Hoe werkt een piëzoventiel

Piëzoventielen regelen nauwkeurig de vloeistofstroom met behulp van het piëzo-elektrisch effect, waardoor ze met hoge nauwkeurigheid kunnen worden geactiveerd zonder energie nodig te hebben om hun toestand te behouden. Deze ventielen worden gekenmerkt door hun compacte formaat, lichtgewicht en uitzonderlijke duurzaamheid en snelheid, waardoor ze energiezuinig zijn en kunnen werken zonder warmte of geluid te genereren. Piëzoventielen functioneren proportioneel en vertonen aanzienlijke slijtvastheid. Deze kenmerken maken ze geschikt voor toepassingen die nauwkeurige stroom- en drukregeling vereisen, waaronder de halfgeleiderindustrie voor nauwkeurige lucht- of gasmeting, assemblage van kleine onderdelen met nauwkeurige dosering van lijm, en diverse toepassingen in de medische technologie, laboratoriumautomatisering en de auto-industrie.

Wat is piëzotechnologie?

Piëzotechnologie omvat het gebruik van piëzoelektrische elementen, die elektromechanische transducers zijn. Deze elementen kunnen mechanische krachten zoals druk, trekspanning of versnelling omzetten in elektrische spanning via het directe piëzo-elektrische effect. Omgekeerd treedt het omgekeerde piëzo-elektrische effect op wanneer een aangelegde spanning ervoor zorgt dat het piëzoelement vervormt, waardoor mechanische beweging of trillingen ontstaan.

Piëzo-elektrische materialen, meestal speciale keramiek met geleidende oppervlakken, vergemakkelijken de omzetting van elektrische en mechanische energie. Deze materialen hebben een asymmetrische kristalstructuur onder een bepaalde temperatuur, bekend als de Curie-temperatuur, waardoor ze dipolen zijn. Deze keramiek kunnen permanent gepolariseerd worden wanneer ze worden blootgesteld aan sterke elektrische velden, waardoor ze piëzo-elektrische eigenschappen krijgen. Deze polarisatie zorgt ervoor dat het materiaal van vorm verandert wanneer er spanning wordt aangelegd, resulterend in 3D-vervorming langs de veldlijnen en krimp loodrecht op deze lijnen.

Voordelen van piëzoventielen

Piëzoventielen bieden verschillende duidelijke voordelen ten opzichte van traditionele solenoidventielen. Hieronder volgt een beknopte lijst met de belangrijkste voordelen van piëzoventielen:

• Lage energieverbruik: Piëzoventielen verbruiken minimaal energie om actief te blijven, genereren geen warmte tenzij er hoogfrequente regeling wordt toegepast. Dit maakt ze ideaal voor batterijgevoede apparaten, waardoor de levensduur van de batterij aanzienlijk wordt verlengd in vergelijking met solenoidventielen.
• Intrinsieke veiligheid: Deze ventielen voldoen aan de vereisten voor "intrinsieke veiligheid" in explosiegevaarlijke omgevingen, omdat ze minimale energie opslaan, waardoor het risico op ontsteking wordt verminderd.
• Hoge schakelsnelheid: In staat om te werken in het submicroseconde-bereik, zijn piëzoventielen perfect voor toepassingen die een snelle respons vereisen, zoals systemen voor hoge-snelheidssortering en gesloten regelkringen.
• Antimagnetische eigenschappen: Piëzotechnologie functioneert betrouwbaar in omgevingen met hoge magnetische velden, zoals magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) systemen.
• Minimaal gewicht: Doorgaans gemaakt van plastic en zonder ijzer- en kopercomponenten, zijn piëzoventielen lichtgewicht en draagbaar.
• Lage kosten: Massaproductie van piëzotechnologie kan kosteneffectief zijn, zoals te zien is bij goedkope piëzo-ontstekers.
• Lange levensduur: Met een enkelvoudig vastestofcomponent en geen onderdelen die gevoelig zijn voor wrijving, kunnen piëzoventielen een groot aantal bedrijfscycli bereiken wanneer ze goed zijn ontworpen.

Opmerking: Niet al deze voordelen kunnen volledig worden gerealiseerd in een enkel ventiel, aangezien ontwerpen meestal worden afgestemd op specifieke toepassingen waar bepaalde voordelen prioriteit hebben.

Ontwerpen van piëzoventielen

De volgende componenten zijn gebruikelijk in piëzoventielen:

• Piëzo-elektrische actuator: Zet elektrische energie om in mechanische beweging om de werking van het ventiel te regelen.
• Ventielbehuizing: Herbergt alle interne componenten en biedt structurele integriteit.
• Inlaatpoort: Toegangspunt voor de vloeistof of gas om het ventiel binnen te gaan.
• Uitlaatpoort: Uitgangspunt voor de vloeistof of gas om het ventiel te verlaten.
• Afdichtingselement: Zorgt voor een goede afdichting om lekkage te voorkomen wanneer het ventiel gesloten is.
• Elektrische connectoren: Bieden de interface voor elektrische signalen om de actuator te regelen.
• Montagebeugel: Maakt het mogelijk om het ventiel veilig aan een oppervlak of systeem te bevestigen.
• Besturingselektronica: Beheert de werking van de piëzo-elektrische actuator op basis van invoersignalen.

Stijlen van piëzo-elektrische actuatoren

Buigactuatoren

Buigactuatoren zijn rechthoekig en geleidend aan beide oppervlakken. Deze keramiek zijn verbonden met een geleidend substraat, waardoor elektroden ontstaan. Wanneer er spanning wordt aangelegd, zet de keramiek uit langs het elektrische veld, waardoor de actuator buigt aan het vrije uiteinde. Deze actuatoren zijn verkrijgbaar in verschillende versies met verschillende kracht- en bewegingseigenschappen, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen zoals pneumatische ventielen, cirkelbreimachines en braillemodules. Een opmerkelijke variant is de trimorf, die een extra keramische laag bevat, waardoor de prestaties en temperatuurbereik worden verbeterd.

Schijftransducers

Schijftransducers zijn eenvoudige piëzo-elementen die zijn gevormd als dunne keramische schijven die zijn bevestigd aan metalen substraten. Het oppervlak van de schijf is gemetaliseerd om een elektrisch veld te creëren wanneer er spanning wordt aangelegd. Dit zorgt ervoor dat de keramiek uitzet, waardoor de dikte van de schijf toeneemt terwijl de diameter afneemt, resulterend in een sferische buigbeweging. Dit buigeffect wordt gebruikt in hoogfrequente luidsprekers, sensoren, micropompen, ventilatoren en ultrasoongeneratoren, die vaak te vinden zijn in afstandssensoren voor auto's.

Stapeltransducers

Stapeltransducers, of piëzostapels, bestaan uit meerdere piëzo-schijven die mechanisch in serie zijn gestapeld en elektrisch parallel zijn aangesloten. In tegenstelling tot schijftransducers is hun werking gebaseerd op directe uitzetting langs het elektrische veld, waardoor korte slagen mogelijk zijn maar aanzienlijke actiekrachten worden gegenereerd. Deze transducers worden gebruikt in toepassingen die hoge krachten vereisen, zoals vloeistofventielen in dieselmotor-brandstofinjectiesystemen en micro-positioneringsapparaten.

Tabel 1: Verplaatsing en gegenereerde kracht van buiger-, schijf- en stapeltransducers

Type transducer	Buiger	Schijf	Stapel
Verplaatsing	100 - 1000 µm	10 - 100 µm	10 - 100 µm
Kracht	0,1 - 2 N	1 - 10 N	1.000 - 10.000 N

Werkingsprincipe

Deze sectie beschrijft het werkingsprincipe van een typische piëzoventiel:

1. Gebruik van piëzo-element: Piëzoventielen gebruiken voornamelijk buigeractuatoren gemaakt van piëzo-elementen. De prestaties van deze ventielen verbeteren met een sterker elektrisch veld.
2. Energie-efficiëntie: In tegenstelling tot elektromagnetische ventielen hebben piëzoventielen geen continue stroom nodig om hun toestand te behouden. Ze hebben alleen tijdens de initiële inschakelfase een hogere voedingsspanning nodig, waarbij ze over het algemeen aanzienlijk minder energie verbruiken.
3. Berekening van inschakelenergie: De energie die nodig is om een piëzoventiel in te schakelen, kan worden benaderd met de formule, waarbij (C) de capaciteit is en (U) de regelspanning. Typisch varieert deze energie van 0,5 tot 5 milliwatt-seconden (mWs).
4. Toestand van het ventiel behouden: Eenmaal geactiveerd, behouden piëzoventielen hun toestand zelfs als de voeding is losgekoppeld. Dit komt doordat de ladingdragers niet kunnen wegvloeien zonder een actieve ontlading.
5. Resetten van het ventiel: Om het ventiel te resetten, moet de lading worden verwijderd van de transducer. Dit kan worden gedaan door de energie op te slaan in een ander systeem (energieherstel) of door deze om te zetten in warmte (kortsluiting). Daarom is een omschakelschakelaar nodig in plaats van een eenvoudige aan-uit-schakelaar.
6. Generatie van hoge spanning: Hoogwaardige piëzoventielen vereisen hoge spanning, die efficiënt kan worden gegenereerd met behulp van een boostconverter. Dit apparaat gebruikt de hoge inductiespanning van een cyclische uitschakeling van een spoel, die wordt opgeslagen in een condensator.
7. Werking van de boostconverter: Een boostconverter kan een uitgangsspanning van 300 V bereiken vanaf een ingangsspanning van slechts 1 V. De oscillator voor de schakelaar kan vaak worden geïntegreerd in de bestaande microprocessor van het systeem, of er kunnen gespecialiseerde geïntegreerde schakelingen worden gebruikt.
8. Efficiëntie en regeling: Geïntegreerde schakelingen die voor dit doel zijn ontworpen, beheren de regeling van de uitgangsspanning en zorgen voor een hoge efficiëntie, vaak meer dan 80%.

Toepassingen van piëzoventielen

De volgende lijst bevat veelvoorkomende toepassingen van piëzoventielen:

• Stroomregeling in de productie van halfgeleiders voor coating- en bindprocessen
• Niet-destructieve behandeling van kwetsbare werkstukken met snelheidsregelaars voor dubbelwerkende pneumatische cilinders
• Snelle en nauwkeurige dosering in industriële toepassingen van lijmen
• Nauwkeurige regeling van debieten in verschillende industriële toepassingen
• Polijsten van wafers in de productie van halfgeleiders door druk en vacuüm te regelen
• Mobiele ventilatoren in de medische technologie voor compacte, energiezuinige en stille werking
• Pneumatisch aangedreven chirurgische instrumenten in de oogheelkunde voor staaroperaties
• Opblazen van luchtkussens in autostoelen voor verbeterd comfort en ondersteuning
• Bionische Handling Assistant voor nauwkeurige en doelgerichte dosering van samengeperste lucht

Selectiecriteria

De volgende selectiecriteria voor een piëzoventiel zijn opgesteld aan de hand van de kenmerken van het piëzoventiel van Festo (VEVM). Gebruik deze kenmerken om te weten waarop te letten bij het selecteren van piëzoventielen.

Algemene gegevens

• Resetmethode: Veer
• Sluitmechanisme: Zuigerzitting
• Stroomrichting: Niet-omkeerbaar
• Statusaanduiding: Een blauwe LED betekent normale werking. Een rode LED betekent storing.
• Nominale grootte: 4,2 mm
• Standaard nominale doorstroming: 450 l/min
• Gewicht: 200 g
• Bescherming: IP65

Bedrijfs- en omgevingscondities

• Bedrijfsmiddel: Samengeperste lucht (ISO 8573)
• Smering: Niet toegestaan
• Bedrijfsdruk: 3 - 8 bar (43,5 - 116 psi)
• Bedrijfstemperatuur: 5 - 45 °C (41 - 113 °F)

Elektrische gegevens

• Bedrijfsspanning: 24VDC
• Toegestane spanningsfluctuaties: +/- 25%
• Vermogensverbruik: 2W
• Duty cycle: 100%

Pneumatische aansluitingen

• G3/8: Voeding, uitlaat
• G1/8: Werkpoorten
• M5: Pilootluchttoevoer
• M7: Pilootuitlaat, ontluchtingsgat

Materialen

• Behuizing: PA
• Afdichtingen: TPE-U(PU), NBR

Veelgestelde vragen

Hoe werkt een piëzoventiel?

Een piëzoventiel werkt door een vervormbare piëzo-elektrische actuator te gebruiken om de ventielopening te regelen, waardoor een nauwkeurige regeling van de vloeistofstroom mogelijk is.

Wat is een piëzoventielactuator?

Een piëzoventielactuator is een component die elektrische signalen omzet in mechanische beweging door gebruik te maken van het piëzo-elektrisch effect om de werking van het ventiel te regelen.

Wat zijn de toepassingen van piëzoventieltechnologie?

Piëzoventieltechnologie wordt gebruikt in halfgeleiderfabricage, medische apparaten, laboratoriumautomatisering en automotive systemen voor nauwkeurige regeling van stroom en druk.