Ventile mit Piezotechnologie

Effiziente Steuerung und Regelung von Gasen in der Medizintechnik

Bestimmte Keramiken weisen piezoelektrische Eigenschaften auf, d. h., wenn diese Keramiken mechanisch verformt werden, entsteht im Material eine Spannung. Dieser Effekt tritt auch in umgekehrter Richtung auf: Das Anlegen einer Spannung an diese Keramiken führt zu deren Verformung.

Dieses piezoelektrische Verhalten kann in vielen Anwendungen genutzt werden, z. B. zur Erzeugung oder Erkennung von Ultraschallwellen, als Zündquelle (Funken) für Feuerzeuge oder Propangasgrills oder für feine Bewegungen optischer Linsen für den Autofokus in Smartphone-Kameras.

Die Piezotechnologie bietet auch eine neue Möglichkeit, Ventile zur Steuerung von Druck oder Durchfluss von Gasen zu entwickeln. Wird an den Piezo-Bieger eine Spannung angelegt, verbiegt er sich und hebt vom Ventilsitz ab. Je höher die Spannung ist, desto mehr biegt sich der Aktor und desto mehr Gas kann durch das Ventil strömen.

Piezokeramik wirkt wie ein kleiner Kondensator, da die angelegte Spannung das keramische Material auflädt und es dadurch verbiegt. Um seine ursprüngliche Form wiederzuerlangen, muss das Material aktiv entladen werden. Piezokeramiken benötigen keine Energie, um eine bestehende mechanische Verformung beizubehalten. Selbst nach einem Stromausfall behält das Ventil seine aktuelle Position bei.

Dies bedeutet auch, dass Energie nur dann benötigt wird, wenn die Form des Piezo-Biegers verändert werden soll, d.h. um die Ladung des Biegers selbst zu verändern. Die benötigte Energiemenge ist in diesem Fall sehr gering (in der Größenordnung von 1 mWs), da Piezokeramiken eine kleine Kapazität haben (im Bereich von 20 nF bis 40 nF). Im Gegensatz dazu ist für Magnetventile eine kontinuierliche Energiezufuhr von mehreren Watt erforderlich, um den offenen Zustand aufrechtzuerhalten, wobei sich das Magnetventil dabei erhitzt.

Aufgrund ihres geringen Energieverbrauchs eignet sich die Piezotechnologie ideal für batteriebetriebene Geräte (die viel weniger Strom verbrauchen als Magnetventile) und für Anwendungen, bei denen die Ventile das Gas nicht erwärmen dürfen.

Die Piezotechnologie hat ganz spezifische Vorteile:

  • Proportionales Verhalten
  • Keine Wärmeentwicklung
  • Extrem niedriger Energiebedarf
  • Sehr kompakt und leicht
  • Lange Lebensdauer
  • Eigensicherheit

Piezoventile können nicht als Ersatz für Magnetventile verwendet werden. Piezoventile arbeiten mit höheren Spannungen von bis zu 310 V, während Magnetventile mit 5, 12 oder 24 V arbeiten. Eine einfache Piezotreiberelektronik ist immer erforderlich, um die erforderlichen 250 - 310 V aus der 5-, 12- oder 24-Volt-Spannungsversorgung zu erzeugen und um den Piezo-Bieger zu laden und zu entladen. Obwohl 310V hoch erscheinen mögen, ist der entsprechende Strom sehr gering (max. 5 mA mit 50 kOhm Vorwiderstand am Ausgang). Die Piezoelektronik kann elektrisch sicher ausgelegt werden, so dass die Spannung bei Berührung der Kontakte sofort auf deutlich unter 50V abfällt.

Festo bietet eine breite Palette von Ventilen mit Piezotechnologie für unterschiedliche Durchfluss- oder Druckanforderungen in einer Vielzahl von Anwendungen. Diese Ventile können auch zur Steuerung von 100%igem Sauerstoffgas verwendet werden, da ihre Materialien auf Sauerstoffverträglichkeit geprüft sind.

Über den Autor

Thomas Kunert
Product Management MedLab
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