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Dokumentenidentifikation DE102005003850B4 19.03.2009
Titel Fluidtechnische Anordnung
Anmelder FESTO AG & Co. KG, 73734 Esslingen, DE
Erfinder Weber, Stefan, 90425 Nürnberg, DE
Vertreter Patentanwälte Magenbauer & Kollegen, 73730 Esslingen
DE-Anmeldedatum 27.01.2005
DE-Aktenzeichen 102005003850
Offenlegungstag 03.08.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.03.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.03.2009
IPC-Hauptklasse H02N 2/06  (2006.01)  A,  F,  I,  20051017,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse F02D 41/20  (2006.01)  A,  L,  I,  20051017,  B,  H,  DE
F16K 31/02  (2006.01)  A,  L,  I,  20051017,  B,  H,  DE
F15B 21/08  (2006.01)  A,  L,  I,  20051017,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine fluidtechnische Anordnung, insbesondere eine Ventilanordnung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige fluidtechnische Anordnung geht aus DE 199 31 235 A1 hervor. Die Übertragung von Energie zwischen einer Stromquelle und einem piezo-elektrischen Aktor eines Kraftstoffeinspritzventils erfolgt drahtlos, indem zwischen diese beiden Komponenten eine Koppelkapazität geschaltet ist.

Eine fluidtechnische Anordnung in Gestalt einer Ventilanordnung bzw. Ventilbaugruppe aus dem US-Patent 6,685,159 hat eine Antriebseinrichtung, die einen piezo-elektrischen Aktor zum Beeinflussen eines Fluid-Flusses enthält, und eine Ansteuereinrichtung zum Ansteuern des piezo-elektrischen Aktors über eine drahtlose Schnittstelle, die beispielsweise mit Radio-Frequenz-Signalen, optischen Signalen, Infrarotsignalen oder auf Basis von Niederspannungssignalen arbeitet. Auf Seiten der Ansteuereinrichtung ist ein Sender und auf Seiten der Antriebseinrichtung ist ein Empfänger vorhanden, beispielsweise ein Empfänger, der optische Signale zu einer Spannung zur Ansteuerung des piezo-elektrischen Aktors konvertiert. Ferner können beispielsweise Solarzellen an der Schnittstelle vorhanden sein. Die drahtlose Ansteuerung des Aktors ermöglicht den Einsatz der fluidtechnischen Anordnung bzw. der Ventilanordnung beispielsweise im Zusammenhang mit entflammbaren Chemikalien oder dergleichen.

Auch aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 41 16 570 A1 geht eine drahtlose Ansteuerung von Piezoventilen mittels Licht hervor. In der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 03 765 A1 wird die induktive kontaktfreie elektrische Leistungsübertragung zum Schalten eines fluidtechnischen Ventils vorgeschlagen.

Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist allerdings, dass vergleichsweise komplizierte Sender- und Empfängerschaltungen erforderlich sind, um die von der sendenden Ansteuereinrichtung empfangenen drahtlosen Signale beim Empfänger in Energie zu wandeln.

DE 100 26 174 A1 zeigt einen kapazitiven Bus, wobei Signale über kapazitive Koppelelemente mit Buskopplern, die mittels zugeordneten kapazitiven Koppelelementen Signale einkoppeln und auskoppeln.

Eine aus DE 195 12 903 A1 bekannte Kommunikationsschnittstelle zwischen einem Rechner und einem Fahrzeuggerät arbeitet kapazitiv, nämlich derart, dass ein flächiges Funktionselement des Fahrzeuggerätes als Gegenelektrode zu einer Elektrode eines von außen an dem Fahrzeuggeräte anlegbaren, mit einem Rechner verbundenen kapazitiven Koppeladapters ausgebildet ist.

Aus DE 198 56 937 A1 geht eine induktive Energieübertragung hervor. In Reihe geschaltete Kondensatoren kompensieren eine Gesamtreaktanz einer Primärleiterschleife des induktiven Übertragers. In verbraucherseitigen Sekundärspulen, die in einem Fahrzeug angeordnet sind, sind ebenfalls Kondensatoren in Reihe geschaltet, wobei deren Blindwiderstand dem der Sekundärwicklungen entspricht.

Bei einer aus DE 103 01 978 A1 bekannten Vorrichtung wird mittels eines induktiven Übertragers Energie übertragen, die beispielsweise einem Piezo-Aktor zur Verfügung gestellt wird.

Eine Wandlerschaltung gemäß DE 101 47 168 A1 weist eine Speicherdrossel auf, der eine primäre Speicherkapazität vorgeschaltet und eine sekundäre Speicherkapazität, insbesondere ein Piezoaktor, nachgeschaltet ist. Durch Betätigen eines primären Schaltelements und eines sekundären Schaltelements kann Energie von der primären Speicherkapazität auf die sekundäre Speicherkapazität übertragen und zurückgewonnen werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine fluidtechnische Anordnung mit einer Antriebseinrichtung bereitzustellen, bei der ein piezo-elektrischer Aktor über eine drahtlose Schnittstelle ohne nach außen geführte elektrische Leitungen mit Betätigungsenergie versorgbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Ventilbaugruppe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die drahtlose Schnittstelle eine kapazitive Energieübertragung zur Betätigung des piezo-elektrischen Aktors ermöglicht, und dass die Ansteuereinrichtung eine erste Elektrode und die Antriebseinrichtung eine zweite Elektrode eines Koppelkondensators der kapazitiven Schnittstelle aufweist.

Der durch die drahtlose Schnittstelle realisierte Koppelkondensator ermöglicht eine einfache Energieübertragung von der Ansteuereinrichtung zur Antriebseinrichtung, so dass sowohl die Ansteuereinrichtung als auch die Antriebseinrichtung mit wenigen Bauelementen realisierbar sind. Die Antriebseinrichtung, bei der es sich vorzugsweise um ein Ventilmodul handelt, kann als eine Art vollständig gekapselte Einheit ausgeführt sein, ohne nach außen geführte elektrische und/oder optische Leitungen. Die Antriebseinrichtung bzw. Ventileinrichtung eignet sich für den Einsatz im Lebensmittelbereich, im Chemiebereich oder dergleichen. Die Reinigung der ganz oder im wesentlichen geschlossenen Antriebseinrichtung gestaltet sich sehr einfach. Außerdem ist die einfach aufgebaute Antriebseinrichtung robust.

Die erste Elektrode ist in ein Gehäuse der Ansteuereinrichtung und die zweite Elektrode ist in ein Gehäuse der Antriebseinrichtung integriert. Die beiden Elektroden sind zweckmäßigerweise an einander gegenüberliegenden Seiten der beiden Gehäuse angeordnet.

Es versteht sich, dass bei der Antriebseinrichtung verschiedene Bauvarianten möglich sind, wobei beispielsweise die Antriebseinrichtung als eine Ventileinrichtung oder eine kombinierte Ventil-Aktoreinrichtung ausgestaltet sein kann. Beispielsweise kann der piezo-elektrische Aktor zur Ansteuerung eines fluidtechnischen, insbesondere pneumatischen Ventils dienen, das einen Bestandteil der Antriebseinrichtung bildet. Dabei sind sowohl vorgesteuerte als auch direkt gesteuerte Ventilvarianten ohne weiteres möglich. Ferner kann auch ein fluidtechnischer Antrieb, beispielsweise ein pneumatischer Zylinder in die Antriebseinrichtung integriert oder an diese unmittelbar angekoppelt sein.

Jedem Ladevorgang oder Entladevorgang der zweiten Elektrode ist zweckmäßigerweise ein Aktorhub des piezo-elektrischen Aktors zugeordnet. Somit wird sozusagen eine 1-zu-1-Kopplung zwischen der zweiten, in der Antriebseinrichtung enthaltenen Elektrode und dem piezo-elektrischen Aktor realisiert, so dass zusätzliche elektrische Bauteile nicht unbedingt erforderlich sind. Allerdings ist auch eine Bauvariante der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung denkbar, bei der eine Übertragerbaugruppe durch zwei oder mehr Lade-/Entladezyklen des Koppelkondensators sozusagen aufgeladen wird, um die zum Schalten des piezo-elektrischen Aktors erforderliche Schaltspannung zu erzeugen.

Ferner ist es möglich, dass die Antriebseinrichtung auch mehr als einen piezo-elektrischen Aktor enthält. Vorzugsweise ist jedem piezo-elektrischen Aktor eine separate kapazitive Schnittstelle der erfindungsgemäßen Art zugeordnet.

Die bei der erfindungsgemäßen fluidtechnische Anordnung verwendeten Bauteile der drahtlosen Schnittstelle sind einfach realisierbar und beispielsweise im Vergleich mit Spulen, Optokopplern oder Solarzellen preisgünstig.

Die Ansteuereinrichtung und die Antriebseinrichtung können separate Baueinheiten, insbesondere Module sein. Es ist aber auch möglich, dass die Antriebseinrichtung und die Ansteuereinheit eine Baueinheit bilden. Die Antriebseinrichtung und die Ansteuereinheit sind beispielsweise durch entsprechende Verbindungsmittel, ein sie insgesamt umgebendes Gehäuse oder dergleichen miteinander verbunden.

Bei den Gehäusen der Ansteuereinrichtung bzw. der Antriebseinrichtung ist es besonders bevorzugt, dass sie gegenüber Temperaturschwankungen und/oder Korrosion beständig sind, bzw. lebensmittelecht sind, so dass sie beispielsweise zur Verarbeitung von Lebensmitteln oder Chemikalien einsetzbar sind. Beispielsweise können die Gehäuse zumindest teilweise aus Edelstahl, Keramik oder dergleichen vorteilhaft bestehen. Das Vorgesagte gilt insbesondere für die Antriebseinrichtung, die zweckmäßigerweise eine von der Ansteuereinrichtung abgesetzte, lediglich durch die drahtlose Schnittstelle mit dieser gekoppelten Baueinheit bildet.

Sowohl für die Ansteuereinrichtung als auch für die Antriebseinrichtung ist es zweckmäßig, wenn sie flüssigkeitsdichte Gehäuse aufweisen. Somit ist auch eine leichte Reinigung der jeweiligen Einrichtung, insbesondere der Antriebseinrichtung möglich.

Zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ist zweckmäßigerweise mindestens eine Isolationsschicht, insbesondere zur thermischen Isolation, vorhanden. Ferner ist vorteilhaft zwischen den beiden Elektroden der kapazitiven Schnittstelle ein Dielektrikum angeordnet. Somit kann die von der Ansteuereinrichtung bereitzustellende Ansteuerspannung zur Betätigung der kapazitiven Schnittstelle geringer ausfallen, weil die Kapazität der kapazitiven, drahtlosen Schnittstelle durch das Dielektrikum vergrößert wird. Diese mindestens eine Isolationsschicht und/oder das Dielektrikum können beispielsweise Luft, Keramik, Kunststoff oder dergleichen enthalten.

Der piezo-elektrischen Aktor wird beispielsweise durch Aufladen des Koppelkondensators der kapazitiven Schnittstelle in der einen Richtung, durch Entladen in der anderen Richtung oder in einer entgegengesetzten Richtung betätigt. Somit ist die drahtlose Schnittstelle für eine bidirektionale Betätigung des piezo-elektrischen Aktors ausreichend. Es ist aber auch eine Variante zweckmäßig, bei der zum Entladen des piezo-elektrischen Aktors nicht-kapazitiv ansteuerbare Entlademittel bei der Antriebseinrichtung vorhanden sind. Die Ansteuereinrichtung enthält entsprechende Ansteuermittel zur Ansteuerung der Entlademittel, beispielsweise eine Lichtquelle, die einen mittels Licht betätigbaren Haltleiterschalter, beispielsweise einen Foto-Transistor, der Entlademittel der Entladeschaltung zum Entladen des piezo-elektrischen Aktors betätigt. Somit wird der piezo-elektrischen Aktor in der einen Richtung durch die kapazitive Schnittstelle betätigt, in der entgegengesetzten Richtung durch eine optisch oder sonstige drahtlose Weise bewirkte Entladung.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen fluidtechnischen Anordnung, bei der ein piezo-elektrischen Aktor einer Antriebseinrichtung einen Bestandteil eines direkt gesteuerten fluidtechnischen, vorliegend pneumatischen Ventils bildet,

2 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Antriebseinrichtung gemäß 1,

3a einen Spannungsverlauf einer an dem piezo-elektrischen Aktor gemäß 1 anliegenden Spannung,

3b einen Verlauf einer den Aktor gemäß 1 ansteuernden Steuerspannung,

3c einen Verlauf eines Steuerpulses zum Entladen des Aktors gemäß 1,

4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen fluidtechnischen Anordnung mit einem piezo-elektrischen Aktor einer Antriebseinrichtung, die ein fluidtechnisches, vorliegend pneumatisches vorgesteuertes Ventil enthält,

5 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Antriebseinrichtung gemäß 4,

6 einen Spannungsverlauf einer Spannung am piezo-elektrischen Aktor gemäß 4 und

6b einen Spannungsverlauf einer Steuerspannung zur Ansteuerung des piezo-elektrischen Aktors gemäß 4.

In den 1 und 4 sind erfindungsgemäße fluidtechnische Anordnungen in teilweise stark schematischer Weise dargestellt. Teilweise sind Komponenten der beiden Anordnungen gemäß 1 und 4 gleich oder ähnlich, so dass insoweit gleiche Bezugszeichen bzw. in 4 um gegenüber 1 um 100 erhöhte Bezugszeichen verwendet sind.

1 zeigt eine Ventilanordnung 10 als ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen fluidtechnische Anordnung. Eine Ansteuereinrichtung 11 dient zum drahtlosen Ansteuern einer Antriebseinrichtung 12 über eine drahtlose Schnittstelle 13. Die Antriebseinrichtung 12 ist vorliegend ein pneumatisches Ventil, mit dem ein durch Pfeile angedeuteter Fluid-Fluss 14, z. B. ein Druckluftstrom, eine Lebensmittelflüssigkeit, eine Chemikalien-Strom oder dergleichen beeinflussbar ist.

Ein schematisch dargestellter piezo-elektrischer Aktor mit einem gegenüber einem Basisteil 16 beweglichen Aktorglied 17 betätigt ein Ventilglied 18, das einen Fluid-Kanal 19, der von dem Fluid-Fluss 14 durchströmt wird, öffnet bzw.

schließt. Der Aktor 15 ist sehr schematisch dargestellt und ist beispielsweise als ein Biegewandler realisiert. Prinzipiell könnte das Aktorglied 17 gleichzeitig ein Ventilglied sein. Vorliegend ist das Ventilglied jedoch durch das Aktorglied 17 betätigbar, beispielsweise direkt an dem Aktorglied 17 befestigt. Besonders bevorzugt ist eine nicht dargestellte Bauvariante, bei der das Aktorglied das Ventilglied über einen Hebelmechanismus betätigt.

Die Ansteuereinrichtung 11 betätigt den piezo-elektrischen Aktor 15 drahtlos über die kapazitive Schnittstelle 13 anhand von Steuerbefehlen, die die Ansteuereinrichtung 11 über einen Bus 20, beispielsweise einen elektrischen oder optischen Bus, erhält. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Bus 20 um einen Feldbus, an den auch weitere Ventilanordnungen, zweckmäßigerweise in der Art der Ventilanordnung 10, angekoppelt sind. Verbindungsleitungen 21 führen von dem Bus 20 zu einem Buskoppler 21 der Ansteuereinrichtung 11, der die auf dem Bus 20 übertragenen Steuerbefehle empfängt und einen Spannungswandler 23 gemäß dieser Befehle ansteuert. Bei dem Spannungswandler 23 handelt es sich beispielsweise um einen Spannungs-Puls-Wandler. Jedenfalls erzeugt der Spannungswandler 23 eine Schalt- oder Steuerspannung 24, beispielsweise mit dem pulsförmigen Verlauf gemäß 3b.

Die Steuerspannung 24, die beispielsweise gegenüber Masse aufgebaut ist, liegt an einem Koppelkondensator 25, der an der Schnittstelle 13 realisiert ist, und dem dazu in Reihe geschalteten piezo-elektrischen Aktor 15 an, der einen Kondensator 26 bildet. Der Spannungswandler 23 ist beispielsweise mit einer ersten, in der Ansteuereinrichtung 11 enthaltenen Elektrode 27 des Koppelkondensators 25 bzw. der Schnittstelle 13 verbunden. Das Aktorglied 17 ist mit einer zweiten, in der Antriebseinrichtung 17 enthaltenen Elektrode 28 des Koppelkondensators 25 verbunden.

Durch Anlegen der Steuerspannung 24 an die in Reihe geschalteten Kondensatoren 25, 26 wird beispielsweise bewirkt, dass sich das Aktorglied 17 von dem Basisteil 16 entfernt und somit das Ventilglied 18 den Fluid-Kanal 19 verschließt. Das Auslenken des Aktorglieds 17 in Richtung der Schließstellung ist in 1 mit durchgezogenen Linien dargestellt.

Nun könnte man, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4, an dem Koppelkondensator 25 bzw. der Schnittstelle 13 eine Steuerspannung in Gegenrichtung anlegen, um das Aktorglied 17 wieder in die in gestrichelten Linien dargestellte Offenstellung zurück zu bewegen und den Fluid-Kanal 19 zu öffnen. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist jedoch eine andere Variante gewählt. Die Antriebseinrichtung 12 enthält nämlich nicht-kapazitiv ansteuerbare Entlademittel 29 mit einem drahtlos nicht-kapazitiv, vorliegend optisch ansteuerbaren Haltleiterschaltelement 30, beispielsweise einer Fotodiode. Wenn ein in der Ansteuereinrichtung enthaltenes Ansteuermittel 31 in Gestalt eines Leuchtmittels, beispielsweise einer Leuchtdiode 32 Licht erzeugt, wird das Halbleiterschaltelement 30 leitend, so dass das Aktorglied 17 entladen wird. Das Halbleiterschaltelement 30 ermöglicht beispielsweise eine Entladung des Aktorglieds 17 gegenüber Masse, wobei es mit dem Aktorglied 17 unmittelbar oder mittelbar, z. B. über die zweite Elektrode 28 (wie in 1) verbunden ist.

3a zeigt den Spannungsverlauf einer Aktorspannung 33 am Aktor 15. Zwischen Zeitpunkten "0" und t1 liegt die Steuerspannung 24 an dem Aktor 15 an, so dass das Aktorglied 17 ausgelenkt wird. Ab dem Zeitpunkt t1 erzeugen die Ansteuermittel 31 einen Lichtpuls 34, so dass das Haltleiterschaltelement 30 leitend wird und den Aktor 15 entlädt.

Die Ansteuereinrichtung 11 und die Antriebseinrichtung 12 haben voneinander separate Gehäuse 35, 36. Das Gehäuse 36 ist bis auf Anschlüsse für den Fluid-Kanal 19 vollständig geschlossen und zweckmäßigerweise flüssigkeitsdicht. Wegen der drahtlosen Schnittstelle 13 sind keinerlei nach außen führende Drahtverbindungen oder optische Verbindungsleitungen an dem Gehäuse 36 notwendig. Die Gehäuse 35 und/oder 36 sind zweckmäßigerweise aus Edelstahl und/oder aus Keramik und/oder Kunststoff.

Eine temperaturbeständige bzw. temperatur-schwankungsbeständige Bauart der Gehäuse 35, 36 ist besonders bevorzugt, so dass beispielsweise die Antriebsteinrichtung 12 auch bei stark wechselnden Temperaturen, beispielsweise im Lebensmittelbereich einsetzbar ist. Beispielsweise kann als Fluid-Fluss 14 ein beliebiges flüssiges oder gasförmiges Medium durch den Kanal 19 hindurchströmen, z. B. Bier oder eine Reinigungsflüssigkeit. Sofern es sich bei dem Fluid, das den Kanal 19 durchströmt, um Bier handelt, ist dieses zweckmäßigerweise kalt, z. B. 7 Grad Celsius. Wenn der Kanal 19 jedoch gereinigt wird, ist die entsprechende Reinigungsflüssigkeit vorzugsweise heiß, z. B. 140 Grad Celsius. Dies bedeutet eine erhebliche Temperaturschwankung, die den elektronischen Komponenten der Ansteuereinrichtung 11 prinzipiell schaden könnte. Da die Ansteuereinrichtung 11 und die Antriebseinrichtung 12 jedoch thermisch voneinander entkoppelt sind, z. B. vorliegend voneinander separate Baueinheiten sind (zweckmäßigerweise in modularer Bauform), findet ein eventuelle schädlicher Temperaturübergang von der Antriebseinrichtung 12 zur Ansteuereinrichtung 11 nicht statt.

Die Gehäuse 35, 36 sind beispielsweise in einer Distanz 37 voneinander beabstandet. Ein Zwischenraum 38 zwischen den Gehäusen 35, 36 kann beispielsweise mit Luft gefüllt sein. Die Luft bewirkt vorliegend eine thermische und eine elektrische Isolation der beiden Gehäuse 35, 36 voneinander. Die in dem Zwischenraum 38 befindliche Luft ist zugleich eine Dielektrikum zwischen den Elektroden 27, 28.

In diesem Zusammenhang sei betont, dass zweckmäßigerweise ein die Kapazität des Koppelkondensators 25 erhöhendes Dielektrikum 39, beispielsweise Luft oder zweckmäßigerweise eine sonstiges, eine höhere Dielektrizitätskonstante aufweisendes Dielektrikum, zwischen den Elektroden 27, 28 des Koppelkondensators 25 angeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, weil die Steuerspannung 24 um einen Faktor F größer sein muss als die am Aktor 15 anliegende Aktorspannung 33, der sich folgendermaßen berechnet:

wobei CK die Kapazität des Koppelkondensators 25 und CA die Kapazität des Aktors 15 sind.

Zur Erhöhung der Aktor-Spannung 33 am Kondensator 26 bzw. dem Aktor 15 kann optional eine elektronische Spannungserhöhungsschaltung 40 vorgesehen sein, die z. B. in eine Verbindungsleitung 41 zwischen den Elektroden 27, 28 geschaltet ist. Die Spannungserhöhungsschaltung 40 erhöht die Aktor-Spannung 33 gegenüber der Steuerspannung 24, wobei beispielsweise zwei oder mehr Spannungshübe der Steuerspannung 24 in einen Spannungshub der Aktor-Spannung 33 umgesetzt wird.

Die Elektroden 27, 28 sind zweckmäßigerweise Bestandteile der Gehäuse 35, 36. Auf diese Weise sind die Elektroden 27, 28 verhältnismäßig großflächig realisierbar. Beispielsweise können die Gehäuse 35, 36 weitgehend aus Metall sein, wobei die Elektroden 27, 28 elektrisch von solchen Gehäusebereichen getrennt sind, die beispielsweise zur Kontaktierung des Basisteils 16 und/oder des Halbleiterschaltelements 30, z. B. gegen Masse, dienen.

Die in 4 dargestellt Ventilanordnung 100 hat teilweise ähnliche Komponenten wie die Ventilanordnung 10. Dementsprechend sind gleiche oder um 100 erhöhte Bezugsziffern verwendet.

Im Unterschied zu der Ventilanordnung 10 weist die Ventilordnung 100 ein vorgesteuertes fluidtechnisches Ventil 140 bei ihrer Antriebseinrichtung 112 auf. Ferner ist kein Entlademittel zum Entladen eines einen Kondensator 126 bildenden piezo-elektrischen Aktors 115 der Antriebseinrichtung 112vorhanden, so dass konsequenterweise die Ansteuereinrichtung 111 keine die Entlademittel ansteuernden Ansteuermittel in der Art der Ansteuermittel 31 hat. Stattdessen erzeugt ein Spannungswandler 123 eine Steuerspannung 124, die sowohl zum Betätigen des Aktors 115 in Verschließstellung als auch zum Betätigen des Aktors 115 in Offenstellung geeignet ist.

Die Steuerspannung 124 hat beispielsweise den in 6b gezeigten rechteckförmigen oder zumindest im wesentlichen rechteckförmigen Verlauf. Zu einem Zeitpunkt "0" steigt die Steuerspannung 124 beispielsweise auf einen Wert Umax, die an dem in Reihe zu dem Aktor 115 geschalteten Koppelkondensator 25 anliegt. Dadurch steigt die am Aktor 115 anliegende Aktorspannung 133 beispielsweise in der in 6a angedeuteten Art an, wobei sich das Aktorglied 17 vom Basisteil 16 entfernt und das Einströmen von Vorsteuer-Druckluft 141 an einem Einlass 142 (der nur schematisch angedeutet ist) ermöglicht. Die einströmende Vorsteuer-Druckluft 141 betätigt ein Betätigungs-Glied oder Ventilglied, z. B. eine Membran 142, an der ein Ventilglied 118 angeordnet ist. Das Ventilglied 118 verschließt dann einen Fluid-Kanal 119, der von einem Fluid 114, z. B. einer flüssigen oder gasförmigen Chemikalie, einem Lebensmittel oder dergleichen, durchströmt ist. Die Antriebseinrichtung 112 bildet eine Ventileinrichtung.

Es versteht sich, dass zusätzlich zu der Membran 142 auch eine weitere Dichtung, beispielsweise eine Teflondichtung vorhanden sein kann. Jedenfalls ist es bevorzugt, dass die Vorsteuerung der Antriebseinrichtung 112 gegenüber dem Fluid-Kanal 119 fluiddicht ist.

Zu einem Zeitpunkt t1 erzeugt der Spannungswandler 123 die Steuerspannung 124 mit dem negativen Spannungs-Wert Umin. Dies bewirkt einen fallende Spannung am Koppelkondensator 25 eine sich verkleinernde Aktorspannung 133 am Aktor 115. Durch Anlegen der negativen Spannung wird der Aktor 115 entladen, so dass sich das Aktorglied 17 in Richtung des Basisteils 16 und somit in die Schließstellung zurückbewegen kann. Dadurch schließt der Aktor 115 und verhindert, dass die Vorsteuer-Druckluft 141 auf die Membran 142 wirkt.

Ein Rückstellmittel in Gestalt einer Rückstellfeder 143, die dem Ventilglied 118 zugeordnet ist, stellt das Ventilglied 118 in Richtung der Offenstellung zurück, so dass Fluid 114 durch den Fluid-Kanal 119 strömen kann. Die Rückstellfeder 143 wirkt beispielsweise auf die Membran 142 und stützt sich an einer Kanalwandung 145 des Kanals 119 ab.

Die Membran 142 hat beispielsweise einen Hub von etwa 3 mm. Die Vorsteuer-Druckluft 141 hat beispielsweise einen Druck von 5 bis 6 bar. Die Rückstellfeder 143 wirkt beispielsweise mit einer Kraft von 30 bis 40 N.

Die Ansteuereinrichtung 111 und die Antriebseinrichtung 112 sind als voneinander separate Module ausgeführt, die jeweils voneinander separate Gehäuse 135, 136 haben. Die beiden Gehäuse 135, 136 sind mit einer Distanz 37 zueinander beabstandet. In einem Zwischenraum 138 zwischen den beiden Gehäusen 135, 136 befindet sich ein Keramikelement 139, das zwei vorteilhafte Wirkungen hat. Das Keramikelement 39, vorzugsweise eine Art Scheibe, bildet zum einen ein Dielektrikum, dass die Kapazität des Koppelkondensators 25 erhöht, so dass die Steuerspannung 124 vergleichsweise gering ausfallen kann. Ferner bildet das Keramikelement 139 eine thermische Entkopplung der beiden Einrichtungen 111, 112, so dass thermisch belastende Einflüsse, die beispielsweise durch das Fluid 114 verursacht sind, im wesentlichen nur auf die Antriebseinrichtung bzw. das Ventilmodul 112 einwirken und nicht auf die Ansteuereinrichtung 112 thermisch übertragen, wo elektrisch empfindlichere Komponenten, beispielsweise der Buskoppler 22, vorhanden sind.

Weitere zweckmäßige zwischen der ersten und zweiten Elektrode 27, 28 anordenbare Isolationsschichten und/oder Dielektrika können beispielsweise ein PTFE-Element (PTFE = Polytetraflurethylen), ein Kunststoffelement oder dergleichen sein.

Die erfindungsgemäßen fluidtechnischen Anordnungen, die zweckmäßigerweise eines oder mehrere Strömungsventile enthalten, eignen sich in besonderer Weise für den Einsatz auf dem Gebiet der Lebensmitteltechnologie. Bei den Antriebseinrichtungen 12 und 112 handelt es sich zweckmäßigerweise um Strömungsventile, das heißt um Schaltventile und/oder Drosselventile, mit denen ein Fluid-Strom ein und ausgeschaltet, bzw. gedrosselt werden kann.


Anspruch[de]
Fluidtechnische Anordnung mit einer Antriebseinrichtung (12; 112), die einen piezo-elektrischen Aktor (15; 115) zum Beeinflussen eines Fluid-Flusses enthält, und mit einer Ansteuereinrichtung (11; 111) zum Ansteuern des piezo-elektrischen Aktors (15; 115) über eine drahtlose Schnittstelle (13), wobei die drahtlose Schnittstelle (13) eine kapazitive Energieübertragung zur Betätigung des piezo-elektrischen Aktors (15; 115) ermöglicht, und dass die Ansteuereinrichtung (11; 111) eine erste Elektrode (27) und die Antriebseinrichtung (12; 112) eine zweite Elektrode (28) eines Koppelkondensators der kapazitiven Schnittstelle (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (27) in ein Gehäuse (35; 135) der Ansteuereinrichtung (11; 111) integriert und die zweite Elektrode (28) in ein von dem Gehäuse (35; 135) der Ansteuereinrichtung (11; 111) separates Gehäuse (36; 136) der Antriebseinrichtung (12; 112) integriert sind. Fluidtechnische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ladevorgang oder Entladevorgang der zweiten Elektrode (28) einen Aktorhub des piezo-elektrischen Aktors (15; 115) bewirkt. Fluidtechnische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (27, 28) eine Isolationsschicht angeordnet ist. Fluidtechnische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht eine thermische Isolationsschicht (138, 139) ist. Fluidtechnische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (27, 28) ein Dielektrikum (139) angeordnet ist. Fluidtechnische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (12; 112) nicht-kapazitiv ansteuerbare Entlademittel (29) zum Entladen des piezo-elektrischen Aktors (15; 115) aufweist, und dass die Ansteuereinrichtung (11; 111) Ansteuermittel (31) zur Ansteuerung der Entlademittel (29) aufweist. Fluidtechnische Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlademittel ein drahtlos ansteuerbares Halbleiterschaltelement (30) aufweist. Fluidtechnische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterschaltelement (30) optisch ansteuerbar ist. Fluidtechnische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (27) einen Bestandteil eines Gehäuses (35; 135) der Ansteuereinrichtung (11; 111) und/oder die zweite Elektrode (28) einen Bestandteil eines Gehäuses (36; 136) der Antriebseinrichtung (12; 112) bildet. Fluidtechnische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (11; 111) und/oder die Antriebseinrichtung (12; 112) ein Gehäuse aufweisen, das zumindest teilweise aus Edelstahl und/oder Keramik besteht. Fluidtechnische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (11; 111) und/oder die Antriebseinrichtung (12; 112) ein mit Ausnahme von Fluidanschlüssen flüssigkeitsdichtes Gehäuse aufweisen. Fluidtechnische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (11; 111) eine Bus-Schnittstelle (22) aufweist. Fluidtechnische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (12; 112) und die Ansteuereinrichtung (11; 111) eine Baueinheit bilden. Fluidtechnische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (12; 112) als Antriebs- oder Ventilmodul und/oder die Ansteuereinrichtung (11; 111) als Ansteuermodul ausgestaltet sind. Fluidtechnische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (12; 112) ein Bestandteil eines fluidtechnischen Ventils ist und der piezo-elektrische Aktor (15; 115) ein Ventilglied des Ventils antreibt oder enthält. Fluidtechnische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezo-elektrische Aktor (15; 115) mittels eines Hebelarms ein von dem piezo-elektrischen Aktor (15; 115) separates Ventilglied (18; 118) betätigt. Fluidtechnische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sie ein durch den piezo-elektrischen Aktor (15; 115) direkt gesteuertes oder vorgesteuertes Ventil (140) enthält. Fluidtechnische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem piezo-elektrischen Aktor (15; 115) und einem den Fluid-Fluss führenden Fluid-Kanal (19; 119) mindestens eine Dichtung (142) angeordnet ist. Fluidtechnische Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (142) eine Teflondichtung ist. Fluidtechnische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine pneumatische Anordnung ist. Fluidtechnische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Ventilanordnung ist.






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