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WO2000036657A1 - Piezoelektrischer aktor - Google Patents

Piezoelektrischer aktor Download PDF

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WO2000036657A1
WO2000036657A1 PCT/DE1999/003873 DE9903873W WO0036657A1 WO 2000036657 A1 WO2000036657 A1 WO 2000036657A1 DE 9903873 W DE9903873 W DE 9903873W WO 0036657 A1 WO0036657 A1 WO 0036657A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
actuator
piezoelectric actuator
actuator body
piezoelectric
heat sink
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE1999/003873
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rudolf Heinz
Bertram Sugg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to US09/622,027 priority Critical patent/US6333587B1/en
Priority to EP99964392A priority patent/EP1053569A1/de
Priority to KR1020007008792A priority patent/KR20010040885A/ko
Priority to JP2000588814A priority patent/JP2002532658A/ja
Publication of WO2000036657A1 publication Critical patent/WO2000036657A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/005—Arrangement of electrical wires and connections, e.g. wire harness, sockets, plugs; Arrangement of electronic control circuits in or on fuel injection apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators

Definitions

  • the invention is based on a piezoelectric actuator, in particular for actuating control valves or injection valves on internal combustion engines in motor vehicles, with a piezoelectric actuator body, in particular in the form of a multi-layer laminate of layers of piezoelectric material stacked on top of one another and metallic or electrically conductive layers in between, serving as electrodes, one of which being a the end faces of the actuator body is fixed to a heat-conducting or metallic actuator foot.
  • Such a piezoelectric actuator is known for example from DE 196 50 900 AI from Robert Bosch GmbH.
  • piezoelectric actuators can be used, for example, for injection valves in a motor vehicle engine and in brake systems with an anti-lock braking system and anti-slip controls.
  • Such injection valves equipped with piezoelectric actuators have an injection nozzle controlled by a plunger-like closure element.
  • a nozzle-side active surface is arranged on the tappet, which is dependent on the pressure of the the fuel supplied to the nozzle is acted upon, the pressure forces trying to urge the tappet in the opening direction of the closure member.
  • the plunger protrudes into a control chamber with a plunger-like end, the cross section of which is larger than the aforementioned active surface.
  • the thorn effective pressure tries to move the plunger in the closing direction of the closure member.
  • the control chamber is connected to the fuel supply under high pressure via an inlet throttle and to an only low pressure fuel return line via an outlet valve which is generally throttled or combined with an outlet throttle.
  • piezoelectric actuators can switch faster.
  • the ceramic materials of the piezoceramic have poor thermal conductivity, long actuators whose length is longer than theirs Width, the derivation within the actuator body consisting essentially of ceramic material is unfavorable.
  • a piezoelectric actuator according to the invention thus avoids overheating due to the power loss of the same, does not require liquid cooling media and does not require the seals and coolant paths required for this, so that leakage of such coolants is not possible and the assembly of the piezoelectric actuator is simplified and it can thus be manufactured inexpensively .
  • the invention resides in the fact that at least one heat sink with good thermal conductivity is connected to the side surfaces of the actuator body and to the actuator base in a highly heat conductive manner.
  • the electrical leads to the metallic or electrically conductive electrodes of the actuator body which is designed as a multilayer laminate, are guided to the actuator body only on two sides thereof, so that the two other opposite side surfaces of the actuator body remain free and can be connected to the heat sink or the heat sinks with good thermal conductivity.
  • the heat sink or heatsinks preferably consist of metal, particularly preferably of copper. Either two separate heat sinks or a single U-shaped heat sink, which is designed so that it is connected at the bottom portion of its U-shape to the front side of the actuator body facing the actuator foot, with the two opposite side surfaces of the
  • thermally conductive adhesive consists, for example, of a silicone elastomer, which is optionally filled with an electrically insulating, thermally conductive filler, for example with AlN or Al 2 0 3 .
  • the expansion or shrinkage of the actuator body caused when the electrical voltage is applied can be carried out without tearing the elastic, thermally conductive adhesive, the portions of the heat sink or the heat sink adjacent to the side surfaces of the actuator body can be undulating, that is to say in the form of a metallic wavy band.
  • the heat sink or heatsinks are soldered or welded to the actuator base or alternatively connected to the same by a silver conductive adhesive. As a result, the heat loss generated by the piezoelectric actuator is safely dissipated from the heat sink to the heat-conducting actuator foot.
  • the two end faces of which are pretensioned by a band spring, which are located along the side surfaces not covered by the heat sinks and at a distance from the actuator body, it is advisable to also use the band springs for heat dissipation, since these are also fixed on the actuator foot.
  • the gaps between the actuator body and the band springs are filled with thermally conductive elastomer, optionally with the addition of a thermally conductive filler.
  • the electrical connections of the electrodes of the piezoelectric actuator body can also be used for heat dissipation if these electrical connection lines have a sufficiently large line cross section.
  • heat sink or heatsinks are only exemplary and that other expedient shapes, for example in the case of actuator bodies with a round cross section, can be used.
  • Figure 1 shows schematically and in the form of a partial section a first embodiment of a piezoelectric actuator
  • FIG. 2 shows a cross section through the embodiment of the piezoelectric actuator according to the invention shown in FIG. 1 along the sectional plane II - II, and
  • FIG. 3.1-3.5 shows various further embodiments of the heat sink provided according to the invention.
  • Embodiments in the first exemplary embodiment of a piezoelectric actuator according to the invention shown as a partial section in the longitudinal direction in FIG Ring flange 10 and an actuator base 6 clamped by two corrugated spring strips 8.
  • the actuator body 1 with the corrugated spring straps 8 is seated in a metallic housing 3, on the underside of which terminals are connected for connection to electrode leads 7.
  • the actuator body 1 When the actuator body 1 is subjected to a pulsating electrical voltage at its electrodes, it performs pulsating strokes analogously, changing the distance between its end faces clamped between the ring flange 10 and the actuator foot 6 by the spring strips 8.
  • the heat generated during operation of the actuator can only be dissipated upward to a small extent through the ring flange 10 and the extension 12 of the plunger plate located underneath.
  • the dissipation of the heat within the ceramic of the actuator body 1 is unfavorable.
  • a metallic heat sink 5 which is preferably made of copper, is connected to the side faces of the actuator body 1 and to the actuator base 6 with good heat conductivity.
  • this good heat-conducting connection is implemented by a soldered or welded seam 11.
  • the same heat sink 5 is attached on the opposite side of the actuator body 1, which in Figure 1 is not visible.
  • the spaces between the perpendicular to the plane of the actuator body 1 and the spring bands 8 are filled with a thermally conductive elastomer 9, to which a thermally conductive filler is added.
  • the heat is additionally dissipated through the spring band 8 to the actuator base 6, to which the band springs 8 are connected in a heat-conducting manner.
  • FIG. 2 of the exemplary embodiment shown in FIG. 1 along the sectional plane II-II shown in FIG. 1 shows that the heat sink 5 has two opposite side faces of the
  • Actuator body 1 which here has a square cross section, are glued by an elastic, thermally conductive adhesive 4.
  • This thermally conductive adhesive 4 consists, for example, of silicone elastomer which is filled with a thermally conductive filler. Silicone elastomer has the advantage that it is highly elastic and thus elastically compensates for the strokes of the actuator body 1.
  • the cross-sectional view in FIG. 2 also shows that the electrode feed lines 7.1, 7.2 lead to the side surfaces of the actuator body 1, which are not covered by the heat sink 5.
  • Actuator base 6 arises, can vary, which is explained below with reference to FIGS. 3A-3E.
  • a left heat sink 5.1 and a right heat sink 5.2 are connected to the actuator base 6 in a heat-conducting manner by a soldered or welded connection 11.
  • a left heat sink 5.1 and a right heat sink 5.2 are each connected in a heat-conducting manner to the actuator foot 6 by a soldered or welded connection 11, but the lower sections of the heat sinks 5.1, 5.2 are angled outwards.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 3D differs from those described so far in that two
  • Heat sinks 5.1 and 5.2 are connected in a heat-conducting manner to the actuator base 6 by silver conductive adhesive 13.
  • a left heat sink 5.1 and a right heat sink 5.2 are in
  • an elastic, thermally conductive adhesive for example silicone elastomer, can be used to connect the or the
  • This silicone elastomer adhesive can be filled with heat-conductive filler.
  • the Band springs 8 are used for lateral heat dissipation from the actuator body 1 by filling the spaces between the actuator body 1 and the spring band 8 with thermally conductive elastomer.
  • the electrode lines 7 can also be used as a further additional heat dissipation option, provided that they have a sufficiently large cable cross section.
  • a piezoelectric actuator designed according to the invention can be used, for example, to actuate the injection valves for a common rail injection in diesel passenger cars or commercial vehicles.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor (1), insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem piezoelektrischen Aktorkörper (1), insbesondere in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten, wobei eine der Stirnseiten des Aktorkörpers (1) an einem gut wärmeleitenden oder metallischen Aktorfuss (6) festgelegt ist, wobei der piezoelektrische Aktor dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens ein gut wärmeleitfähiger Kühlkörper (5; 5.1, 5.2) gut wärmeleitend mit den Seitenflächen des Aktorkörpers (1) und mit dem Aktorfuss (6) verbunden ist.

Description

PIEZOELEKTRISCHER AKTOR
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem piezoelektrischen Aktor insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem piezoelektrischen Aktorkörper insbesondere in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten, wobei eine der Stirnseiten des Aktorkörpers an einem gut wärmeleitenden oder metallischen Aktorfuß festgelegt ist.
Ein derartiger piezoelektrischer Aktor ist zum Beispiel bekannt aus der DE 196 50 900 AI der Robert Bosch GmbH.
Wie allgemein bekannt, können piezoelektrische Aktoren zum Beispiel für Einspritzventile eines Kraftfahrzeugmotors sowie in Bremssystemen mit Antiblockiersystem und Antischlupfregelungen eingesetzt werden.
Derartige mit piezoelektrischen Aktoren ausgestattete Einspritzventile besitzen eine durch ein stößelartiges Verschlussorgan gesteuerte Einspritzdüse. Am Stößel ist eine düsenseitiσe Wirkfläche angeordnet, die vom Druck des der Düse zugeführten Kraftstoffs beaufschlagt wird, wobei die Druckkräfte den Stößel in Öffnungsrichtung des Verschlussorgar.es zu drängen suchen. Der Stößel ragt mit einem plungerartigen Ende, dessen Querschnitt größer ist als die vorgenannte Wirkfläche, in eine Steuerkammer hinein. Der dorn wirksame Druck sucht den Stößel in Schließrichtung des Verschlussorganes zu bewegen. Die Steuerkammer ist über eine Eingangsdrossel mit der unter hohem Druck stehenden Kraftstoffzufuhr und über ein in der Regel gedrosseltes bzw. mit einer Ausgangsdrossel kombiniertes Auslassventil mit einer nur geringen druckaufweisenden Kraftstoffrückführleitung verbunden. Bei geschlossenem Auslassventil steht in der Steuerkammer ein hoher Druck an, durch den der Stößel gegen den Druck an seiner düsenseitigen Wirkfläche in Schließrichtung des Verschlussorganes bewegt bzw. in Verschlussstellung gehalten wird. Beim Öffnen des Auslassventiles fällt der Druck in der Steuerkammer ab, wobei das Maß des Druckabfalles durch die Bemessung der Eingangsdrossel und des Drosselwiderstandes des geöffneten Ausgangsventiles bzw. der damit kombinierten Ausgangsdrossel bestimmt wird. Im Ergebnis vermindert sich der Druck in der Steuerkammer bei geöffnetem Auslassventil derart, dass der Stößel aufgrund der an seiner düsenseitigen Wirkfläche wirksamen Druckkräfte in Öffnungsrichtung des Verschlussorgans bewegt bzw. in Offenstellung gehalten wird.
Im Vergleich mit elektromagnetisch betätigten Einspritzventilen können piezoelektrische Aktoren schneller schalten. Allerdings muss beim Aufbau eines piezoelektrischen Aktors beachtet werden, dass durch innere Verluste im piezoelektrischen Körper des Aktors Verlustwärme entsteht, die abgeführt werden muss, damit sich der Aktor nicht überhitzt. Da die Keramikmaterialien der Piezokeramik eine schlechte Wärmeleitfähigkeit haben, ist bei langen Aktoren, deren Länge größer ist als ihre Breite, die Ableitung innerhalb des im wesentlichen aus Keramikmaterial bestehenden Aktorkörpers ungünstig.
Aufgaben und Vorteile der Erfindung
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen piezoelektrischen Aktor, insbesondere langen Aktor, so zu ermöglichen, dass eine Kühlung im Betrieb desselben ohne flüssige Medien möglich ist, dass eine einfache Montage des piezoelektrischen Aktors möglich, keine flüssigen
Kühlmittel und keine besonderen Dichtungen notwendig sind.
Ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Aktor vermeidet somit eine durch die Verlustleistung desselben bedingte Überhitzung, kommt ohne flüssige Kühlmedien und ohne die dafür notwendigen Abdichtungen und Kühlmittelwege aus, wodurch eine Leckage solcher Kühlmittel nicht möglich ist und die Montage des piezoelektrischen Aktors vereinfacht und dieser dadurch kostengünstig hergestellt werden kann.
Die Erfindung liegt darin, dass wenigstens ein gut wärmeleitfähiger Kühlkörper gut wärmeleitend mit den Seitenflächen des Aktorkörpers und mit dem Aktorfuß verbunden ist .
Bei der Erfindung lässt sich in vorteilhafter Weise ausnützen, dass die elektrischen Zuleitungen zu den metallischen bzw. elektrisch leitenden Elektroden des als vielschichtiges Laminat ausgeführten Aktorkörpers zu diesem nur an zwei Seiten desselben geführt sind, so dass die zwei anderen gegenüberliegenden Seitenflächen des Aktorkörpers frei bleiben und gut wärmeleitend mit dem genannten Kühlkörper oder den Kühlkörpern verbunden werden können.
Bevorzugt besteht oder bestehen der oder die Kühlkörper aus Metall, insbesondere bevorzugt aus Kupfer. Dabei können entweder zwei separate Kühlkörper oder ein einziger U-förmiger Kühlkörper, der so gestaltet ist, dass er am Bodenabschnitt seiner U-Form mit der zum Aktorfuß weisenden Stirnseite des Aktorkörpers verbunden ist, mit den beiden gegenüberliegenden Seitenflächen des
Aktorkörpers verbunden sein. Diese Verbindung geschieht bevorzugt durch einen elastischen, wärmeleitfähigen Klebstoff zwischen dem Kühlkörper und den Seitenflächen des Aktorkörpers. Ein solcher wärmeleitfähiger Klebstoff besteht zum Beispiel aus einem Silikon-Elastomer, das gegebenenfalls mit einem elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Füllstoff, zum Beispiel mit AlN oder Al203 gefüllt ist.
Damit die beim Anlegen der elektrischen Spannung verursachte Dehnung oder Schrumpfung des Aktorkörpers ohne Reißen des elastischen wärmeleitfähigen Klebstoffs ausführbar ist, können die an die Seitenflächen des Aktorkörpers angrenzenden Abschnitte des oder der Kühlkörper wellenförmig sein, das heißt die Form eines metallischen Wellenbandes haben.
Um die gute Wärmeleitfähigkeit des oder der Kühlkörper auszunutzen und die von ihnen geleitete Wärme auch abzuführen, ist der oder die Kühlkörper mit dem Aktorfuß verlötet oder verschweißt oder alternativ mit demselben durch einen Silberleitkleber wärmeleitend verbunden. Dadurch wird die vom piezoelektrischen Aktor erzeugte Verlustwärme vom Kühlkörper zum gut wärmeleitf higen Aktorfuß sicher abgeleitet.
Wenn ein Aktorkörper verwendet wird, dessen beide Stirnseiten durch je eine Bandfeder vorgespannt sind, die entlang den von den Kühlkörpern nicht bedeckten Seitenflächen im Abstand vom Aktorkörper liegen, bietet es sich an, auch die Bandfedern zur Wärmeableitung zu nutzen, da diese auch am Aktorfuß festgelegt sind. Dazu werden die Zwischenräume zwischen dem Aktorkörper und den Bandfedern mit wärmeleitfähigem Elastomer ausgefüllt, gegebenenfalls unter Zusatz eines wärmeleitenden Füllstoffes . Außerdem können auch die elektrischen Anschlüsse der Elektroden des piezoelektrischen Aktorkörpers zusätzlich zur Wärmeableitung herangezogen werden, falls diese elektrischen Anschlussleitungen einen ausreichend großen Leitungsquerschnitt haben.
Es ist zu bemerken, dass die oben erwähnten Formen des oder der Kühlkörper lediglich beispielhaft sind und dass andere zweckmässige Formen, beispielsweise bei Aktorkörpern mit rundem Querschnitt verwendet werden können.
Nachstehend werden verschiedenen Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäß gestalteten piezoelektrischen Aktors anhand der Zeichnung näher erläutert.
Zeichnung
Figur 1 zeigt schematisch und in Form eines Teilschnittes ein erstes Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Aktors;
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors längs der Schnittebene II - II, und
Figur 3.1-3.5 zeigt verschiedene weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäß vorgesehenen Kühlkörpers .
Ausführungsbeispiele Bei dem in Figur 1 als Teilschnitt in Längsrichtung dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors ist ein Aktorkörper 1, der die Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten haben kann, zwischen einem oberen Ringflansch 10 und einem Aktorfuß 6 durch zwei gewellte Federbänder 8 eingespannt. Der Aktorkörper 1 mit den gewellten Federbändern 8 sitzt in einem metallischen Gehäuse 3, an dessen Unterseite Klemmen sitzen zur Verbindung mit Elektrodenzuleitungen 7.
Wenn der Aktorkörper 1 mit einer pulsierenden elektrischen Spannung an seinen Elektroden beaufschlagt wird, führt er analog pulsierende Hübe unter Änderung des Abstandes zwischen seinen zwischen dem Ringflansch 10 und dem Aktorfuß 6 durch die Federbänder 8 eingespannten Stirnseiten aus.
Die im Betrieb des Aktors entstehende Wärme kann nur in geringem Maße nach oben durch den Ringflansch 10 und den Fortsatz 12 der daruntersitzenden Stößelplatte abgeführt werden. Außerdem ist wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit der für den Aktorkörper 1 verwendeten Keramik bei Aktoren, wie in Figur 1 gezeigt, deren Länge größer als ihre Breite ist, die Ableitung der Wärme innerhalb der Keramik des Aktorkörpers 1 ungünstig.
Aus diesem Grund ist ein metallischer oder bevorzugt aus Kupfer bestehender Kühlkörper 5 gut wärmeleitend mit den Seitenflächen des Aktorkörpers 1 und mit dem Aktorfuß 6 verbunden. Diese gut wärmeleitende Verbindung ist bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Löt- oder Schweißnaht 11 ausgeführt. Es ist zu erwähnen, dass auf der entgegengesetzen Seite des Aktorkörpers 1, die in Figur 1 nicht sichtbar ist, ein gleicher Kühlkörper 5 angebracht ist. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind außerdem die Zwischenräume zwischen den senkrecht zur Zeichenebene stehenden Seitenflächen des Aktorkörpers 1 und den Federbändern 8 mit einem wärmeleitfähigen Elastomer 9 ausgefüllt, dem ein wärmeleitender Füllstoff zugesetzt ist. Dadurch wird die Wärme zusätzlich durch das Federband 8 zum Aktorfuß 6 abgeleitet, mit dem die Bandfedern 8 wärmeleitend verbunden sind.
Die in Figur 2 dargestellte Querschnittsansicht des in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiels längs der in Figur 1 ersichtlichen Schnittebene II-II zeigt, dass die Kühlkörper 5 mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des
Aktorkörpers 1, der hier einen quadratischen Querschnitt hat, durch einen elastischen wärmeleitfähigen Klebstoff 4 angeklebt sind. Dieser wärmeleitfähige Klebstoff 4 besteht zum Beispiel aus Silikon-Elastomer das mit einem wärmeleitfähigen Füllstoff gefüllt ist. Silikon-Elastomer hat den Vorteil, dass es hochelastisch ist und somit die Hübe des Aktorkörpers 1 elastisch ausgleicht. Die Querschnittsansicht in Figur 2 zeigt auch, dass die Elektrodenzuleitungen 7.1, 7.2 an die Seitenflächen des Aktorkörpers 1 führen, die nicht vom Kühlkörper 5 bedeckt sind .
Die Form und die Art der Befestigung des Kühlkörpers bzw. der Kühlkörper 5 am Aktorsockel 6 so, dass eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen Kühlkörper 5 und
Aktorsockel 6 entsteht, können variieren, was nachfolgend anhand Figuren 3A-3E erläutert wird.
Gemäß Figur 3A ist ein einstückiger U-förmiger gewinkelter metallischer Kühlkörper 5, bevorzugt aus Kupfer mit dem Boden des U- Profils am Aktorsockel 6 wärmeübertragend bef est igt .
Gemäß Figur 3B sind ein linker Kühlkörper 5.1 und ein rechter Kühlkörper 5.2 durch eine Löt- oder Schweißverbindung 11 wärmeleitend mit dem Aktorfuß 6 verbunden.
Auch in Figur 3C sind ein linker Kühlkörper 5.1 und ein rechter Kühlkörper 5.2 durch eine Löt- oder Schweißverbindung 11 jeweils mit dem Aktorfuß 6 wärmeleitend verbunden, wobei jedoch die unteren Abschnitte der Kühlkörper 5.1, 5.2 nach außen abgewinkelt sind.
Das in Figur 3D gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den bisher beschriebenen dadurch, dass zwei
Kühlkörper 5.1 und 5.2 durch Silberleitkleber 13 mit dem Aktorfuß 6 wärmeleitend verbunden sind.
Bei den in Figur 3E gezeigten Ausführungsbeispiel sind ein linker Kühlkörper 5.1 und ein rechter Kühlkörper 5.2 in
Form eines Wellenbandes ausgeführt und durch eine Löt- oder Schweißverbindung 11 wärmeleitend mit dem Aktorfuß 6 verbunden. Die als Kühlkörper fungierenden elastischen Metallwellenbänder 5.1 und 5.2 bewirken, dass jeder Kühlkörper elastisch den Aktorhüben folgen kann. Dadurch wird die Beanspruchung des Klebemittels 4 gemindert.
Bei allen in Figur 3A-3E gezeigten Ausführungsbeispielen kann ein elastischer wärmeleitfähiger Klebstoff, zum Beispiel Silikon-Elastomer zum Verbinden des oder der
Kühlkörper 5 bzw. 5.1, 5.2 mit dem Aktorkörper 1 dienen. Dieser Silikon-Elastomer-Klebstoff kann mit wär eleitfähigen Füllstoff gefüllt sein.
Wie oben bereits anhand des in Figur 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel erläutert wurde, können zusätzlich die Bandfedern 8 zur seitlichen Wärmeabfuhr vom Aktorkörper 1 genutzt werden, indem die Zwischenräume zwischen Aktorkörper 1 und Federband 8 mit wärmeleitfähigem Elastomer aufgefüllt sind.
Als weitere zusätzliche Wärmeableitmöglichkeit können auch die Elektrodenleitungen 7 verwendet werden, sofern diese einen ausreichend großen Kabelquerschnitt haben.
Zusammenfassend wird mit dem oben erläuterten metallischen Kühlkörper oder den Kühlkörpern die Wärmeabfuhr vom piezoelektrischen Aktor ermöglicht, ohne dass flüssige Kühlmedien notwendig sind. Dadurch ist der Aktor leichter montierbar und es können keine Leckagen vorkommen. Es sind keine besonderen Dichtungen notwendig, und der gesamte piezoelektrische Aktormodul lässt sich dadurch kostengünstig fertigen.
Ein erfindungsgemäß gestalteter piezoelektrischer Aktor lässt sich zum Beispiel zur Betätigung der Einspritzventile für eine Common-Rail-Einspritzung in Diesel-PKW oder -NKW verwenden .

Claims

Ansprüche
1. Piezoelektrischer Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem piezoelektrischen Aktorkörper (1) insbesondere in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten, wobei eine der Stirnseiten des Aktorkörpers (1) an einem gut wärmeleitenden oder metallischen Aktorfuß (6) festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein gut wärmeleitfähigεr Kühlkörper (5; 5.1, 5.2)) gut wärmeleitend mit den Seitenflächen des Aktorkörpers (1) und mit dem Aktorfuß (6) verbunden ist.
2. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Kühlkörper (5; 5.1, 5.2) aus Metall, bevorzugt Kupfer, besteht bzw. bestehen.
3. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aktorkörper (1) einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt hat, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Kühlkörper (5; 5.1, 5.2) mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Aktorkörpers verbunden ist bzw. sind.
4. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei separate Kühlkörper (5.1 und 5.2) mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Aktorkörpers (1) verbunden sind.
5. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger U-förmiger Kühlkörper (5) so gestaltet ist, dass er mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Aktorkörpers (1) und mit dessen zum Aktorfuß (6) weisenden Stirnseite verbunden ist.
6. Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Seitenflächen des Aktorkörpers (1) angrenzenden Abschnitte des oder der Kühlkörper (5; 5.1, 5.2) die Form eines Wellenbandes haben.
7. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Kühlkörper (5; 5.1, 5.2) mit einem elastischen wärmeleitfähigen Klebstoff (4) an den gegenüberliegenden Seitenflächen des Aktorkörpers (1) angeklebt ist bzw. sind.
8. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeleitfähige Klebstoff (4) aus einem Silikon-Elastomer besteht.
9. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Silikon Elastomer mit wärmeleitfähigem Füllstoff gefüllt ist.
10. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Kühlkörper (5; 5.1, 5.2) mit dem Aktorfuß (6) verlötet oder verschweißt ist bzw. sind.
11. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Kühlkörper (5; 5.1, 5.2) mit dem Aktorfuß (6) durch einen Silberleitkleber verbunden sind.
12. Piezoelektrischer Aktor, wobei eine die beiden
Stirnseiten des Aktorkörpers (1) vorspannende Bandfeder (8) vorgesehen ist, die entlang den von dem oder den Fühlkörper (n) (5; 5.1, 5.2) nicht bedeckten Seitenflächen im Abstand vom Aktorkörper (1) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume zwischen diesen
Seitenflächen des Aktorkörpers (1) und der Bandfeder (8) mit wärmeleitfähigem Elastomer, gegebenenfalls mit zugesetzten wärmeleitendem Füllstoff ausgefüllt sind.
PCT/DE1999/003873 1998-12-11 1999-12-03 Piezoelektrischer aktor Ceased WO2000036657A1 (de)

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