Piezo elemanlar, mekanik kuvvetleri (basınç, çekme gerilimi veya ivme) gerilimlere dönüştüren elektromekanik dönüştürücülerdir. Ters piezoelektrik etki, tam tersi, piezo elemanlarına bir voltaj uygulandığında şekil değiştirmeye zorlar. Bu, mekanik hareket oluşturmalarını ve osilatör olarak kullanılmalarını sağlar. Bu özelliklerden ötürü piezo elemanlar kullanılarak Piezo-elektrik valfler tasarlanmıştır.
Piezoelektrik etki (Yunanca “pres” kelimesinden gelir) 1880’de Jacques ve Pierre Curie kardeşler tarafından keşfedildi, ikincisi Marie Curie’nin kocasıydı. Genellikle iletken yüzeylere sahip seramikler olmak üzere bazı malzemeler buldular, elektrik enerjisini mekanik enerjiye veya tam tersi şekilde dönüştürdüler.
Güçlü elektrik alanları kullanarak, mühendisler, bir voltaj uygulandığında şekil değiştirmelerini sağlayan bazı seramik piezoelektrik özellikleri verebilirler. Bu şekil değişiklikleri, bir sürücüye güç sağlamak için kullanılabilir ve neredeyse sıfır güç kullanılarak oluşturulabilir. Bu, piezoelektrik valflerin ve sürücülerin bir avantajıdır.
Elektriksel terimlerle, bir piezo elemanı, elektriksel olarak iletken iki plakadan ve bunlar arasındaki dielektrik görevi gören seramik piezo malzemeden oluşan bir kapasitördür. Akım yalnızca kapasitör şarj olurken akar ve şarj tamamlandığında akış sıfıra düşer. Elektrik gücü voltaj × akım olarak hesaplanır, bu nedenle daha fazla akım akmazsa güç sıfırdır. Son derece enerji verimli olması gereken uygulamalarda, sürücü sıfırlandığında şarj enerjisini geri kazanmak ve ardından bir sonraki şarj işlemi için tekrar kullanmak bile mümkündür.
Piezo Transdüserlerin Tipleri ve Versiyonları
Piezo elemanlar, ihtiyaçların ne olduğuna bağlı olarak çeşitli aktüatörlere dönüştürülebilir: disk dönüştürücüler, bükme aktüatörleri veya piezo yığınları.
Bender aktüatörleri, her iki yüzeyi de iletken hale getirilmiş bir parça piezo seramik malzeme ile dikdörtgen şeklindedir. Bu parça aynı zamanda bir tarafı boyunca iletken bir alt tabakaya birleştirilir. Aktüatörün bir ucu genellikle sabittir, bu nedenle hareket bir bükülme hareketine dönüştürülür.
Bender aktüatörleri, bir dizi olası kuvvet ve harekete sahip olacak şekilde tasarlanabilir ve pnömatik valflerde kullanım için çok uygundur. Tipik özellikler, bir milimetrenin birkaç onda biri kadar sapma ve 1 N’ye kadar olan kuvvetleri içerir.
Bükücü aktüatöründeki bir varyasyona trimorf denir. Substratı sıkıştıran ikinci bir seramik katmana sahiptir. Bu, performansını artırır ve simetrisi sayesinde daha geniş sıcaklık aralıklarında çalışmasını sağlar.
Bender aktüatörleri, yuvarlak örgü makinelerinde, görme bozukluğu olanlar için okuma cihazlarında (Braille modülleri) ve pnömatik valflerde, özellikle basınç ve akış kontrolü için oransal valflerde kullanılır.
Bir disk dönüştürücü, metal bir alt tabakaya bağlanmış ince bir seramik diskten oluşur. Bir elektrik alanı oluşturmak için diskin üst yüzeyindeki düz alan metalize edilmelidir. Üst yüzeye ve seramik diske voltaj uygulanırsa, seramik genişler ve disk çapı küçüldükçe kalınlaşır. Genel olarak, disk küresel olarak bükülür ve otomobil mesafe sensörlerinde sıklıkla kullanılanlar gibi yüksek frekanslı hoparlörlerde, sensörlerde, mikro pompalarda, fanlarda ve ultrason jeneratörlerinde kullanılmalarına izin verir.
Yığın dönüştürücüler (piezo yığınları), mekanik olarak seri, ancak elektriksel olarak paralel olarak bağlanan yığınlanmış piezo disklerin kuleleridir. Disk transdüserlerin aksine, kompozit malzemenin bükülmesiyle değil, alan yönünde genleşmesiyle çalışma tetiklenir. Bu, yalnızca kısa stroklara (toplam yüksekliğin maksimum %0,2’si kadar) izin verir, ancak birkaç kilonewton’a varan çalıştırma kuvvetleriyle. Yığın dönüştürücüler, dizel yakıt enjektörlerinde ve mikro konumlandırmada kullanılanlar gibi sıvı valflerde bulunabilir.
Piezo-Elektrik Valflerin Çalışması
Bükücüler şeklinde şekillendirilmiş piezo elemanlar, pnömatik valflerde yaygın olarak kullanılır. Piezo-elektrik valfin performansı, elektrik alanının gücüne bağlıdır: Alan gücü ne kadar büyükse, aktüatör ve valf o kadar iyi performans gösterir.
Açma enerjisi, E, E = CU²/2 formülü kullanılarak yaklaşık olarak hesaplanabilir; burada C, dönüştürücünün kapasitansıdır ve U, kontrol voltajıdır. Değerler genellikle 0,5 ile 5 mW arasındadır ve dönüştürücünün kapasitansı genellikle 300 V DC’ye kadar kontrol voltajlarıyla yaklaşık 30 nF’dir. Piezo-elektrik valflerin açma enerjileri her zaman miliwatt saniye olarak belirtilir. Solenoid valflerde olduğu gibi gücü watt olarak belirtmek mümkün değildir.
Piezo-elektrik valfler açıldığında ve güç kaynağı kesildiğinde, şarj taşıyıcıları kesintiyi geçemeyeceğinden valf açık kalır. Valfi sıfırlamak için dönüştürücü şarjı çıkarılmalıdır. Bu, başka bir sistemde tampon depolama kullanılarak (enerji geri kazanımı) veya enerjiyi ısıya dönüştürerek (kısa devre) yapılabilir. Bu nedenle vanayı çalıştırmak için açma-kapama anahtarı yerine geçiş anahtarı gerekir.
Elektrik kontrollü pnömatik valfler dünyasında solenoid valfler, neredeyse %100’lük bir pazar payıyla mutlak standarttır. Bununla birlikte, piezo valfler solenoidlere göre birçok avantaj sunar ve tamamen yeni uygulama alanları açar.
● Düşük enerji tüketimi ve ısı üretimi yok. Kapasitif prensibi kullanarak, piezo valfler, aktif bir durumu sürdürmek için neredeyse hiç enerji gerektirmez. Ayrıca, yüksek frekanslı kontroller kullanılmadığı sürece ısı üretmezler. Ve kullanılmazlar çünkü daha yüksek kontrol frekansları daha yüksek açma enerjilerine ihtiyaç duyar.
Piezo teknolojisi, pille çalışan cihazlar için idealdir. Piezo versiyonları, solenoid valflerle karşılaştırıldığında, pil takımının hizmet ömrünü yedi kat veya daha fazla artırır.
● Kendinden güvenlik, potansiyel olarak patlayıcı ortamlarda çalışacak donanım için gereken koruma düzeyini tanımlayan bir terimdir. Bir elektrik sistemi, depolayabildiği çoğu enerji, bir arıza durumunda atmosferin tutuşmasına neden olamıyorsa, özünde güvenlidir. Piezo valfler bu gereksinimi karşılayabilir.
Anahtarlama hızları, sıralama sistemleri gibi günümüzün yüksek hızlı uygulamalarında daha büyük roller oynamaktadır. Piezo-elektrik valfler, inanılmaz derecede hızlı olabildikleri ve mikrosaniye altı aralığa kolayca ulaşabildikleri için idealdir.
● Anti-manyetik. Piezo-elektrik valfler, yakın manyetik rezonans görüntüleme (MRI) makineleri gibi yüksek manyetik alanlara rağmen çalışır.
● Çoğunlukla plastikten yapılmış, çok az demir veya bakır içeren veya hiç içermeyen muhafazalar sayesinde minimum ağırlık. Daha hafif ekipman her zaman daha taşınabilirdir.
Yüksek hacimlerde düşük maliyetler. Piezo-elektrik valfler, büyük miktarlar gerekliyse seri üretilebilir. Örneğin, piezo ateşlemeli çakmaklar düşük maliyetle mevcuttur.
● Uzun hizmet ömrü. Piezo-elektrik valf sürücüleri, iyi tasarlanmışsa alışılmadık derecede yüksek sayıda çalışma çevrimini idare edebilir. Sürtünmeye maruz kalan başka aşınma parçası olmayan tek bir katı hal çalışan bileşeninden oluşurlar.
Endüstri Uygulamaları
Akış kontrolü. Bazı uygulamalar, uzun süreler boyunca sabit kütle akış oranlarına sahip akış düzenleyicileri kullanır. Tipik örnekler, kaplama için ön uçta ve bağlama için arka uçta yarı iletken imalatının gerektirdiği gibi yapay atmosferlerin üretimini içerir. Bu tür bir yük, bir piezo valf için kolaydır, çünkü neredeyse hiç enerji tüketimi olmadan sabit bir durum içerir. Ancak darbe genişliği modülasyonlu bir anahtarlama valfi için hem enerji hem de mekanik olarak son derece ağır bir yük olacaktır.
Kırılgan iş parçalarının taşınması . Hassas iş parçalarını hareket ettirmek için bir yöntem, çift etkili pnömatik silindirler için “hız kontrolörü”dür. Bu, bir pnömatik silindirin hız kontrollü, sarsıntısız hareketler gerçekleştirmesini sağlar. Çift etkili bir silindire bağlanabilen bir sistem oluşturmak için bir kontrolöre bağlı dört piezo-elektrik valf gerekir. Hız, sabit bir silindir egzoz akış hızı korunarak kontrol edilir. Bu düşük maliyetli sistem, pahalı bir yer değiştirme kodlayıcıya ihtiyaç duymaz ve sorunsuz başlatma ve frenleme gerçekleştirebilir.
Yapıştırıcıların uygulanması . Yapıştırıcıyı pnömatik olarak uyguladıktan sonra damlamaları önlemek için, önceden belirlenmiş miktarda yapıştırıcı uygulandıktan sonra bir vakum uygulanır. Bu, küçük parçaları monte ederken ölçüm gerektirir.
Geleneksel aplikatörler normalde iki valf gerektirir: biri vakum uygulamak için, ikincisi pozitif basınç uygulamak için. Piezo-elektrik valfler, tek valf ile basınç ve vakumu kontrol ederek çok daha hassas, daha hızlı ve verimlidir.
Parlatma silikon devre levhaları. Piezo-elektrik valfler oldukça hassastır ve önceden seçilmiş ayar noktalarına hızla ulaşabilir. Bu, iş parçalarını hassas bir şekilde işlemek için küçük miktarlardaki havanın hassas bir şekilde ölçülmesine çok fazla ihtiyaç duyulan yarı iletken uygulamaları için ideal hale getirir. Örneğin, silikon devre levhalarını parlatırken, her gofret, hassas bir şekilde kontrol edilen basınçla dönen bir parlatma masasına bastırılmalıdır. İşlemin bir adımında, çeşitli diyafram halkaları, değişen miktarlarda kuvvetle silikon devre levhalarının üzerine bastırılır. Bu halkalar hem vakum hem de basınç açısından hassas bir şekilde kontrol edilmelidir. Piezo valfler, bu iki işlevi tek bir kompakt valfte birleştirir.
Tıbbi ventilatörler. Tıbbi kullanıma yönelik mobil ventilatörler hafif, kompakt olmalı ve pil gücüyle uzun süre çalışmalıdır. Birçok hasta uyurken oksijen için bu ünitelere bağımlıdır, bu nedenle makine mümkün olduğunca az ses çıkarmalıdır. Piezo valfler, dayanıklılıkları, doğrulukları, küçük boyutları ve güç ihtiyaçları ve sessiz çalışmaları nedeniyle bu makinelerde halihazırda kullanılmaktadır.
Cerrahi oftalmoloji . Piezo valfler, en yaygın cerrahi prosedürlerden biri olan katarakt cerrahisinde kullanılan pnömatik olarak çalışan aletleri kontrol eder. Bu ameliyat, göz merceğinin ilerleyici veya yaşa bağlı bulanıklaşması olan kataraktın tek tedavisidir. Ameliyatta hastanın bulanık merceği çıkarılır ve yerine yapay bir göz içi merceği (GİL) takılır.
Kullanılan cerrahi aletler pnömatik olarak çalıştırılır. Piezo valfler, basıncı ve vakumu kontrol eder ve aköz hümör (gözdeki doğal sıvı) ve ikame çözeltiler (infüzyonlar) dahil olmak üzere çeşitli sıvıların işlenmesi için çok önemlidir. Piezo valfler, sulu mizahı değiştirirken akışı hassas bir şekilde ölçer ve düzenler.
Araba koltuğu konforu . Piezo valfler, sürücülerin ve yolcuların altındaki hava yastıklarını sessizce doldurup boşaltan zor bir iştir. Bu, sürüşü daha konforlu hale getirir. Koltuk yan panellerine ve sırtlıklara yerleştirilmiş hava keseleri, sürüş durumuna uygun olarak doldurulur. Çeşitli şişirilebilir yastıklara gönderilen hava basınçlarındaki değişiklik, direksiyon açısına, yanal hızlanmaya ve seyir hızına bağlıdır. Örneğin sistem, sola dönüşlerde koltuk arkalığının sağ tarafındaki hava odalarını daha fazla şişirir.
Çamaşırhane özellikleri sayesinde piezo valfler yeni ve eski ürünlerde yeni kullanım alanları buluyor.
Çeşitli Piezo Valfler
Piezoelektrik valfler çok yönlüdür ve çok çeşitli işlevleri yerine getirebilir. İşte Festo Corp.’dan bazı örnekler.
2/2 yollu vana VEMR. Bu valfler, basınç ve akış hızları yuva çapına göre belirlendiğinden, çok çeşitli uygulamalarda kullanılmalarını sağlayan değiştirilebilir yuva eklerine sahiptir. Oksijen tedavisi cihazlarında, örneğin VEMR valfleri, inhalasyonlar sırasında oksijen beslemesini ve ölçümünü yakından kontrol eder. Bir VEMR valfini bir akış sensörüyle birleştirmek, orantılı bir akış kontrol valfi oluşturur. İki VEMR valfi, bir oransal basınç kontrol valfi olarak ek bir basınç sensörü ve kontrol elektroniği ile birlikte kullanılabilir.
3/3 yollu valf VEMC veya VEMP. Bu valfler, boşluk dönüştürücü valfler olarak bilinir. Sıcaklıkla ilgili hataları telafi etmek için diferansiyel hareketleri kullanan özel bir bükme aktüatörü içerirler. VEMC ve VEMP, tıbbi drenaj cihazlarında kullanılır, ancak iki farklı akış hızı arasında seçim yapmak için anahtar valfler olarak da kullanılabilir. VEMC ve VEMP valfleri, orantılı bir basınç regülatörü oluşturmak için bir akış sensörü ve elektronik kontrol ile birleştirilebilir.
3/3 yollu valf VEAA. Rocker dönüştürücü valf olarak da bilinen bu valf, iki yönde hareket etmesini sağlayan ve böylece P veya R portunu kapatan bir trimorf dönüştürücüye sahiptir. basınç regülasyonu.
Doğrudan kontrollü oransal basınç regülatörü VEAB . Bunlar, basınç sensörlü entegre bir elektronik ünite aracılığıyla bir çıkış basıncı sağlayan tam teşekküllü oransal valflerdir. Ayar noktası, 0 ila 5 V veya 0 ila 10 V arasında bir voltaj veya 4 ila 4 arasında bir akım olarak belirtilebilir. 20 mA. Valf ayrıca aynı aralıkta bir referans sinyali üretir. Vana, dakikada yaklaşık 20 litre akış hızı için kompakttır, 10 msn’den daha kısa tepki sürelerine sahiptir, basıncı düzenlemede oldukça hassastır, az güç tüketir ve anahtarlama sesi çıkarmaz.
