DE19546181A1 - Mikroventil - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ventile zur
Steuerung von Fluidströmungen und insbesondere auf Ventile,
bei denen eine Ventilplatte von einer Ventilöffnung nur sehr
wenig beabstandet ist.
Ein Ventil, auf das die vorliegende Erfindung anwendbar ist,
ist beispielsweise ein elektrostatisch angetriebenes Mikro
ventil, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Ein elektrosta
tisch angetriebenes Mikroventil besteht aus einem Ventil
grundkörper 10 mit einer Ventilöffnung 12 und einer Ventil
platte 14 mit Fluiddurchführungen 16. Die Ventilöffnung
weist typischerweise die Form eines Quadrats mit einer Sei
tenlänge von 0,2 mm auf. Die Ventilöffnung 12 ist von einer
Dichtkante 18 umgeben, die sich entlang des Umfangs der Ven
tilöffnung 12 erstreckt. Die Dichtkante 18 kann beispiels
weise durch eine Erhöhung entlang des Umfangs der Ventilöff
nung gebildet sein.
Die Ventilplatte 14 und der Ventilgrundkörper 10 sind rela
tiv zueinander beweglich angeordnet, derart, daß mittels der
Ventilplatte 14 die Ventilöffnung 12 des Ventilkörpers 10
geschlossen und geöffnet werden kann. Dabei kann entweder
der Ventilgrundkörper starr und die Ventilplatte elastisch
oder der Ventilgrundkörper elastisch und die Ventilplatte
starr angeordnet sein. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel
eines bekannten elektrostatisch angetriebenen Mikroventils
ist die Ventilplatte 14 mittels einer Abstandsschicht 20 auf
dem Ventilgrundkörper befestigt und weist Verschmalerungen
28 (siehe Fig. 2) in derselben auf. Dadurch ist der mittlere
Teil der Ventilplatte 14 gegenüber dem Ventilgrundkörper 10
elastisch aufgehängt. Im Spannungs- bzw. drucklosen Zustand
ist die Ventilplatte 14 um einige Mikrometer (typischerweise
5 Mikrometer) von dem Ventilgrundkörper entfernt, wodurch
die Ventilöffnung 12 geöffnet ist. Ein derartiges Ventil
wird als Normal-Offen-Anordnung (Normally-Open-Anordnung)
bezeichnet.
Der Ventilgrundkörper 10 und die Ventilplatte 14 sind in ein
Gehäuse 22 eingeschlossen. Das Gehäuse weist zwei Öffnungen
24a, 24b auf, die jeweils als Einlaß oder Auslaß dienen kön
nen.
Das Ventil wird durch das Anlegen einer elektrischen Span
nung U zwischen Ventilgrundkörper und Ventilplatte betätigt.
Dabei fließen Ladungen auf die sich gegenüberliegenden Sei
ten der beiden Bauteile. Diese Ladungen ziehen sich gegen
seitig an, wodurch die Ventilplatte insgesamt zu dem Ventil
grundkörper hinbewegt wird. Um einen elektrischen Kurzschluß
zu verhindern, wenn sich die Ventilplatte 14 und die Dicht
kante 18 des Ventilgrundkörpers 10 in Kontakt miteinander
befinden, ist auf ein oder beide Bauteile eine Isolations
schicht 26 (nur für die Ventilplatte 14 dargestellt) aufge
bracht. Bei einem Ventil zur Steuerung von Flüssigkeitsströ
mungen müssen zur Isolation von Ventilöffnung und Ventil
grundkörper diese beiden Bauteile vollständig von einer Iso
lationsschicht umgeben sein.
Ein derartiges Mikroventil weist aufgrund des elektrostati
schen Antriebsprinzips einen sehr geringen Abstand zwischen
Ventilplatte und Ventilgrundkörper auf. Dieser geringe Ab
stand zwischen Ventilplatte und Ventilgrundkörper beschränkt
den Volumenstrom durch das Ventil.
Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der vor
liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mikroventil
mit einem erhöhten Durchfluß zu schaffen, ohne die Druckab
hängigkeit bzw. die Ansteuerspannung desselben zu beeinflus
sen.
Diese Aufgabe wird durch ein Mikroventil zur Steuerung einer
Fluidströmung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Mikroventil zur Steue
rung einer Fluidströmung mit einem Ventilgrundkörper, der
eine Ventilöffnung mit einer Dichtkante aufweist, und einer
Ventilplatte mit Fluiddurchführungen, die relativ zu dem
Ventilgrundkörper beweglich ist, wobei das Mikroventil da
durch gekennzeichnet ist, daß der Verlauf der Dichtkante der
Ventilöffnung derart gewählt ist, daß die Länge der Dicht
kante größer als die Länge der Dichtkante einer flächenmäßig
gleichen quadratischen Ventilöffnung ist.
Vorzugsweise ist der Verlauf der Dichtkante derart gewählt,
daß dieselbe wenigstens doppelt so groß wie die Länge der
Dichtkante einer flächenmäßig gleichen quadratischen Ventil
öffnung ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem
der Verlauf der Dichtkante eine mäanderförmige Faltung auf
weist. Dadurch entstehen Einström- und Ausström-Kanäle mit
einer Kanallänge und einer Kanalbreite, durch deren Dimen
sionen die Länge der Dichtkante bestimmt ist.
Das Mikroventil kann beispielsweise ein elektrostatisches
Ventil oder ein piezoelektrisch betätigtes Ventil sein. Um
den erreichbaren Volumenstrom weiter zu verbessern, können
die Fluiddurchführungen in der Ventilplatte im wesentlichen
mittig angeordnet sein. Zur Verbesserung der Schaltzeit des
Ventils können der Ventilgrundkörper und/oder die Ventil
platte in den sich gegenüberliegende Oberflächen derselben
Strömungskanäle aufweisen.
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den ab
hängigen Ansprüchen aufgeführt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt eines bekannten elektrostatischen
Mikroventils;
Fig. 2 eine Teilquerschnittansicht eines Mikroventils zur
Verdeutlichung der Abmessungen desselben;
Fig. 3 eine Teilquerschnittansicht zur Darstellung der
Kräftebilanz im Bereich der Ventilöffnung eines Mi
kroventils;
Fig. 4a eine Draufsicht einer herkömmlichen Ventilöffnung;
Fig. 4b eine Draufsicht eines bevorzugten Ausführungsbei
spiel einer Ventilöffnung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 5 einen Vergleich einer quadratischen Ventilöffnung
und Ventilöffnungen gemäß der vorliegenden Erfin
dung bezüglich des Ventilsitzumfangs und der pneu
matisch wirksamen Fläche;
Fig. 6 eine Ausgestaltung der Ventilplatte in einem Mikro
ventil gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 7 eine Explosionsdarstellung eines Mikroventils gemäß
einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung.
Bevor bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Er
findung näher erläutert werden, wird die Betriebsweise eines
elektrostatisch betätigten Mikroventils, das die Grundlage
des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfin
dung bildet, erklärt.
Die Fig. 2 und 3 zeigen Teilschnittansichten des Mikroven
tils von Fig. 1 zur Veranschaulichung der Betriebsweise des
selben. In Fig. 2 sind die Dicke d1 der Isolationsschicht 26
sowie der Abstand des Ventilgrundkörpers 10 von der Isola
tionsschicht 26 s gezeigt. In Fig. 3 sind die elektrostati
sche Betätigungskraft Fel, die in der Richtung z (Fig. 2)
wirkt, die pneumatische Angriffskraft Fpn und eine elasti
sche Kraft, die durch die Federkraft der Ventilplattenauf
hängung erzeugt wird, gezeigt.
Die elektrostatische Betätigungskraft Fel berechnet sich ge
mäß folgender Gleichung:
Da die elektrostatische Betätigungskraft Fel linear mit der
Größe der Elektrodenflächen Ael wächst, wie aus Gleichung
(1) zu sehen ist, und gleichzeitig die Betriebsspannung U
zur Betätigung des Ventils möglichst gering sein soll, wird
die Ventilplatte deutlich größer ausgeführt als die Ventil
öffnung. Typische laterale Abmessungen liegen im Bereich ei
niger Millimeter.
Die Variable ε₁ bezeichnet die Dielektrizitätskonstante der
Isolationsschicht 26, εgas die des zu pumpenden Fluids, wäh
rend d₁, wie oben erwähnt, die Dicke der Isolationsschicht
bezeichnet.
Neben dieser elektrostatischen Betätigungskraft wirken auf
die Ventilplatte ferner pneumatische Kräfte, siehe Fig. 3.
Wird eine Flußrichtung eines Fluids von oberhalb der Ventil
platte nach unterhalb des Ventilgrundkörpers angenommen,
liegt auf der Seite der Ventilplatte ein höherer pneumati
scher Druck vor, weshalb die pneumatischen Kräfte ebenfalls
zu einer schließenden Tendenz führen. Um den Einfluß der
pneumatischen Druckkräfte möglichst gering zu halten, wird
darauf geachtet, daß die Ventilplatte weitgehend druckausge
glichen ist. In diesem Fall wirkt der pneumatische, Druck nur
auf der relativ geringen Fläche der Ventilöffnung, weshalb
die pneumatische Angriffskraft Fpn entsprechend klein ist.
Die pneumatische Angriffskraft Fpn ist das Produkt aus der
Angriffsfläche Apn und der Druckdifferenz zwischen den
Drücken auf beiden Seiten der Ventilplatte pe-pa.
Fpn = Apn × (pe-pa) (2).
Der Abstand zwischen Ventilplatte und Ventilgrundkörper
stellt sich entsprechend der auf die Ventilplatte wirkenden
Kräftebilanz, die in Fig. 3 dargestellt ist, ein. Dabei wir
ken die elektrostatische und die pneumatische Kraft schlie
ßend, während die Federkraft der Ventilplattenaufhängung,
die eine elastische Kraft darstellt und linear mit der Aus
lenkung der Ventilplatte zunimmt, öffnend wirkt.
Bei einem derartigen Mikroventil limitiert die Stelle mit
dem kleinsten Strömungsquerschnitt die Höhe des Gasflusses.
Die Ventilöffnung ist typischerweise ein Quadrat mit einer
Seitenlänge von 0,2 mm, was eine Ventilöffnungsfläche von
0,04 mm² zur Folge hat. Das Produkt zwischen dem Umfang der
Ventilöffnung und dem Abstand zur Ventilplatte beträgt typi
scherweise 4 × 0,2 mm × 0,005 mm = 0,004 mm², da der Abstand
zwischen Ventilplatte und Ventilgrundkörper typischerweise
kleiner oder gleich 5 µm ist. Aufgrund dieses geringen Ab
stands zwischen Ventilplatte und Ventilgrundkörper ist für
die Höhe des Gasdurchsatzes durch das Ventil also nicht die
durch die Ventilöffnung eingeschlossene Fläche sondern der
Umfang der Ventilöffnung maßgebend. Die durch die Ventilöff
nung eingeschlossene Fläche beeinflußt jedoch die pneumati
sche Kraft, die an der Ventilplatte angreift, und damit die
Druckabhängigkeit des Ventils.
Um somit den Durchsatz eines Mikroventils zu erhöhen, muß
der Ventilsitzumfang erhöht werden, ohne die durch die Ven
tilöffnung eingeschlossene Fläche gleichzeitig zu vergrö
ßern. Dazu ist eine Ventilöffnung notwendig, durch die ei
nerseits die Angriffsfläche für die pneumatischen Kräfte
möglichst gering gehalten ist; während der für den Durchfluß
maßgebende Umfang jedoch möglichst groß ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Ventilöffnung gemäß der
vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4b gezeigt. Im Gegensatz
dazu ist in Fig. 4a eine übliche quadratische Ausgestaltung
einer Ventilöffnung mit einer Dichtkante 39 dargestellt. Bei
der in Fig. 4b gezeigten Ventilöffnung 40 ist die Dichtkante
42 der Ventilöffnung 40 mäanderförmig gefaltet. Dadurch er
geben sich Einströmkanäle 44 bzw. Ausströmkanäle 46 für ein
zu schaltendes Fluid. Der Fluß eines Fluids ist schematisch
durch Pfeile 48 in Fig. 4b dargestellt. Der für die Höhe des
Fluiddurchsatzes maßgebliche Umfang der Ventilöffnung kann
durch das Einstellen der Kanallänge LK und der Kanalbreite
BK gewählt werden. Der Umfang der Ventilöffnung nimmt dabei
mit abnehmender Breite der Kanäle zu. In Fig. 4b ist in ei
ner gestrichelten Linie die Abflußöffnung 49 durch den Ven
tilgrundkörper dargestellt.
Ein Vergleich von herkömmlicher quadratischer und mäander
förmiger Öffnungsgeometrie der Ventilöffnung gemäß der vor
liegenden Erfindung bezüglich des Ventilöffnungsumfangs und
der pneumatisch wirksamen Fläche ist in Fig. 5 gezeigt. Da
bei ist jeweils der Umfang der Ventilöffnung über der pneu
matisch wirksamen Fläche aufgetragen. Es ist zu erkennen,
daß bei der Mäanderform der Umfang mit der Fläche weitaus
stärker ansteigt als bei der quadratischen Öffnung. Wie aus
den Kurven zu sehen ist, steigt der Umfang der Ventilöffnung
umso stärker mit der zunehmenden wirksamen Fläche, desto ge
ringer die Kanalbreite ist.
Die Reduzierung der Breite der Strömungskanäle kann durchge
führt werden, bis aufgrund der geringen Breite in dem Strö
mungskanal Druckverluste auftreten. Mit einer derartigen An
ordnung kann der Fluidfluß durch ein Mikroventil um eine
Größenordnung gesteigert werden.
Selbstverständlich kann eine Erhöhung des Umfangs bei einer
gleichbleibenden Öffnungsfläche auch durch andere Geometrien
erreicht werden. Geeignet sind beispielsweise auch trapez
förmige oder rautenförmige Faltungen.
Um den Strömungswiderstand einer Mikroventilanordnung weiter
zu reduzieren, bzw. den Ventildurchfluß weiter zu erhöhen,
können neben den Fluiddurchführungen, die in Fig. 1 im
Bereich der elastischen Aufhängung angeordnet sind, zusätz
liche Zufuhröffnungen in der Mitte der Ventilplatte angeord
net werden. Dies ist in Fig. 6 durch Fluiddurchführungen 60
in einer Ventilplatte 62 gezeigt. Das in Fig. 6 gezeigte
Ventil befindet sich wiederum in einem Gehäuse 66, das Ein
laß- bzw. Auslaß-Öffnungen 64a, 64b aufweist. Durch die An
ordnung der Fluiddurchführungen 60 in der Mitte des Mikro
ventils wird vermieden, daß das Fluid durch den Spalt 68
zwischen der Ventilplatte und dem Ventilgrundkörper zu
fließen muß. Wie oben beschrieben wurde, ist aufgrund der
kurzen Reichweite der elektrostatischen Kräfte dieser Spalt
kleiner als 5 µm. Daraus würde sich ein ungünstiger hoher
Strömungswiderstand für das Fluid ergeben.
In Fig. 7 ist eine Explosionsdarstellung eines weiteren Aus
führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dabei
weist eine Ventilplatte 70 elastische Aufhängungen 72, in
denen Fluiddurchführungen 74 angeordnet sind, auf. Durch Ab
standsschichten 76b ist eine Ventilgrundplatte 78 von der
Ventilplatte getrennt angebracht. Die Abstandsschichten kön
nen beispielsweise eine Höhe von 5 µm aufweisen. Ferner sind
auf der Ventilgrundplatte 78 Vorsprünge 76a angeordnet, die
im geschlossenen Zustand ein Verkippen der Ventilplatte ver
hindern. Die Vorsprünge 76 können beispielsweise eine Höhe
von 0,5 µm aufweisen. In der Mitte der Ventilgrundplatte be
findet sich eine Ventilöffnung 80, die vorzugsweise gemäß
der Geometrie in Fig. 4b ausgebildet ist.
Da das Fluid bei einem Schaltvorgang im Bereich zwischen
Ventilplatte und Ventilgrundkörper entweichen muß, wird der
zeitliche Verlauf des Schaltvorgangs stark gedämpft. Durch
das Vorsehen einzelner oder mehrerer Strömungskanäle auf den
sich gegenüberliegenden Oberflächen des Ventilgrundkörpers
und/oder der Ventilplatte wird das Entweichen des Fluids er
leichtert. Dadurch wird die Schaltzeit des Ventils erheblich
verkürzt.
Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Mikroventil mit
einem erheblich erhöhten Durchsatz, ohne die Druckabhängig
keit oder die Ansteuerspannung des Mikroventils zu erhöhen.
Ferner kann mit der vorliegenden Erfindung ein Mikroventil
mit einer verringerten Schaltzeit realisiert werden.
Claims (12)
1. Mikroventil zur Steuerung einer Fluidströmung mit einem
Ventilgrundkörper (10), der eine Ventilöffnung (12; 40)
mit einer Dichtkante aufweist, und einer Ventilplatte
(14) mit Fluiddurchführungen (16; 60), die relativ zu
dem Ventilgrundkörper (10) beweglich ist, dadurch ge
kennzeichnet,
daß der Verlauf der Dichtkante (42) der Ventilöffnung
(12; 40) derart gewählt ist, daß die Länge der Dicht
kante (42) größer als die Länge einer Dichtkante (39)
einer flächenmäßig gleichen quadratischen Ventilöffnung
ist.
2. Mikroventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verlauf der Dichtkante (42) derart gewählt ist,
daß die Länge der Dichtkante (42) wenigstens zweimal so
groß wie die Länge der Dichtkante (39) einer flächen
mäßig gleichen quadratischen Ventilöffnung ist.
3. Mikroventil gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet,
daß der Verlauf der Dichtkante (42) mäanderförmig ge
faltet ist und Einström- und Ausström-Kanäle (44, 46)
mit einer Kanallänge (LK) und einer Kanalbreite (BK)
bildet, wobei die Länge der Dichtkante (42) durch die
Kanallänge (LK) und die Kanalbreite (BK) bestimmt ist.
4. Mikroventil gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet,
daß der Verlauf der Dichtkante trapezförmig gefaltet
ist.
5. Mikroventil gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet,
daß der Verlauf der Dichtkante rautenförmig gefaltet
ist.
6. Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet,
daß der Ventilgrundkörper (10) starr ist, und die Ven
tilplatte (14) elastisch aufgehängt ist.
7. Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Dichtkante aus einer Erhöhung entlang des Um
fangs der Ventilöffnung (12; 40) besteht.
8. Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet,
daß das Mikroventil ein elektrostatisches Ventil ist.
9. Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet,
daß das Mikroventil ein piezoelektrisch betätigtes Ven
til ist.
10. Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet,
daß zusätzliche Fluiddurchführungen (60) in der Ventil
platte (62) im wesentlichen mittig angeordnet sind.
11. Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet,
daß der Ventilgrundkörper (78) in der der Ventilplatte
(70) gegenüberliegenden Oberfläche Strömungskanäle (85)
aufweist.
12. Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Ventilplatte (70) in der dem Ventilgrundkörper
(78) gegenüberliegenden Oberfläche Strömungskanäle auf
weist.
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