25 fest verbunden. Beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist das dem Befestigungsende 18 entgegengesetzte vordere Ende 27a des Translationsantriebes 24 mit dem dem Arbeitsende 22 entgegengesetzten rückwärtigen Ende 27b des Biegeantriebes 25 fest verbunden.strip-shaped design. The two actuator sections 23a, 23b are arranged one after the other in the longitudinal direction of the bending and translation actuator 15 and are placed directly next to one another. In the embodiment of Figure 1, the rear end 26a of the translation drive 24 opposite the working end 22 is firmly connected to the front end 26b of the bending drive 25 opposite the fastening end 18. In the embodiment of Figure 2, the front end 27a of the translation drive 24 opposite the fastening end 18 is firmly connected to the rear end 27b of the bending drive 25 opposite the working end 22.
Der Translationsantrieb 24 ist bei den Ausführungsbeispielen der Figuren l und 2 von einem piezoelektrischen Stapeltranslator gebildet. Der Biegeantrieb 25 besteht aus einem piezoelektrischen Biegeelement.In the embodiments of Figures 1 and 2, the translation drive 24 is formed by a piezoelectric stack translator. The bending drive 25 consists of a piezoelectric bending element.
Die Längenabmessungen der Aktorabschnitte 23a, 23b sind zweckmäßigerweise so gewählt, dass im elektrisch unerregten Zustand und bei in der Wirkposition 7 befindlicher Wirkfläche 6 eine axiale Druckkraft aufgebaut ist, mit der die Wirkfläche 6 gegen den Ventilsitz 12 mechanisch vorgespannt wird. Der Biege- und Translationsaktor 15 stützt sich praktisch mit seinem Befestigungsende 18 und seinem Arbeitsende 22 am Ventilgehäuse 2 ab.The length dimensions of the actuator sections 23a, 23b are expediently selected such that in the electrically unexcited state and with the active surface 6 in the active position 7, an axial pressure force is built up with which the active surface 6 is mechanically prestressed against the valve seat 12. The bending and translation actuator 15 is practically supported with its fastening end 18 and its working end 22 on the valve housing 2.
Um ausgehend von dieser Wirkposition 7 die Wirkfläche 6 in die Freigabeposition 13 zu verlagern, wird zunächst der Translationsantrieb 24 aktiviert. Dies führt zu einer Verkürzung des Translationsantriebes 24 und folglich zu einem Abheben der Wirkfläche 6 vom Ventilsitz 12. Anschließend wird durch Aktivierung des Biegeantriebes 25 die Schwenkbewegung 17 hervorgerufen, bei der die Wirkfläche 6 aus der bis dahin noch der Ventilöffnung 8 axial gegenüberliegenden abgehobenen Position in die aus Figuren 1 und 2 ersichtliche seitwärts ausgeschwenkte Freigabeposition 13 verbracht wird. Die Ventilöffnung 8 ist nun maximal freigegeben.In order to move the active surface 6 from this active position 7 into the release position 13, the translation drive 24 is first activated. This leads to a shortening of the translation drive 24 and consequently to a lifting of the active surface 6 from the valve seat 12. The pivoting movement 17 is then caused by activating the bending drive 25, during which the active surface 6 is moved from the raised position, which was previously axially opposite the valve opening 8, into the sideways pivoted release position 13 shown in Figures 1 and 2. The valve opening 8 is now maximally released.
Soll die Ventilöffnung 8 wieder verschlossen werden, finden die erläuterten Bewegungsabläufe in umgekehrter Reihenfolge statt. Zunächst wird durch den Biegeantrieb 25 die Wirkfläche 6 wieder in die der Ventilöffnung axial gegenüberliegende Position verbracht, wobei noch kein Kontakt zum Ventilsitz 12 vorliegt, weil der Translationsantrieb 24 noch in der Länge verkürzt ist. Erst anschließend wird durch entsprechende Betätigung des Translationsantriebes 24 quasi eine lineare Ausfahrbewegung der Wirkfläche 6 hervorgerufen, bis letztere am Ventilsitz 12 zur Anlage gelangt.If the valve opening 8 is to be closed again, the movement sequences described take place in reverse order. First, the bending drive 25 moves the effective surface 6 back into the position axially opposite the valve opening, whereby there is still no contact with the valve seat 12 because the translation drive 24 is still shortened in length. Only then is a linear extension movement of the effective surface 6 caused by the corresponding actuation of the translation drive 24 until the latter comes to rest on the valve seat 12.
Es ist offensichtlich, dass bei einem derartigen Biege- und Translationsaktor 15 hohe Schließkräfte erzeugbar sind, da die im Bereich der Ventilöffnung 8 auf die Wirkfläche 6 einwirkenden Fluidkräfte in der Längsrichtung des Biege- und Translationsaktor 15 aktiv sind, in der der Aktor eine sehrIt is obvious that with such a bending and translation actuator 15, high closing forces can be generated, since the fluid forces acting on the effective surface 6 in the area of the valve opening 8 are active in the longitudinal direction of the bending and translation actuator 15, in which the actuator has a very
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hohe Drucksteifigkeit besitzt. Ferner ist ersichtlich, dass aufgrund der möglichen Schwenkbewegung bei Bedarf eine optimale Freigabe der Ventilöffnung 8 möglich ist, um eine ungestörte Fluidströmung zuzulassen.has high pressure stiffness. It is also clear that due to the possible pivoting movement, an optimal release of the valve opening 8 is possible when required in order to allow an undisturbed fluid flow.
Den Ausführungsbeispielen der Figuren 3, 4 und 5 ist gemeinsam, dass sämtliche Aktorabschnitte 23a, 23b aus Stapeltranslatoren aufgebaut sind.The embodiments of Figures 3, 4 and 5 have in common that all actuator sections 23a, 23b are constructed from stack translators.
Der Translationsantrieb 24 besteht hier aus einem einzigen Stapeltranslator, wie dies auch beim Ausführungsbeispiel der Figur 1 der Fall ist. Der Biegeantrieb 25 setzt sich hingegen jeweils aus zwei parallel geschalteten und längsseits nebeneinander angeordneten piezoelektrischen Stapeltranslatoren 28a, 28b zusammen. Diese sind jeweils einenends am Gehäuse befestigt und tragen andernends den Translationsantrieb 24. Die beiden Stapeltranslatoren 28a, 28b sind zweckmäßigerweise durch geeignete Spannmittel in Längsrichtung vorgespannt, insbesondere mit der gleichen Kraft.The translation drive 24 here consists of a single stack translator, as is also the case in the embodiment of Figure 1. The bending drive 25, on the other hand, consists of two piezoelectric stack translators 28a, 28b connected in parallel and arranged side by side. These are each attached to the housing at one end and carry the translation drive 24 at the other end. The two stack translators 28a, 28b are expediently pre-tensioned in the longitudinal direction by suitable tensioning means, in particular with the same force.
Bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 3 und 4 sind die beiden Stapeltranslatoren 28a, 28b relativ weit zueinander beabstandet. Eine längsseitige Berührung liegt nicht vor. An den dem Befestigungsende 18 entgegengesetzten vorderen Enden 32 sind die Stapeltranslatoren 28a, 28b durch ein starres Verbindungsteil 33, insbesondere jochartig, miteinander verbunden. Der Translationsantrieb 24 ist mittig zwischen den beiden vorderen Enden 32 an dem Verbindungsteil 33 gehalten.In the embodiments of Figures 3 and 4, the two stack translators 28a, 28b are relatively far apart from one another. There is no longitudinal contact. At the front ends 32 opposite the fastening end 18, the stack translators 28a, 28b are connected to one another by a rigid connecting part 33, in particular in a yoke-like manner. The translation drive 24 is held centrally between the two front ends 32 on the connecting part 33.
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Die Stapeltranslatoren 28a, 28b sind nun so ausgebildet, dass durch Anlegen einer entsprechend polarisierten Spannung jeweils entweder eine Verlängerung oder Verkürzung hervorgerufen werden kann. Ferner ist eine Betätigung möglich, bei der gleichzeitig eine gegensinnige Aktivierung erfolgt, so dass also bei Verkürzung des einen Stapeltranslators eine gleichzeitige Verlängerung des anderen Stapeltranslators stattfindet. Dadurch kann der Biege- und Translationsaktor 15 insgesamt seitlich verkippt werden, woraus die erwähnte Schwenkbewegung 17 der Wirkfläche 6 resultiert.The stack translators 28a, 28b are now designed in such a way that by applying a correspondingly polarized voltage, either an extension or a shortening can be brought about. Furthermore, an actuation is possible in which an opposite activation takes place at the same time, so that when one stack translator is shortened, the other stack translator is simultaneously extended. As a result, the bending and translation actuator 15 as a whole can be tilted sideways, which results in the aforementioned pivoting movement 17 of the active surface 6.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 4 zeigt exemplarisch eine mögliche Ausführungsform der oben erwähnten Spannmittel in Gestalt eines länglichen Spannelementes 34, das zwischen den beiden Stapeltranslatoren 28a, 28b angeordnet ist und sich dort, vorzugsweise in zu den Stapeltranslatoren 28a, 28b paralleler Erstreckungsrichtung, zwischen dem Verbindungsteil 33 und demjenigen Bereich des Ventilgehäuses 2 erstreckt, an dem auch das Befestigungsende 18 verankert ist.The embodiment of Figure 4 shows an example of a possible embodiment of the above-mentioned clamping means in the form of an elongated clamping element 34 which is arranged between the two stack translators 28a, 28b and extends there, preferably in a direction parallel to the stack translators 28a, 28b, between the connecting part 33 and that region of the valve housing 2 to which the fastening end 18 is also anchored.
Das Spannelement 34 ist ausreichend starr, um die vom Translationsantrieb 24 aufgebrachten Kräfte aufzunehmen, verfügt jedoch gleichzeitig über eine ausreichende Materialelastizität, um eine seitliche Auslenkung zum Erhalt der Schwenkbewegung 17 zu ermöglichen. Das Spannelement 34 greift jeweils an beiden Stirnseiten der Stapeltranslatoren 28a, 28b an und beaufschlagt diese mit einer Druckspannung.The clamping element 34 is sufficiently rigid to absorb the forces applied by the translation drive 24, but at the same time has sufficient material elasticity to enable lateral deflection to maintain the pivoting movement 17. The clamping element 34 engages both end faces of the stack translators 28a, 28b and applies a compressive stress to them.
Der Aufbau des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 5 entspricht prinzipiell demjenigen aus Figur 3, doch sind hier die beiden Stapeltranslatoren 28a, 28b zu einer Baueinheit zusammengefasst, so dass besonders kompakte Abmessungen möglich sind. In Figuren 3 und 5 sind die Spannmittel integriert und daher nicht sichtbar.The structure of the embodiment according to Figure 5 corresponds in principle to that of Figure 3, but here the two stack translators 28a, 28b are combined to form a single structural unit, so that particularly compact dimensions are possible. In Figures 3 and 5 the clamping means are integrated and therefore not visible.
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