DE19546181C2 - Mikroventil - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Mikroventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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 bzw. Ventil­ körper 10 sind relativ zueinander beweglich angeordnet, der­ art, daß mittels der Ventilplatte 14 die Ventilöffnung 12 des Ventilkörpers 10 geschlossen und geöffnet werden kann. Dabei kann entweder der Ventilgrundkörper starr und die Ven­ tilplatte elastisch oder der Ventilgrundkörper elastisch und die Ventilplatte starr angeordnet sein. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel eines intern 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 ge­ genüber 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 ge­ öffnet ist. Ein derartiges Ventil wird als Normal-Offen-An­ ordnung (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.

Die WO 92/13 200 A1 zeigt ein Mikroventil, das zumindest ei­ ne erste und eine zweite Schicht aufweist, die jeweils Durchgangsöffnungen aufweisen. Die zwei Schichten sind pa­ rallel zueinander derart bewegbar, daß die Durchgangsöffnun­ gen der Schichten entweder überlappen, um einen Strömungs­ querschnitt zu definieren, oder nicht überlappen, um im we­ sentlichen einen Verschluß des Mikroventils darzustellen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines derartigen Mikro­ ventils weist eine Mehrzahl von in einer Arrayform angeord­ neten Druchgangsöffnungen, eine sogenannte Gitterstruktur, in beiden Schichten auf. Durch das Bewegen der beiden Schichten parallel zueinander überlappen nun die Durchgangs­ öffnungen der beiden Schichten, um einen Durchfluß zu ermög­ lichen, oder die Druchgangslöcher einer Schicht sind jeweils durch die Gitterbalken der anderen Schicht abgedeckt, um ei­ nen Verschluß zu bilden. Aufgrund der Gitterstruktur können die Durchlaßöffnungen, die gemeinsam einen Durchflußquer­ schnitt darstellen, mittels einer relativ kleinen Bewegung einer der Schichten im wesentlichen geschlossen werden. Wäre der Durchlaßquerschnitt durch eine einzelne Durchgangsöff­ nung, die einen zu dem der Mehrzahl der Durchgangsöffnungen identischen Querschnitt aufweist, gebildet, so wäre zum ei­ nen eine große Bewegung einer der Schichten zum Verschließen erforderlich, und zum anderen würde das Öffnen und Schließen der Durchlaßöffnung eine große Zeit in Anspruch nehmen.

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, wobei die Ventilplatte senkrecht zu dem Ventilkörper beweglich ist, derart, daß die Ventilplatte in einer ersten Stellung die Ventilöffnung ver­ schließt und in der zweiten Stellung senkrecht von der Ven­ tilöffnung derart beabstandet ist, daß ein Strömungsquer­ schnitt, der durch die Ventilöffnung und die Ventilplatte definiert ist, maßgeblich durch den Abstand der Dichtkante zu der Ventilplatte bestimmt ist, wobei der Verlauf der Dichtkante der Ventilöffnung derart gewählt ist, daß die Länge der Dichtkante größer als die Länge der Dichtkante ei­ ner 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 F_el, die in der Richtung z (Fig. 2) wirkt, die pneumatische Angriffskraft F_pn und eine elasti­ sche Kraft, die durch die Federkraft der Ventilplattenauf­ hängung erzeugt wird, gezeigt.

Die elektrostatische Betätigungskraft F_el berechnet sich ge­ mäß folgender Gleichung:

Da die elektrostatische Betätigungskraft F_el linear mit der Größe der Elektrodenflächen A_el 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 ∈₁ bezeichnet die Dielektrizitätskonstante der Isolationsschicht 26, ∈_gas 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 F_pn entsprechend klein ist. Die pneumatische Angriffskraft F_pn ist das Produkt aus der Angriffsfläche A_pn und der Druckdifferenz zwischen den Drücken auf beiden Seiten der Ventilplatte p_e - p_a.

F_pn = A_pn × (P_e - P_a) (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 L_K und der Kanalbreite B_K 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 76a 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 85 auf den sich gegenüberliegenden Oberflächen des Ventilgrundkör­ pers und/oder der Ventilplatte wird das Entweichen des Fluids erleichtert. 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), wobei die Ven­ tilplatte (14) senkrecht zu dem Ventilgrundkörper (10) beweglich ist, derart, daß die Ventilplatte (14) in ei­ ner ersten Stellung die Ventilöffnung (12; 40) ver­ schließt und in einer zweiten Stellung senkrecht von der Ventilöffnung (12; 40) derart beabstandet ist, daß ein Strömungsquerschnitt, der durch die Ventilöffnung (12; 40) und die Ventilplatte (14) definiert ist, maß­ geblich durch den Abstand der Dichtkante zu der Ventil­ platte (14) bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, 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 (L_K) und einer Kanalbreite (B_K) bildet, wobei die Länge der Dichtkante (42) durch die Kanallänge (L_K) und die Kanalbreite (B_K) 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, die ein Entweichen des Fluids erleichtern.

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, die ein Entweichen des Fluids erleichtern.