Ventielen met piëzotechnologie

Efficiënte sturing en regeling van gassen in de medische techniek

Bepaalde keramische materialen hebben piëzo-elektrische eigenschappen, d.w.z. wanneer deze keramische materialen mechanisch vervormd worden, ontstaat er een spanning in het materiaal. Dit effect treedt ook op in de tegenovergestelde richting: als er een spanning op dit keramiek wordt gezet, vervormt het.

Dit piëzo-elektrisch gedrag kan in veel toepassingen worden gebruikt, bijvoorbeeld voor het opwekken of detecteren van ultrasone golven, als ontstekingsbron (vonk) voor aanstekers of propaangrills, of voor fijne bewegingen van optische lenzen voor autofocus in smartphonecamera's.

Piëzotechnologie biedt ook een nieuwe manier om ventielen te ontwikkelen voor de sturing van de druk of het debiet van gassen. Wanneer er een spanning op de piëzo-buiger wordt gezet, buigt hij en tilt hij de ventielzitting op. Hoe hoger de spanning, hoe meer de actuator buigt en hoe meer gas er door het ventiel kan stromen.

Piëzokeramiek werkt als een kleine condensator, omdat de toegepaste spanning het keramische materiaal oplaadt en dus buigt. Om zijn oorspronkelijke vorm terug te krijgen, moet het materiaal actief worden ontladen. Piëzokeramiek heeft geen energie nodig om een bestaande mechanische vervorming in stand te houden. Zelfs na een wegvallen van de stroom behoudt het ventiel zijn huidige positie.

Dit betekent ook dat er alleen energie nodig is om de vorm van de piëzobuiger te veranderen, d.w.z. om de lading van de buiger zelf te veranderen. De hoeveelheid energie die in dit geval nodig is, is erg klein (in de orde van 1 mWs), omdat piëzokeramiek een kleine capaciteit heeft (in de orde van 20 nF tot 40 nF). Magneetventielen vereisen daarentegen een continue energietoevoer van enkele watts om de open stand te handhaven, waarbij de magneetventiel opwarmt.

Vanwege het lage energieverbruik is piëzotechnologie ideaal voor apparaten die op batterijen werken (die veel minder energie verbruiken dan magneetventielen) en voor toepassingen waarbij de ventielen het gas niet mogen verhitten.

Piëzotechnologie heeft zeer specifieke voordelen:

  • Proportioneel gedrag
  • Geen warmteontwikkeling
  • Extreem lage energiebehoefte
  • Zeer compact en licht
  • Lange levensduur
  • Intrinsieke veiligheid

Piëzoventielen kunnen niet worden gebruikt ter vervanging van magneetventielen. Piëzoventielen werken bij hogere spanningen tot 310 V, terwijl magneetventielen werken bij 5, 12 of 24 V. Er is altijd eenvoudige elektronica voor piëzodrivers nodig om de benodigde 250 - 310 V te genereren uit de 5-, 12- of 24-volt voeding en om de piëzo buigmachine op te laden en te ontladen. Hoewel 310V hoog lijkt, is de bijbehorende stroom erg laag (max. 5 mA met 50 kOhm serieweerstand aan de uitgang). De piëzo-elektronica kan zo worden ontworpen dat deze elektrisch veilig is, zodat de spanning onmiddellijk daalt tot ruim onder 50 V wanneer de contacten worden aangeraakt.

Festo biedt een breed assortiment ventielen met piëzotechnologie voor verschillende debiet- of drukvereisten in uiteenlopende toepassingen. Deze ventielen kunnen ook worden gebruikt ovoor de sturing van 100% zuurstofgas, omdat hun materialen zijn getest op zuurstofcompatibiliteit.

Over de auteur

Thomas Kunert
Product Management MedLab
Contact

januari 2018

Overzicht