Wie funktioniert ein Piezoventil?

Piezoventile steuern präzise den Flüssigkeitsfluss mithilfe des piezoelektrischen Effekts, der es ihnen ermöglicht, mit hoher Genauigkeit zu wirken, ohne Energie zur Aufrechterhaltung ihres Zustands zu benötigen. Diese Ventile zeichnen sich durch ihre kompakte Größe, Leichtigkeit und außergewöhnliche Haltbarkeit und Geschwindigkeit aus, was sie energieeffizient macht und in der Lage, ohne Wärme oder Geräusche zu erzeugen, zu betreiben. Insbesondere funktionieren Piezoventile proportional und weisen eine erhebliche Verschleißfestigkeit auf. Solche Merkmale machen sie für Anwendungen geeignet, die präzise Durchfluss- und Druckregelung erfordern, einschließlich der Halbleiterindustrie für genaue Luft- oder Gasdosierung, der Montage von Kleinteilen mit präziser Klebstoffdosierung und verschiedenen Anwendungen in der Medizintechnik, der Laborautomatisierung und dem Automobilsektor.

Was ist die Piezotechnologie?

Die Piezotechnologie beinhaltet die Verwendung von Piezoelementen, die elektromechanische Wandler sind. Diese Elemente können mechanische Kräfte wie Druck, Zugspannung oder Beschleunigung durch den direkten piezoelektrischen Effekt in elektrische Spannung umwandeln. Umgekehrt tritt der inverse piezoelektrische Effekt auf, wenn eine angelegte Spannung das Piezoelement verformt, wodurch eine mechanische Bewegung oder Schwingungen erzeugt werden.

Piezoelektrische Materialien, typischerweise spezielle Keramiken mit leitfähigen Oberflächen, erleichtern die Umwandlung von elektrischer und mechanischer Energie. Diese Materialien haben unterhalb einer bestimmten Temperatur, bekannt als die Curie-Temperatur, eine asymmetrische Gitterstruktur, die sie zu Dipolen macht. Diese Keramiken können dauerhaft polarisiert werden, wenn sie starken elektrischen Feldern ausgesetzt sind, was ihnen piezoelektrische Eigenschaften verleiht. Diese Polarisation bewirkt, dass sich das Material bei angelegter Spannung verformt, was zu einer 3D-Deformation entlang der Feldlinien und einer Schrumpfung im rechten Winkel zu diesen Linien führt.

Vorteile von Piezoventilen

Piezoventile bieten mehrere klare Vorteile gegenüber herkömmlichen Solenoidventilen. Hier ist eine prägnante Liste, die die Hauptvorteile von Piezoventilen hervorhebt:

• Niedriger Energieverbrauch: Piezoventile benötigen minimal Energie, um aktiv zu bleiben, erzeugen keine Wärme, es sei denn, es wird eine Hochfrequenzsteuerung angewendet. Dies macht sie ideal für batteriebetriebene Geräte und verlängert die Batterielebensdauer erheblich im Vergleich zu Solenoidventilen.
• Intrinsische Sicherheit: Diese Ventile erfüllen die Anforderungen der "intrinsischen Sicherheit" für explosive Umgebungen, da sie nur minimale Energie speichern und so das Risiko einer Zündung verringern.
• Hohe Schaltgeschwindigkeit: Mit Betriebszeiten im Submikrosekundenbereich sind Piezoventile perfekt für Anwendungen, die eine schnelle Reaktion erfordern, wie Hochgeschwindigkeitssortiersysteme und geschlossene Regelkreise.
• Antimagnetische Eigenschaften: Die Piezotechnologie funktioniert zuverlässig in Umgebungen mit hohen Magnetfeldern, wie z. B. in Magnetresonanztomographie (MRT)-Systemen.
• Minimales Gewicht: Typischerweise aus Kunststoff gefertigt und ohne Eisen- und Kupferteile, sind Piezoventile leicht und tragbar.
• Niedrige Kosten: Die Massenproduktion von Piezotechnologie kann kostengünstig sein, wie bei preiswerten piezozündenden Feuerzeugen zu sehen ist.
• Lange Lebensdauer: Mit einem einzigen Festkörperbauteil und ohne anfällige Teile mit Reibung können Piezoventile eine hohe Anzahl von Betriebszyklen erreichen, wenn sie ordnungsgemäß konstruiert sind.

Hinweis: Nicht alle diese Vorteile können in einem einzelnen Ventil vollständig realisiert werden, da die Konstruktionen in der Regel auf spezifische Anwendungen zugeschnitten sind, bei denen bestimmte Vorteile priorisiert werden.

Piezoventil-Designs

Folgende Komponenten sind in Piezoventilen üblich:

• Piezoelektrischer Aktuator: Wandelt elektrische Energie in mechanische Bewegung um, um die Ventilfunktion zu steuern.
• Ventilgehäuse: Beherbergt alle internen Komponenten und gewährleistet die strukturelle Integrität.
• Einspeiseanschluss: Einstiegspunkt für die Flüssigkeit oder das Gas, die in das Ventil eintreten.
• Auslassanschluss: Austrittspunkt für die Flüssigkeit oder das Gas, die das Ventil verlassen.
• Dichtungselement: Gewährleistet eine dichte Abdichtung, um Leckagen zu verhindern, wenn das Ventil geschlossen ist.
• Elektrische Anschlüsse: Bieten die Schnittstelle für elektrische Signale zur Steuerung des Aktuators.
• Montagehalterung: Ermöglicht die sichere Befestigung des Ventils an einer Oberfläche oder einem System.
• Steuerungselektronik: Verwalten den Betrieb des piezoelektrischen Aktuators basierend auf Eingangssignalen.

Piezoelektrische Aktuatorstile

Biegeaktuatoren

Biegeaktuatoren sind rechteckig und auf beiden Oberflächen leitfähig. Diese Keramik ist mit einem leitfähigen Substrat verbunden, wodurch Elektroden entstehen. Wenn Spannung angelegt wird, dehnt sich die Keramik entlang des elektrischen Feldes aus, was dazu führt, dass der Aktuator am freien Ende verbogen wird. Diese Aktuatoren gibt es in verschiedenen Versionen mit unterschiedlichen Kraft- und Bewegungseigenschaften, wodurch sie für Anwendungen wie pneumatische Ventile, Rundstrickmaschinen und Braille-Module geeignet sind. Eine bemerkenswerte Variante ist der Trimorph, der eine zusätzliche Keramikschicht enthält, was die Leistung und den Temperaturbereich verbessert.

Scheibenwandler

Scheibenwandler sind einfache Piezoelemente, die als dünne Keramikscheiben geformt und an Metallsubstraten befestigt sind. Die Oberfläche der Scheibe ist metallisiert, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, wenn Spannung angelegt wird. Dies führt dazu, dass die Keramik sich ausdehnt, die Dicke der Scheibe zunimmt und ihr Durchmesser abnimmt, was zu einer sphärischen Biegebewegung führt. Dieser Biegeeffekt wird in Hochfrequenzlautsprechern, Sensoren, Mikropumpen, Lüftern und Ultraschallgeneratoren genutzt, die häufig in automobilen Abstandssensoren zu finden sind.

Stapelwandler

Stapelwandler oder Piezostapel bestehen aus mehreren Piezoscheiben, die mechanisch in Serie gestapelt und elektrisch parallel verbunden sind. Im Gegensatz zu Scheibenwandlern basiert ihr Betrieb auf der direkten Ausdehnung entlang des elektrischen Feldes, was kurze Hübe ermöglicht, aber bedeutende Aktionskräfte erzeugt. Diese Wandler werden in Anwendungen eingesetzt, die hohe Kräfte erfordern, wie z. B. Flüssigkeitsventile in Dieselkraftstoffeinspritzsystemen und Mikro-Positionierungsgeräte.

Tabelle 1: Verschiebung und erzeugte Kraft von Biege-, Scheiben- und Stapelwandlern

Wandlerart	Biege	Scheibe	Stapel
Verschiebung	100 - 1000 µm	10 - 100 µm	10 - 100 µm
Kraft	0,1 - 2 N	1 - 10 N	1.000 - 10.000 N

Betriebsprinzip

Dieser Abschnitt beschreibt das Betriebsprinzip eines typischen Piezoventils:

1. Nutzung des Piezoelements: Piezoventile verwenden hauptsächlich Biegeaktoren aus Piezoelementen. Die Leistung dieser Ventile verbessert sich mit einem stärkeren elektrischen Feld.
2. Energieeffizienz: Im Gegensatz zu Schaltsolenoidventilen benötigen Piezoventile keinen kontinuierlichen Strom, um ihren Zustand aufrechtzuerhalten. Sie benötigen nur während der initialen Einschaltphase eine höhere Versorgungsspannung und verbrauchen insgesamt deutlich weniger Energie.
3. Berechnung der Einschaltenergie: Die Energie, die benötigt wird, um ein Piezoventil einzuschalten, kann mit der Formel berechnet werden, wobei (C) die Kapazität und (U) die Steuerspannung ist. Typischerweise liegt diese Energie zwischen 0,5 und 5 Milliwatt-Sekunden (mWs).
4. Zustand des Ventils aufrechterhalten: Nach der Aktivierung behalten Piezoventile ihren Zustand bei, auch wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. Dies liegt daran, dass die Ladungsträger ohne aktive Entladung nicht abfließen können.
5. Zurücksetzen des Ventils: Um das Ventil zurückzusetzen, muss die Ladung vom Wandler entfernt werden. Dies kann entweder durch Speichern der Energie in einem anderen System (Energierückgewinnung) oder durch Umwandeln in Wärme (Kurzschluss) erfolgen. Daher ist anstelle eines einfachen Ein-Aus-Schalters ein Umschalter erforderlich.
6. Hochspannungserzeugung: Hochleistungs-Piezoventile erfordern hohe Spannungen, die effizient mit einem Boost-Konverter erzeugt werden können. Dieses Gerät verwendet die hohe Induktionsspannung aus dem zyklischen Abschalten einer Spule und speichert sie in einem Kondensator.
7. Betrieb des Boost-Konverters: Ein Boost-Konverter kann eine Ausgangsspannung von 300 V aus einer Eingangsspannung von nur 1 V erreichen. Der Oszillator für den Schalter kann oft in den vorhandenen Mikroprozessor des Systems integriert werden, oder es können spezialisierte integrierte Schaltungen verwendet werden.
8. Effizienz und Regelung: Für diesen Zweck entwickelte integrierte Schaltungen verwalten die Ausgangsspannungsregelung und gewährleisten eine hohe Effizienz, die oft über 80% liegt.

Anwendungen von Piezoventilen

Die folgende Liste enthält gängige Anwendungen von Piezoventilen:

• Flusssteuerung in der Halbleiterproduktion für Beschichtungs- und Bindungsprozesse
• Zerstörungsfreie Handhabung empfindlicher Werkstücke mit Geschwindigkeitsreglern für doppeltwirkende pneumatische Zylinder
• Schnelle und präzise Dosierung in industriellen Klebstoffanwendungen
• Präzise Steuerung von Durchflussraten in verschiedenen industriellen Anwendungen
• Polieren von Wafern in der Halbleiterproduktion durch Druck- und Vakuumregelung
• Mobile Beatmungsgeräte in der Medizintechnik für kompakte, energieeffiziente und leise Betriebsweise
• Pneumatisch betriebene chirurgische Werkzeuge in der Augenheilkunde für Kataraktoperationen
• Aufblasen von Luftkissen in Autositzen für mehr Komfort und Unterstützung
• Bionischer Handling-Assistent für präzise und zielgerichtete Dosierung von Druckluft

Auswahlkriterien

Die folgenden Auswahlkriterien für ein Piezoventil basieren auf den Eigenschaften des Piezoventils von Festo (VEVM). Verwenden Sie diese Eigenschaften, um zu wissen, worauf bei der Auswahl von Piezoventilen zu achten ist.

Allgemeine Daten

• Rücksetzmethode: Feder
• Schließmechanismus: Kolbensitz
• Flussrichtung: Nicht umkehrbar
• Statusanzeige: Ein blaues LED-Licht bedeutet normale Funktion. Ein rotes LED-Licht bedeutet Fehlfunktion.
• Nenngröße: 4,2 mm
• Standard-Nenndurchfluss: 450 l/min
• Gewicht: 200 g
• Schutz: IP65

Betriebs- und Umgebungsbedingungen

• Betriebsmedium: Druckluft (ISO 8573)
• Schmierung: Nicht erlaubt
• Betriebsdruck: 3 - 8 bar (43,5 - 116 psi)
• Betriebstemperatur: 5 - 45 °C (41 - 113 °F)

Elektrische Daten

• Betriebsspannung: 24VDC
• Erlaubte Spannungsschwankungen: +/- 25%
• Leistungsaufnahme: 2W
• Dauerbetrieb: 100%

Pneumatische Anschlüsse

• G3/8: Versorgung, Abgas
• G1/8: Arbeitsanschlüsse
• M5: Pilotluftversorgung
• M7: Pilotabgas, Entlüftungsloch

Materialien

• Gehäuse: PA
• Dichtungen: TPE-U(PU), NBR

FAQs

Wie funktioniert ein Piezoventil?

Ein Piezoventil funktioniert, indem es einen verformbaren piezoelektrischen Aktuator verwendet, um die Ventilöffnung zu steuern und eine präzise Regulierung des Flüssigkeitsflusses zu ermöglichen.

Was ist ein Piezoventil-Aktuator?

Ein Piezoventil-Aktuator ist eine Komponente, die elektrische Signale mithilfe des piezoelektrischen Effekts in mechanische Bewegung umwandelt, um den Ventilbetrieb zu steuern.

Welche Anwendungen hat die Piezoventil-Technologie?

Die Piezoventil-Technologie wird in der Halbleiterherstellung, Medizingeräten, Labormechanisierung und Automobilsystemen für präzise Durchfluss- und Druckregelung eingesetzt.