DE-102024132205-A1 - Ventilanordnung und Verfahren zur Herstellung von elektro-hydraulischen Aktuatoren

Abstract

Bei einer Ventilanordnung, mit wenigstens einem zur Steuerung einer Fluidströmung ausgebildeten, eine Hauptachse (13) aufweisenden Ventil (12), das ein Ventilgehäuse (14) aufweist, in das wenigstens zwei Ventilkanäle einmünden, wobei im Ventilgehäuse (14) ein Ventilglied (25) beweglich gelagert ist, das wenigstens einem einem der Ventilkanäle zugeordneten Ventilsitz zugeordnet ist und in Abhängigkeit einer durch eine Steuerbewegung eingenommenen Steuerposition am Ventilsitz anliegt oder von diesem abgehoben ist, um eine Fluidströmung zu unterbinden oder zuzulassen, wobei die Steuerbewegung des Ventilglieds (25) über einen ebenfalls im Ventilgehäuse (14) aufgenommenen elektrisch betätigbaren Antrieb hervorrufbar ist, weist der elektrisch betätigbare Antrieb einen dem Ventilglied (25) zugeordneten, mit einer Aktuator-Längsachse (80) ausgestatteten elektro-hydraulischen Aktuator (24) auf, der zwei sich einander gegenüberliegende Elektroden 38a, 38b) aufweist, zwischen denen sich in einem Elektrodenspalt (39) eine Arbeitsflüssigkeit (40) befindet, die bei Beaufschlagung der Elektroden (38a, 38b) mit einem elektrischen Potential durch die Bewegung der Elektroden aufeinander zu und Schließung des Elektrodenspalts (39) in eine durch eine elastisch verformbare Außenhülle (41) begrenzte Verdrängungsraum (42) verdrängbar ist, die dadurch aufweitbar ist und die Steuerbewegung auf das Ventilglied (25) einleiten kann.

Inventors

• Tobias Pointner
• Metin Giousouf

Assignees

• FESTO SE & CO. KG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241105

Claims (20)

1. Ventilanordnung, mit wenigstens einem zur Steuerung einer Fluidströmung ausgebildeten, eine Hauptachse (13) aufweisenden Ventil (12), das ein Ventilgehäuse (14) aufweist, in das wenigstens zwei Ventilkanäle einmünden, wobei im Ventilgehäuse (14) ein Ventilglied (25) beweglich gelagert ist, das wenigstens einem einem der Ventilkanäle zugeordneten Ventilsitz zugeordnet ist und in Abhängigkeit einer durch eine Steuerbewegung eingenommenen Steuerposition am Ventilsitz anliegt oder von diesem abgehoben ist, um eine Fluidströmung zu unterbinden oder zuzulassen, wobei die Steuerbewegung des Ventilglieds (25) über einen ebenfalls im Ventilgehäuse (14) aufgenommenen elektrisch betätigbaren Antrieb hervorrufbar ist, dadurch gekennzeichnet , dass der elektrisch betätigbare Antrieb einen dem Ventilglied (25) zugeordneten, mit einer Aktuator-Längsachse (80) ausgestatteten elektro-hydraulischen Aktuator (24) aufweist, der zwei sich einander gegenüberliegende Elektroden (38a, 38b) aufweist, zwischen denen sich in einem Elektrodenspalt (39) eine Arbeitsflüssigkeit (40) befindet, die bei Beaufschlagung der Elektroden (38a, 38b) mit einem elektrischen Potential durch die Bewegung der Elektroden (38a, 38b) aufeinander zu und Schließung des Elektrodenspalts (39) in einen durch eine elastisch verformbare Außenhülle (41) begrenzten Verdrängungsraum (42) verdrängbar ist, der dadurch aufweitbar ist und die Steuerbewegung auf das Ventilglied (25) einleiten kann.
2. Ventilanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass der elektro-hydraulische Aktuator (24) als Laminat-Aktuator ausgebildet ist, mit einem Aktuator-Laminat (43) aus mehreren übereinander angeordneten und mittels Laminieren miteinander verbundenen, insbesondere aus Folienmaterial bestehenden Funktionsschichten.
3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass von den Funktionsschichten des Aktuator-Laminats wenigstens zwei als die Elektroden (38a, 38b) bildende, sich entlang der Aktuator-Längsachse (80) erstreckend Elektrodenschichten ausgebildet sind.
4. Ventilanordnung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die Elektrodenschichten von Elektrodenfolien oder insbesondere aufgedruckter Elektrodenpaste gebildet sind.
5. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass von den Funktionsschichten je Elektrode, insbesondere Elektrodenschicht, wenigstens zwei als die zugeordnete Elektrode elektrisch isolierende Isolationsschichten (44, 50, 54, 62) ausgebildet sind, wobei vorzugsweise an den Elektrodenschichten jeweils ober- und unterseitig Isolationsschichten (44, 50, 54, 62) auflaminiert sind.
6. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Arbeitsflüssigkeit (40) in einen Zwischenraum zwischen zwei zueinander benachbarten und am Umfang flüssigkeitsdicht miteinander verbundenen Isolationsschichten (50, 54) aufgenommen ist, wobei die Außenhülle (41) der Verdrängungsraum (42) ebenfalls durch die beiden Isolationsschichten (50, 54) gebildet ist.
7. Ventilanordnung nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet , dass die Isolationsschichten (44, 50, 54, 62) eine Längserstreckung längs zur Aktuator-Längsachse (80) aufweisen, die größer ist als die Längserstreckung der Elektrodenschichten, derart dass bei Beaufschlagung der Elektroden mit einem elektrischen Potential die Arbeitsflüssigkeit (40) längs zur Aktuator-Längsachse (80) aus dem Zwischenraum zwischen den Elektrodenschichten heraus in den seitlich neben den Elektrodenschichten liegenden, mit dem Zwischenraum verbundenen Verdrängungsraum (42) verdrängbar sind.
8. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet , dass von den Isolationsschichten zwei äußere Isolationsschichten (44, 62) vorhanden sind, die den unteren und oberen Abschluss des Aktuator-Laminats (43) bilden, wobei eine der beiden äußeren Isolationsschichten als Basisschicht (44) ausgebildet ist und eine gegenüber den restlichen Schichten des Aktuator-Laminats (43) größere Steifigkeit aufweist, derart, dass die Aufweitung des Verdrängungsraums (42) weg von der Basisschicht (44) erfolgt.
9. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Verdrängungsraum (42) durch Einprägung einer Prägestruktur (57) in wenigstens eine der Isolationsschichten (54, 62) gebildet ist, wobei vorzugsweise die Prägestruktur (57) an einer inneren Isolationsschicht (54) ausgebildet ist, die der von der Basisschicht (44) in Dickenrichtung weiter entfernten Elektrode (38b) zugeordnet ist, wobei insbesondere eine weitere Prägestruktur (65) zusätzlich an der der Basisschicht (44) entgegengesetzt angeordneten äußeren Isolationsschicht (62) ausgebildet ist.
10. Ventilanordnung nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet , dass die Prägestruktur (57, 65) mäanderförmig ausgebildet ist.
11. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Ventilglied (25) einen um eine rechtwinklig zur Hauptachse (13) ausgerichtete Schwenkachse (30) verschwenkbaren, mit dem elektro-hydraulischen Aktuator (24) gekoppelten Steuerhebel aufweist, der einen dem wenigstens einen Ventilsitz zugeordneten Steuerabschnitt (31) und einen mit der Schwenkachse (30) ausgestatteten Lagerabschnitt (32) aufweist.
12. Ventilanordnung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet , dass der Steuerabschnitt (31) im Bereich eines ersten Hebelendes (33a) und der Lagerabschnitt (32) im Bereich des dazu entgegengesetzt liegenden zweiten Hebelendes (33b) des Steuerhebels ausgebildet ist.
13. Ventilanordnung nach Anspruch 11 oder 12 , dadurch gekennzeichnet , dass der Steuerhebel am Aktuator-Laminat (43) anliegt und bei Aktivierung des Aktuators (24) durch Aufweitung des Verdrängungsraums (42) um die Schwenkachse (30) verschwenkbar ist, wodurch der Steuerabschnitt (31) vom zugeordneten Ventilsitz abhebbar oder in Anlage bringbar ist.
14. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13 , dadurch gekennzeichnet , dass der Steuerhebel auf der Oberseite der der Basisschicht (44) abgewandten äußeren Isolationsschicht (62) des Aktuator-Laminats aufliegt, wobei bei Aktivierung des Aktuators (24) der Steuerabschnitt (31) vom zugeordneten Ventilsitz abhebbar ist.
15. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass in das Ventilgehäuse (14) drei Ventilkanäle einmünden, von denen zur Etablierung einer 3/2-Wege Funktionalität einer als Speisekanal (15), einer als Arbeitskanal (16) und einer als Entlüftungskanal (17) ausgebildet ist, wobei der Steuerabschnitt (31) des Steuerhebels zwischen einem Speisekanal-Ventilsitz (26) und einem Entlüftungskanal-Ventilsitz (27) bewegbar ist, um wahlweise unter Abdichtung des Entlüftungskanals (17) eine Fluidströmung vom Speisekanal (15) zum Arbeitskanal (16) oder unter Abdichtung des Speisekanals (15) eine Fluidströmung vom Arbeitskanal (16) zum Entlüftungskanal (17) zu etablieren.
16. Ventilanordnung nach Anspruch 15 , dadurch gekennzeichnet , dass dem Steuerhebel eine Stellfeder (67) zugeordnet ist, die den Steuerabschnitt (31) bei nicht aktiviertem Aktuator (24) auf den Speisekanal-Ventilsitz (26) drückt.
17. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Ventilgehäuse einen Gehäuse-Arbeitsabschnitt (73) aufweist, in dem der elektro-hydraulische Aktuator (24) aufgenommen ist und einen fluiddicht, eine Medientrennung bewirkenden Gehäuse-Steuerabschnitt (74) aufweist, der einen Medien-Kontaktraum (75) besitzt, in den die wenigstens zwei Ventilkanäle (15, 16) einmünden.
18. Ventilanordnung nach Anspruch 17 , dadurch gekennzeichnet , dass der Steuerabschnitt (31) des Steuerhebels in den Medien-Kontaktraum (75) hineinragt.
19. Verfahren zur Herstellung von elektro-hydraulischen Aktuatoren (24) in Form von Folienlaminat-Aktuatoren, das Verfahren mit folgenden Schritten: - Bereitstellen einer elektrisch isolierenden Basisfolie, - Aufbringen wenigstens einer ersten Elektrode (38a) als Elektrodenschicht auf die Basisfolie, - Auflaminieren einer ersten inneren Isolationsfolie auf den Verbund aus Basisfolie und Elektrodenschicht, - Auflaminieren einer zweiten inneren Isolationsfolie, die zuvor mit einer Prägestruktur (57) versehen wurde auf den zuvor gebildeten Verbund, wobei im Bereich der Prägestruktur (57) in Kombination mit der darunter liegenden ersten inneren Isolationsfolie ein Verdrängungsraum (42) für die Arbeitsflüssigkeit (40) gebildet wird, - Aufbringen wenigstens einer zweiten Elektrode (38b) als Elektrodenschicht auf die zweite innere Isolationsfolie, - Auflaminieren einer äußeren Isolationsfolie auf den zuvor gebildeten Verbund, - Auffüllen des Elektrodenspalts mit Arbeitsflüssigkeit über eine Einfüllstelle und Versiegeln der Einfüllstelle.
20. Verfahren nach Anspruch 19 , dadurch gekennzeichnet , dass die äußere Isolationsfolie zuvor ebenfalls mit einer im auflaminierten Zustand der Prägestruktur (57) der zweiten inneren Isolationsfolie zugeordneten, insbesondere identisch ausgestalteten weiteren Prägestruktur (65) versehen wurde,

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung, mit wenigstens einem zur Steuerung einer Fluidströmung ausgebildeten, eine Hauptachse aufweisenden Ventil, das ein Ventilgehäuse aufweist, in das wenigstens zwei Ventilkanäle einmünden, wobei im Ventilgehäuse ein Ventilglied beweglich gelagert ist, das wenigstens einem einem der Ventilkanäle zugeordneten Ventilsitz zugeordnet ist und in Abhängigkeit einer durch eine Steuerbewegung eingenommenen Steuerposition am Ventilsitz anliegt oder von diesem abgehoben ist, um eine Fluidströmung zu unterbinden oder zuzulassen, wobei die Steuerbewegung des Ventilglieds über einen ebenfalls im Ventilgehäuse aufgenommenen elektrisch betätigbaren Antrieb hervorrufbar ist. Eine Ventilanordnung der eingangs erwähnten Art ist beispielsweise aus der DE 10 2018 220 321 B4 bekannt. Die dort beschriebene Ventilanordnung besitzt mehrere jeweils als Medienventile ausgebildete Ventile, die jeweils einen elektrischen Antrieb in Form eines Piezo-Aktuators aufweisen. Da die am häufigsten verwendeten piezoelektrischen Materialien, insbesondere Piezokeramiken solche sind, bei denen im Kristallgitter Blei vorhanden ist, ergibt sich hier das Problem bei einem Blei-Verbot auf Ersatzmaterialien auszuweichen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Ventilanordnung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei denen elektrisch betätigbare Antriebe verbaut sind, die ähnlich Eigenschaften wie Piezo-Aktuatoren aufweisen, jedoch umweltverträglicher sind. Diese Aufgabe wird durch eine Ventilanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt. Die erfindungsgemäße Ventilanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der elektrisch betätigbare Antrieb einen dem Ventilglied zugeordneten, mit einer Aktuator-Längsachse ausgestatten elektro-hydraulischen Aktuator aufweist, der zwei sich einander gegenüberliegende Elektroden aufweist, zwischen denen sich in einem Elektrodenspalt eine Arbeitsflüssigkeit befindet, die bei Beaufschlagung der Elektroden mit einem elektrischen Potenzial durch die Bewegung der Elektroden aufeinander zu und Schließung des Elektrodenspalts in einen durch eine elastisch verformbare Außenhülle begrenzten Verdrängungsraum verdrängbar ist, der dadurch aufweitbar ist und die Steuerbewegung auf das Ventilglied einleiten kann. Derartige elektro-hydraulische Aktuatoren haben das zuvor geschilderte Problem der Blei-Belastung nicht. Da sie ähnlich wie Piezo-Aktoren sehr kleinbauend sind, können sie auch in sehr kleinbauende Ventile eingebaut werden. Ferner lassen sich derartige elektro-hydraulische Aktuatoren relativ einfach und somit kostengünstig produzieren. In besonders bevorzugter Weise ist der elektro-hydraulische Aktuator als Laminat-Aktuator ausgebildet, mit einem Aktuator-Laminat aus mehreren übereinander angeordneten und mittels laminieren miteinander verbundenen, insbesondere aus Folienmaterial bestehenden Funktionsschichten. Derartige Laminat-Aktuatoren werden auch als HASEL-Aktuatoren (Hydraulically amplified self-healing electrostatic actuators) bezeichnet. Ferner sind sogenannte LEA-Aktuatoren (Low-voltage electrohydraulic actuators) bekannt, die eine im Vergleich zu den HASEL-Aktuatoren geringere Betriebsspannung zur Aktivierung benötigen. In besonders bevorzugter Weise sind von den Funktionsschichten des Aktuator-Laminats wenigstens zwei als die Elektroden bildende, sich entlang der Aktuator-Längsachse erstreckende Elektrodenschichten ausgebildet. Es ist beispielsweise möglich, dass die Elektrodenschichten von Elektrodenfolien oder insbesondere aufgedruckter Elektrodenpaste ausgebildet sind. Als Elektrodenfolien eignen sich beispielsweise Metallfolien, beispielsweise Aluminium- oder Kupferfolien. Als Elektrodenpaste eignen sich Aluminiumpaste oder Karbonpaste. Das Aufdrucken der Elektrodenpaste kann beispielsweise mittels Siebdruck erfolgen. Es sind auch nicht-metallische Elektroden, beispielsweise aus leitfähigen Polymeren, wie Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT), nutzbar, um so beispielsweise solche Aktuatoren im Bereich hoher Magnetfelder zu verwenden. Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind von den Funktionsschichten je Elektrode, insbesondere Elektrodenschicht, wenigstens zwei als die zugordnete Elektrode elektrisch isolierende Isolationsschichten ausgebildet, wobei vorzugsweise an den Elektrodenschichten jeweils ober- und unterseitig Isolationsschichten auflaminiert sind. Zweckmäßigerweise bestehen die Isolationsschichten ebenfalls aus Folienmaterial, sind also in diesem Fall als Isolationsfolien ausgebildet. In besonders bevorzugter Weise ist die Arbeitsflüssigkeit in einem Zwischenraum zwischen zwei zueinander benachbarten und am Umfang flüssigkeitsdicht miteinander verbundene Isolationsschichten, insbesondere Isolationsfolien aufgenommen, wobei die Außenhülle des Verdrängungsraums ebenfalls durch die beiden Isolationsschichten gebildet ist. Die Elektroden können auf der der Flüssigkeit zuge