Ein Fluidventil dieser Art ist aus der PCT-Anmeldung W095/25920 bekannt. Bei Anlegen einer Spannung wird das Ventilglied relativ zum Ventilsitz verschwenkt, um entweder einen Durchflußquerschnitt freizugeben oder zu verschließen.

Die dabei verwendeten piezoelektrisch beeinflußbaren Biegewandler können sehr klein und reaktionsschnell ausgelegt werden, haben aber den Nachteil, daß die realisierbaren Schließkräfte nur sehr flein sind, so daß die erforderliche Dichtigkeit nur bei kleinen Druckdifferenzen erreicht wird. Die Schließ-bzw. Öffnungskräfte sind proportional zur angelegten Spannung und umgekehrt proportional zur Auslenkung des freien, nicht eingespannten Endes des piezoelektrischen Biegewandlers. Außerdem gibt es materialbedingte Grenzen für die maximal zulässige Steuerspannung, so daß die verlangte Dichtigkeit bei höheren Druckdifferenzen nur mit einer oft nicht tolerierbaren baulichen Vergrößerung des piezoelektrischen Biegwandlers erreicht werden kann. Eine gewisse Verbesserung kann zwar durch geschliffene Dichtflächen oder eine zusätzliche Abstützung des Biegewandlers zwischen Einspannende und freiem Ende erreicht werden, ist aber mit erhöhtem Fertigungsaufwand und einem Verlust an Ventilstellweg verbunden.

Es besteht somit die Aufgabe, ein Fluidventil der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß im Rahmen der zulässigen Steuerspannung und der vorgegebenen Abmessungen des Biegewandlers eine allen Dichtigkeitsforderungen genügende Schließkraft realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ventilglied einen Stößel mit Dichtflächen aufweist, dessen hinteres Ende mit dem nicht eingespannten Ende des Biegewandlers verbunden ist und dessen vorderes Ende in einer sich senkrecht zum Ventilsitz erstreckenden Durchgangsbohrung abdichtend geführt ist, wobei die Durchgangsbohrung innerhalb des Dichtungsbereichs eine Teilstrecke eines der Verbindungskanäle bildet und die freie Stirnfläche des Stößels außerhalb des Dichtungsbereichs dem gleichen Fluiddruck ausgesetzt ist, der im anderen Verbindungskanal herrscht.

Der Erfindung liegt die Erwägung zugrunde, den der Schließkraft am Ventilsitz entgegenwirkenden Fluiddruck zu kompensieren, d. h. einen Druckausgleich zu schaffen, so daß die Schließ-bzw. Öffnungskräfte am Ventilglied nur noch auf die sich aus der Konstruktion des Ventiles selbst ergebenden Gegenkräfte abgestimmt werden müssen bzw. umgekehrt die konstruktiv erforderlichen Gegenkräfte an die mit piezoelektrischen Biegewandlern erzeugbaren Kräfte anzupassen sind. Zu diesem Zweck ist der Stößel in der Durchgangsbohrung abdichtend geführt und seine Stirnfläche dem gleichen Fluiddruck ausgesetzt, der auf der anderen Seite des Ventilsitzes herrscht. Da diese Stirnfläche den gleichen Durchmesser hat wie der Ventilsitz, heben sich die aus Druckdifferenzen in den Verbindungskanälen herrührende, auf den Stößel einwirkenden Kräfte gegenseitig auf, wodurch die angestrebte Entlastung der Ventildichtung vom Fluiddruck erreicht ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 beschrieben. In den Ansprüchen 11 und 12 sind spezielle Anwendungsmöglichkeiten genannt und Anspruch 13 bezieht sich auf die Ansteuerung des Fluidventils mittels Ggenspannung.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung im Schnitt, bei der das spannungslose Fluidventil geschlossen ist, Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung im Schnitt, bei der das spannungslose Fluidventil geöffnet ist.

Bei dem Fluidventil gemäß Figur 1 ist ein Biegewandler 3 endseitig zwischen den das Ventilgehäuse 1 bildenden Teilen eingespannt, wobei im unteren Teil eine Ventilkammer 2 ausgebildet ist, mit einem ersten und einem zweiten Verbindungskanal 4,5, die sich zwischen je einer äußeren Anschlußstelle 6,7 und einer Mündung 8, in die Ventilkammer 2 erstrecken. Die eine Mündung 8 bildet den Ventilsitz 9, der von einer Dichtfläche 12 des Stößels 11 verschlossen ist. Der Stößel 11 ist das zentrale Teil des Ventilgliedes 10. Er weist einen sich von der Dichtfläche 12 nach außen erstreckenden Schaft 16 auf, der mittels einer kolbenartigen Verdickung 17 in einer Durchgangsbohrung 13 des Ventilgehäuses 1 abdichtend geführt ist. In der Durchgangsbohrung 13 ist endseitig eine ringförmige, weichelastische Dichtung 14 mittels eines ringförmigen Bauteiles 19 befestigt. Die Durchgangsbohrung 13 bildet mit ihrem oberhalb der kolbenartigen Verdickung 17 liegenden Teil zusammen mit einem davon senkrecht abgehenden Kanalteil 18 den ersten Verbindungskanal 4.

An dem der Dichtfläche 12 abgewandten Ende ist am Stößel 11 ein Flansch 20 und ein zentraler Führungsstift 20a für eine Druckfeder 21 ausgebildet, die sich an der Innenwand 25 der Ventilkammer 2 abstützt und den Stößel 11 mit seiner Dichtfläche 12 gegen den Ventilsitz 9 anpreßt. Auf der anderen Seite des Flansches 20 ist ein Stellring 23 vorgesehen, der mittels radialer Spannkräfte in einer Hülse 24 festgelegt ist, die ihrerseits mit dem freibeweglichen Ende des Biegewandlers 3 verbunden ist. Bei der Montage läßt sich der Ventilhub einstellen, indem der Stellring 23 relativ zur Hülse 24 in Längsrichtung des Stößels 11 verschoben wird.

Der Biegewandler 3 besteht aus zwei miteinander verbundenen Streifen piezoelektrischen Materials und besitzt Anschlüsse für das Anlegen einer Spannungsquelle.

Wird an den Biegewandler 3 eine Gleichspannung angelegt, bewirkt das elektrische Feld eine Verkürzung der oberen Lage und eine Verlängerung der unteren Lage, so daß sich der Biegewandler 3-wie ein Bimetallstreifen unter Temperatureinwirkung-biegt und das nicht eingespannte Ende nach oben ausgelenkt wird. Dabei wird das Ventilglied 10 gegen die Rückstellkraft der Feder 21 mitgenommen und der Strömungsquerschnitt am Ventilsitz freigegeben. Damit kann Fluid durch den Verbindungskanal 4 in die Ventilkammer 2 und weiter durch den Verbindungskanal 5 oder in umgekehrter Richtung fließen. Wird eine Gleichspannung umgekehrter Polarität angelegt, kann die Schließkraft der Rückstellfeder 21 vergrößert und die Dichtigkeit weiter verbessert werden.

Bei geschlossenem Ventil ist die Druclcdifferenz am Ventilsitz 9 gleich der Druckdifferenz an der kolbenartigen Verdickung 17 des Stößels 11, wobei die aus den Druckdifferenzen auf den Stößel 11 wirkenden Kräfte einander entgegengesetzt und gleich groß sind, wodurch sich die angestrebte Druckentlastung des Fluidventils ergibt.

Die Ausführungsform gemäß Figur 2 ist weitgehend identisch mit der Ausführungsform gemäß Figur 1. Gleiche Elemente sind mit gleichen Ziffern bezeichnet. Ein Unterschied besteht lediglich hinsichtlich der Funktion und einiger dadurch bedingter konstruktiver Einzelheiten.

Das Fluidventil gemäß Figur 2 ist in der dargestellten Ruheposition geöffnet und kann bei entsprechender Ansteuerung des Biegewandlers 3 geschlossen werden. Die Druckfeder 22 ist über einen Ring 26 in der Hülse 24 abgestützt, die ihrerseits im frei beweglichen Ende des Biegewandlers 3 befestigt ist. Auf der anderen Seite ist die Druckfeder 22 auf dem Flansch 20 des Stößels 11 abgestützt, der seinerseits auf dem Stellring 23 aufliegt, der wiederum zur Einstellung des Ventilhubes dient. Die Auslenkung des Biegewandlers 3 ist stets etwas größer als der Ventilhub, so daß bei geschlossenem Ventil die Druckfeder 22 gespannt wird und die Schließkraft zwischen Dichtfläche 12 und Ventilsitz 9 durch die Federkennlinie bestimmt wird. Letztlich kommt es aber auf die Schließkraft des Biegewandlers 3 an, dessen Stellweg stets größer sein muß als ein eingestellter Ventilhub und der über die Verschiebung des Widerlagers der Druckfeder 22 relativ zum Ventilsitz 9 für die aufgebrachte Federspannung maßgeblich ist.

Bei dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Fluidventil können alle dieser Ventilgattung eigenen Vorteile genutzt werden, ohne daß wegen zu geringer Schließkraft Kompromisse geschlossen werden müssen oder bestimmte Anwendungen nicht realisiert werden können. Anders als Magnetventile benötigen derartige Fluidventile keinen Anker und keinen Magnetkern.

Sie sind in der Herstellung und Montage sehr einfach und erlauben daher eine kostengünstige Großserienfertigung. Sie können nicht zuletzt auch wegen der Druckentlastung in sehr kleinen Abmessungen realisiert werden und sind für Miniaturisierunganwendungen bestens geeignet. Da die Auslenkung des Biegewandlers spannungsabhängig ist, lassen sich neben digitalen Ein-Aus-Schaltvorgängen auch analoge Schaltvorgänge ausführen, beispielsweise zur Druckregelung oder Durchflußsteuerung. Die Rückstellung in den Ruhezustand kann passiv über einen parallel geschalteten Entladungswiderstand oder aktiv durch Anlegen einer Gegenspannung erfolgen. Dadurch kann die Ausschaltzeit weiter verkürzt und die Ansteuerfrequenz weiter erhöht werden.

Die am Ende der Durchgangsbohrung vorgesehene weichelastische Dichtung ist ortsfest und wird mit dem Stößel nicht mitbewegt. In der Schließstellung des Stößels erfolgt lediglich ein stärkeres Zusammenpressen der Dichtung. Demzufolge ist die notwendige Abdichtung der kolbenförmigen Verdickung des Stößels in der Durchgangsbohrung nicht mit unnötigen Reibungskräften belastet, was sich günstig auf die Auslegung der Stellkräfte auswirkt.

Der erfindungsgemäße Druckausgleich hat den weiteren Vorteil, daß mit einem bestimmten Biegewandler bei gegebenem Durchflußquerschnitt am Ventilsitz eine höhere Schließkraft realisiert werden kann oder umgekehrt bei gegebener Schließkraft ein größerer Durchflußquerschnitt.

Aufgrund seiner Eigenschaften ist das erfindungsgemäße Fluidventil hervorragend für Antiblockiersysteme (ABS) und für die Antischlupfregelung (ASR) bei Kraftfahrzeugen geeignet.