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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen elektro-pneumatische
Messwandler, und genauer elektrostatisch betätigte Ventile.
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Viele
industrielle, gewerbliche, Raumfahrt-, Militär- und andere Anwendungen hängen kritisch von
verlässlichen
Ventilen für
die Handhabung von Fluid (einschließlich Gas) ab. In einer Chemiefabrik, zum
Beispiel, werden Ventile häufig
verwendet, um den Fluss von Fluid durch die Einrichtung zu steuern. In
der gleichen Weise werden Ventile in einem Flugzeug häufig verwendet,
um die Luft- und die Kraftstoffzufuhr wie auch einige der hydraulischen
Systeme, die die Steuerflächen
des Flugzeugs antreiben, zu steuern. Dies sind nur einige wenige
Beispiele für die
vielen Anwendungen, die kritisch von verlässlichen Ventilen für die Handhabung
von Fluid (einschließlich
Gas) abhängen.
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In
vielen Fällen
werden ein oder mehrere Hauptventile verwendet, um das Fluid direkt
zu steuern. In anderen Fällen
werden kleinere Steuer- oder Pilotventile verwendet, um den Betrieb
eines Hauptventils zu steuern. Jedenfalls ist es insbesondere in drahtlosen
Anwendungen, aber auch in anderen Anwendungen häufig erwünscht, die Leistung und/oder die
Spannung, die benötigt
wird, um die Haupt- und/oder Pilotventile zu betreiben, auf ein
Mindestmaß zu
verringern. Obwohl einige Ventile des Stands der Technik für einige
Anwendungen eine zufriedenstellende Leistung erbringen, weisen viele
bedeutende Unzulänglichkeiten
einschließlich
einer verhältnismäßig großen Größe und eines
verhältnismäßig hohen
Gewichts, eines verhältnismäßig großen Spannungs- und/oder Leistungsbedarfs,
verhältnismäßig hoher
Herstellungskosten, und/oder anderer Unzulänglichkeiten auf. Beispiele
für Vorrichtungen
des Stands der Technik finden sich in WO97/29538, US-B1-6,179,586,
US-A-6,106,245, US-B1-6,184,607
und US-A-4,498,850 beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein elektrostatisch betätigtes Ventil
bereit, wobei das Ventil
einen Körper, der eine Kammer ausbildet,
wobei die Kammer einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss
aufweist,
eine Membran, die in der Kammer angebracht ist, wobei
die Membran eine erste Stellung, welche das Strömen des Fluids zwischen dem
ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss einschränkt, und
eine zweite Stellung aufweist, in der das Strömen des Fluids zwischen dem
ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss möglich ist, und
eine erste
Elektrode, die bezüglich
der ersten Membran befestigt ist, und eine zweite Elektrode, die
bezüglich
des Körpers
befestigt ist,
enthält,
wobei
die Membran elektrostatisch von der ersten Stellung in
die zweite Stellung und/oder von der zweiten Stellung in die erste
Stellung betätigt
wird, wenn zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode
eine Spannung angelegt wird,
wobei die Kammer eine erste gegenüberliegende Wand
und eine zweite gegenüberliegende
Wand aufweist,
die Membran zwischen der ersten gegenüberliegenden
Wand und der zweiten gegenüberliegenden Wand
angebracht ist und
sich der erste Anschluss durch die erste
gegenüberliegende
Wand und in die Kammer hinein erstreckt, und dadurch gekennzeichnet
ist, dass:
die Membran derart angeordnet ist, dass sie beim Gebrauch
unter einer elastischen rücktreibenden Kraft
zumindest im Wesentlichen in die erste Stellung zurückgeht,
wenn sie nicht elektrostatisch betätigt wird, und die Membran
so gestaltet ist, dass sie den ersten Anschluss abdeckt, wenn sie
in der ersten Stellung ist.
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Nach
einem bevorzugten Merkmal der Erfindung sind die erste gegenüberliegende
Wand und die zweite gegenüberliegende
Wand derart gestaltet, dass der Abstand zwischen der ersten gegenüberliegenden
Wand und der zweiten gegenüberliegenden Wand
in einem ersten Bereich der Kammer kleiner ist als in einem angrenzenden
zweiten Bereich, und ist die Membran derart angebracht, dass die
Membran in einer Rollbewegung, die im ersten Bereich beginnt, elektrostatisch
zur zweiten Elektrode hin gezogen wird.
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Nach
einem bevorzugten Merkmal der Erfindung erstreckt sich der zweite
Anschluss durch die zweite gegenüberliegende
Wand und in die Kammer hinein, ist die Membran so angeordnet, dass
sie an die erste gegenüberliegende
Wand angrenzt, wenn sie in ihrer ersten Stellung ist, und weist
sie zumindest eine Öffnung
auf, die seitlich gegenüber
dem ersten Anschluss in der ersten gegenüberliegenden Wand versetzt
ist, wenn die Membran in ihrer ersten Stellung ist, und ist die
zweite Elektrode bezüglich der
zweiten gegenüberliegenden
Wand derart befestigt, dass die Membran elektrostatisch zu der zweiten gegenüberliegenden
Wand hin gezogen wird, wenn eine Spannung zwischen der ersten Elektrode
und der zweiten Elektrode angelegt ist, wodurch ein Strömen des
Fluids zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss über die
zumindest eine Öffnung
ermöglicht
wird.
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Nach
einem bevorzugten Merkmal der Erfindung erstreckt sich der zweite
Anschluss durch die erste gegenüberliegende
Wand und in die Kammer hinein, ist die Membran so angeordnet, dass
sie an die erste gegenüberliegende
Wand angrenzt, wenn sie in ihrer ersten Stellung ist, und ist die
zweite Elektrode bezüglich
der zweiten gegenüberliegenden Wand
derart befestigt, dass die Membran elektrostatisch zu der zweiten
gegenüberliegenden
Wand hin gezogen wird, wenn eine Spannung zwischen der ersten Elektrode
und der zweiten Elektrode angelegt ist, wodurch ein Strömen des
Fluids zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss ermöglicht wird.
Nach einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung ist das Ventil
derart angeordnet, dass ein Fluid, das zwischen dem ersten Anschluss
und dem zweiten Anschluss strömt,
nicht wesentlich dem elektrostatischen Feld ausgesetzt ist, welches
erzeugt wird, wenn das Ventilelement elektrostatisch betätigt wird.
Nach einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung sind die erste
gegenüberliegende
Wand und die zweite gegenüberliegende
Wand derart gestaltet, dass der Abstand zwischen der ersten gegenüberliegenden
Wand und der zweiten gegenüberliegenden
Wand nahe dem Rand der Kammer kleiner ist als nahe der Mitte der
Kammer, und erfolgt das Anbringen der Membran derart, dass die Membran
in einer Rollbewegung elektrostatisch zu der zweiten Elektrode hin
gezogen wird.
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In den Zeichnungen
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ist 1 eine
quergeschnittene Seitenansicht eines erläuternden normalerweise geschlossenen
Ventils nach der vorliegenden Erfindung;
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ist 2 eine
quergeschnittene Draufsicht auf das erläuternde normalerweise geschlossenen Ventil
von 1;
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ist 3 eine
quergeschnittene Seitenansicht des erläuternden normalerweise geschlossenen
Ventils von 1, wobei die Membran teilweise aktiviert
ist;
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ist 4 eine
quergeschnittene Seitenansicht des erläuternden normalerweise geschlossenen
Ventils von 3, wobei die Membran weiter
aktiviert ist;
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ist 5 eine
quergeschnittene Seitenansicht eines anderen erläuternden normalerweise geschlossenen
Ventils nach der vorliegenden Erfindung;
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ist 6 eine
quergeschnittene Seitenansicht noch eines anderen erläuternden
normalerweise geschlossenen Ventils nach der vorliegenden Erfindung;
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ist 7 eine
quergeschnittene Seitenansicht noch eines anderen erläuternden
normalerweise geschlossenen Ventils nach der vorliegenden Erfindung;
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ist 8 eine
quergeschnittene Draufsicht auf das erläuternde normalerweise geschlossene Ventil
von 7;
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ist 9 eine
quergeschnittene Seitenansicht des erläuternden normalerweise geschlossenen
Ventils von 7, wobei die Membran zumindest
teilweise aktiviert ist;
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ist 10 eine
quergeschnittene Seitenansicht eines erläuternden normalerweise offenen
Ventils nach der vorliegenden Erfindung;
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ist 11 eine
quergeschnittene Seitenansicht des erläuternden normalerweise offenen
Ventils von 10, wobei die Membran teilweise
aktiviert ist;
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ist 12 eine
quergeschnittene Seitenansicht des erläuternden normalerweise offenen
Ventils von 10, wobei die Membran vollständig aktiviert ist;
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ist 13 eine
quergeschnittene Seitenansicht eines erläuternden Dreiwegeventils nach
der vorliegenden Erfindung;
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ist 14 eine
quergeschnittene Seitenansicht des erläuternden Dreiwegeventils von 13, wobei
die Membran teilweise aktiviert ist; und
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ist 15 eine
quergeschnittene Seitenansicht des erläuternden Dreiwegeventils von 14, wobei
die Membran weiter aktiviert ist.
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Ausführliche
Beschreibung
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Die
folgende Beschreibung sollte unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
gelesen werden, in denen gleiche Bezugszeichen über die einzelnen Ansichten
hinweg gleiche Elemente angeben. Die ausführliche Beschreibung und die
Zeichnungen werden geboten, um Ausführungsformen zu zeigen, die
für die
beanspruchte Erfindung erläuternd
sind.
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1 ist
eine quergeschnittene Seitenansicht eines erläuternden normalerweise geschlossenen
Ventils nach der vorliegenden Erfindung. Das Ventil ist allgemein
mit 5 gezeigt und weist einen Körper 10 mit einer
ersten gegenüberliegenden
Wand 14 und einer zweiten gegenüberliegenden Wand 16 auf, die
eine Ventilkammer 12 definieren. In der erläuternden
Ausführungsform
erstreckt sich ein erster Anschluss 42 (z.B. ein Einlassanschluss)
durch die erste gegenüberliegende
Wand 14 in die Ventilkammer 12 hinein. Ein oder
mehrere zweite Anschlüsse
(z.B. Auslassanschlüsse),
wie etwa die Anschlüsse 44a und 44b,
erstrecken sich durch die zweite gegenüberliegende Wand 16 in
die Ventilkammer 12 hinein.
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In
der Kammer 12 ist eine Membran 20 angebracht.
In einigen Ausführungsformen
kann dies durch Einfügen
der Membran 20 zwischen einem oberen Körperabschnitt 13 und
einem unteren Körperabschnitt 11 bewerkstelligt
werden.
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In
der erläuternden
Ausführungsform
erstreckt sich die Membran 20 im nicht aktivierten Zustand
entlang der ersten gegenüberliegenden
Wand 14. In einigen Ausführungsformen ist die Membran 20 außer entlang
eines Ventilsitzes 23, der sich um den ersten Anschluss 42 erstreckt,
von der ersten gegenüberliegenden
Wand 14 beabstandet. Zur Betätigung der Membran 20 kann
die Membran 20 eine oder mehrere Elektroden enthalten,
die sich bis zumindest in die Nähe
der Ränder
der Kammer 12 erstrecken können. In einigen Ausführungsformen
sind die eine oder mehreren Elektroden der Membran von einem dielektrischen
Material oder einer dielektrischen Schicht umgeben oder darin eingeschlossen.
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In
der Ausführungsform,
die in 1 gezeigt ist, enthält die zweite gegenüberliegende
Wand 16 eine oder mehrere stationäre Elektroden, wie etwa die
Elektrode 30. Die zweite gegenüberliegende Wand 16 und
die Membran 20 können
derart gestaltet sein, dass der Trennungsabstand zwischen der stationären Elektrode 30 und
der Elektrode der Membran 20 im nicht aktivierten Zustand
nahe den Rändern
der Kammer 12 kleiner ist. In anderen Ausführungsformen
kann der Trennungsabstand zwischen der stationären Elektrode 30 und
der Elektrode der Membran 20 jedoch wie gewünscht in
der Mitte oder in jedem beliebigen Bereich der Kammer 12 kleiner sein.
Durch das Bereitstellen eines Bereichs in der Kammer 12,
der einen kleineren Trennungsabstand aufweist, kann die Membran 20 in
einer Rollbewegung zur zweiten gegenüberliegenden Wand 16 hin gezogen
werden, wenn zwischen der Elektrode der Membran 20 und
der stationären
Elektrode 30 eine Spannung angelegt ist, wie in 3 bis 4 näher gezeigt
ist. Eine derartige Rollbewegung kann dabei helfen, die Leistungsfähigkeit
zu verbessern und die Spannungsanforderungen des Ventils zu verringern.
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Zum
Zweck der Erläuterung
ist die erste gegenüberliegende
Wand 14 im Allgemeinen flach gezeigt. Die erste gegenüberliegende
Wand 14 kann jedoch abhängig
von der Anwendung andere Formen annehmen. Zum Beispiel kann die
erste gegenüberliegende
Wand 14 unterschiedliche Bereiche aufweisen, die vertieft
sind oder gegen die Membran 20 vorspringen, um, zum Beispiel,
eine Beschädigung
an der Membran 20 nach einer fortgesetzten Aktivierung zu
verringern. Andere Formen einschließlich, zum Beispiel, gekrümmter Formen,
können
ebenfalls verwendet werden. Obwohl die zweite gegenüberliegende
Fläche 16 als
im Allgemeinen gekrümmt
gezeigt ist, können
abhängig
von der Anwendung andere Formen verwendet werden.
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Der
Körper 10 kann
aus jedem beliebigen geeigneten halbstarren oder starren Material
wie etwa Kunststoff, Keramik, Silizium, usw. hergestellt sein. In
einer erläuternden
Ausführungsform
ist der Körper 10 durch
Formen eines Hochtemperaturkunststoffs wie etwa ULTEMTM (erhältlich von
der General Electric Company, Pittsfield, Mass.), CELAZOLETM (erhältlich
von der Hoechst-Celanese
Corporation, Summit, NJ), KETRONTM (erhältlich von
der Polymer Corporation, Reading, Pa.), oder irgendeines anderen
geeigneten Materials aufgebaut. In einigen Ausführungsformen kann das Material,
das für
die Membran 20 verwendet wird, elastische, federnde, biegsame
oder andere elastomere Eigenschaften aufweisen. In anderen Ausführungsformen
ist die Membran 20 aus einem Polymer wie etwa KAPTONTM (erhältlich
von E. I. du Pont de Nemours & Co.,
Wilmington, Del.), KALADEXTM (erhältlich von ICI
Films, Wilmington, Del.), MYLARTM (erhältlich von E.
I. du Pont de Nemours & Co.,
Wilmington, Del.), oder jedem beliebigen anderen geeigneten Material hergestellt.
Ein Vorteil der Verwendung eines Substrats und/oder einer Membran
auf Polymerbasis ist, dass das sich ergebende Ventil billiger und
leichter sein kann, und/oder für
kleine tragbare, oder sogar wegwerfbare oder wiederverwendbare Anwendungen
geeigneter ist.
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Die
eine oder die mehreren Elektroden an der Membran 20 können durch
Mustern einer leitfähigen
Beschichtung auf der Membran 20 bereitgestellt werden.
Zum Beispiel können
die eine oder die mehreren Elektroden durch Drucken, Beschichten
oder EB-Ablagerung von Metall gebildet werden. In einigen Fällen kann
die Elektrodenschicht unter Verwendung eines Trockenfilmresists
gemustert werden. Die gleichen oder ähnliche Techniken können verwendet werden,
um die Elektrode 30 an der zweiten gegenüberliegenden
Wand 16 des Körpers 10 bereitzustellen.
Anstelle des Bereitstellens einer gesonderten Elektrodenschicht
ist ins Auge gefasst, dass die Membran 20 und/oder die
zweite gegenüberliegende Wand 16,
falls gewünscht,
leitfähig
gemacht wird, um als eine Elektrode tätig zu sein. Ein Dielektrikum,
wie etwa ein organisches oder ein anorganisches Niedertemperatur-Dielektrikum,
kann als ein Isolator zwischen den betätigenden Elektroden verwendet
werden. Das Dielektrikum kann wie gewünscht über die Elektrode an der Membran 20, über die
Elektrode 30 an der zweiten gegenüberliegenden Wand 16,
oder beide aufgetragen sein.
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Wie
in 1 gezeigt kann die Membran 20 zumindest
eine Öffnung
(Öffnungen 25a und 25b) aufweisen,
die seitlich gegenüber
dem ersten Anschluss 42 versetzt ist, wenn die Membran 20 in
einer ersten Stellung ist, die an die erste gegenüberliegende
Wand 14 angrenzt. 2 ist eine
quergeschnittene Draufsicht auf das erläuternde normalerweise geschlossene
Ventil von 1. Wie in 2 ersichtlich ist,
kann die Membran 20 eine oder mehrere Öffnungen 25a und 25b enthalten.
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Die Öffnungen 25a und 25b in
der Membran 20 können
derart gestaltet sein, dass die Membran 20 das Strömen des
Fluids durch den ersten Anschluss 42 und in die Kammer 12 abdeckt
oder auf eine andere Weise einschränkt, wenn die Membran 20 an
die erste gegenüberliegende
Wand 14 angrenzt. Wenn die Membran elektrostatisch betätigt wird
und zur zweiten gegenüberliegenden Wand 16 hin
gezogen wird, wie in 3 bis 4 gezeigt
ist, kann sich die Membran vom ersten Anschluss 42 wegbewegen
und diesen aufdecken. Dies kann gestatten, dass Fluid über die
eine oder die mehreren Öffnungen 25a und 25b in
der Membran 20 zwischen dem ersten Anschluss 42 und
dem zweiten Anschluss oder den zweiten Anschlüssen 44a und 44b strömen kann.
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In
einigen Ausführungsformen
kann die Membran 20 elastisch verformt werden, wenn sie elektrostatisch
zur zweiten gegenüberliegenden Wand 16 hin
gezogen wird. Wenn sie so bereitgestellt ist, kann die Membran 20 unter
elastischen rücktreibenden
Kräften
in die nicht aktivierte erste Stellung, die an die erste gegenüberliegende
Wand 14 angrenzt, zurückkehren,
wenn die Aktivierungsspannung zwischen der Elektrode der Membran 20 und der
Elektrode 30 der zweiten gegenüberliegenden Wand 16 entfernt
oder verringert wird. In dieser erläuternden Ausführungsform
braucht die Membran 20 nur in eine Richtung elektrostatisch
betätigt
werden, wobei die elastischen rücktreibenden
Kräfte
die Membran 20 in den ursprünglichen nicht aktivierten Zustand
zurückführen.
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Zur
Erhöhung
der elastischen rücktreibenden
Kraft kann die Membran 20 unter Spannung über die
Kammer 12 angeordnet werden. Alternativ, oder zusätzlich,
kann die Membran 20 aus einem Material mit einer vorgeformten
Form hergestellt sein, in die die Membran 20 nach der Anlegung
einer Verformungskraft elastisch zurückkehrt. In jedem Fall kann die
Membran 20 derart aus einem Material, einer Form hergestellt
sein oder in einer Weise angeordnet sein, dass die Membran 20,
sobald sie wie in 3 bis 4 gezeigt
verformt ist, eine rücktreibende Kraft
erzeugt, die die Membran 20 wie etwa in 1 gezeigt
zur ersten gegenüberliegenden
Wand 14 zurück
zieht.
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In
einigen Ausführungsformen
können
ergänzende
rück treibende
Kräfte
bereitgestellt sein, um das Zurücktreiben
der Membran 20 in die nicht aktivierte erste Stellung,
die an die erste gegenüberliegende
Wand 14 angrenzt, zu unterstützen. In einer Ausführungsform
können
sowohl an die Elektrode an der Membran 20 als auch an die
Elektrode 30 an der zweiten gegenüberliegenden Wand 16 gleiche
Ladungen angelegt werden, wodurch dazwischen eine abstoßende elektrostatische
Kraft erzeugt wird. Diese abstoßende
elektrostatische Kraft kann dabei helfen, die Membran 20 zur
ersten gegenüberliegenden Wand 14 zurück zu schieben.
Alternativ, oder zusätzlich,
können
durch das Bereitstellen einer zusätzlichen oder dritten Elektrode 52 entlang
der ersten gegenüberliegenden
Wand 14, wie in 5 gezeigt ist, ergänzende rückstellende
Kräfte
erzeugt werden. Durch das Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode
an der Membran 20 und der zusätzlichen dritten Elektrode 52 kann
die Membran 20, vorzugsweise in einer Rollbewegung, zur
ersten gegenüberliegenden
Wand 14 zurück
gezogen werden.
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In
einigen Ausführungsformen
kann die Membran 20 so gestaltet sein, dass sie im nicht
aktivierten Zustand von der ersten gegenüberliegenden Wand 14 entfernt
angeordnet ist. Dies kann zum Beispiel durch Vorformen der Membran 20 bewirkt
werden. Wenn sie so bereitgestellt ist, und in einigen Ausführungsformen,
kann die Membran 20 elastisch verformt werden, wenn sie
elektrostatisch zur ersten gegenüberliegenden
Wand 14 hin gezogen wird. Eine derartige Kraft kann zum
Beispiel durch Anlegen gleicher Ladungen an die Elektrode der Membran 20 und
an die Elektrode 30 der zweiten gegenüberliegenden Wand 16 bereitgestellt
werden, wodurch eine abstoßende
elektrostatische Kraft erzeugt wird. Alternativ, oder zusätzlich,
kann eine Elektrode bezüglich der
ersten gegenüberliegenden
Wand 14 befestigt werden, wobei die Membran 20 elektrostatisch
zur ersten gegenüberliegenden
Wand 14 hin gezogen wird, wenn zwischen der Elektrode der
Membran 20 und der Elektrode der ersten gegenüberliegenden Wand 14 eine
Spannung angelegt ist.
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3 ist
eine quergeschnittene Seitenansicht des erläuternden normalerweise geschlossenen
Ventils von 1, wobei die Membran teilweise aktiviert
ist. Wie oben besprochen kann die Kammer 12 eine erste
gegenüberliegende
Wand 14 und eine zweite gegenüberliegende Wand 16 aufweisen,
wobei die zweite Elektrode 30 bezüglich der zweiten gegenüberliegenden
Wand 16 befestigt ist. Wie in 1 gezeigt
können
die erste gegenüberliegende Wand 14 und
die zweite gegenüberliegende
Wand 16 derart gestaltet sein, dass der Abstand zwischen
der ersten gegenüberliegenden
Wand 14 und der zweiten gegenüberliegenden Wand 16 in
einem ersten Bereich der Kammer 12 kleiner als in einem
angrenzenden zweiten Bereich ist. In 1 liegt
der erste Bereich zum Rand oder zu den Rändern der Kammer 12 hin,
und liegt der zweite Bereich zur Mitte der Kammer 12 hin.
Die Membran 20 ist derart zwischen der ersten gegenüberliegenden
Wand 14 und der zweiten gegenüberliegenden Wand 16 angebracht, dass
die Membran in einer Rollbewegung, die im ersten Bereich beginnt,
elektrostatisch zur zweiten Elektrode 30 hin gezogen werden
kann. Die Rollbewegung kann wie in 3 und 4 gezeigt
mit einer zusätzlichen
Aktivierung andauern. Wenn die Membran 20 vom Ventilsitz 23 weg
gezogen ist, kann Fluid wie durch die Pfeile in 3 gezeigt über die
eine oder die mehreren Öffnungen 25a und 25b in
der Membran 20 zwischen dem ersten Anschluss 42 und dem
zweiten Anschluss oder den zweiten Anschlüssen 44a und 44b strömen.
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Es
ist ins Auge gefasst, dass sich die Öffnungen 25a und 25b mit
den zweiten Anschlüssen 44a und 44b ausrichten
oder nicht ausrichten, wenn die Membran 20 an die zweite
gegenüberliegende
Wand 16 angrenzend gezogen ist. In 4 sind die Öffnungen 25a und 25b so
gestaltet, dass sie nicht mit den zweiten Anschlüssen 44a und 44b ausgerichtet
sind. Daher kann sich der Fluidstrom in der Ausführungsform, die in 4 gezeigt
ist, zu verlangsamen beginnen oder kann er anhalten, wenn die Membran 20 gegen
die zweite gegenüberliegende
Wand 16 gezogen ist. In anderen Ausführungsformen sind die Öffnungen 25a und 25b so
gestaltet, dass sie mit den zweiten Anschlüssen 44a und 44b ausgerichtet
sind oder im Wesentlichen ausgerichtet sind, wenn die Membran 20 an
die zweite gegenüberliegende
Wand 16 angrenzend gezogen ist. In diesen Ausführungsformen
kann das Fluid seinen Strom zwischen dem ersten Anschluss 42 und
den zweiten Anschlüssen 44a und 44b fortsetzen,
wenn die Membran 20 an die zweite gegenüberliegende Wand 16 angrenzend
gezogen ist.
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Die
Rollbewegung der Membran 20 kann die Spannung und die Leistung,
die benötigt
werden, um die Membran 20 zur zweiten gegenüberliegenden Wand 16 hin
zu ziehen, bedeutend verringern, während nach wie vor eine bedeutende
Membranbewegungsentfernung erreicht wird. Dies kann zum Beispiel
in Anwendungen, bei denen eine Batterie oder eine andere begrenzte
Leistungsquelle verwendet wird, um das Ventil 5 zu bestromen,
besonders vorteilhaft sein. Eine bedeutende Membranbewegungsentfernung
kann dabei helfen, die Durchflussgeschwindigkeit, die das Ventil
bieten kann, zu verbessern, solange die Öffnungen ebenfalls passend
in der Größe bemessen
sind.
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5 ist
eine quergeschnittene Seitenansicht eines anderen erläuternden
normalerweise geschlossenen Ventils nach der vorliegenden Erfindung.
Diese Ausführungsform
ist der in 1 gezeigten ähnlich, enthält aber
eine zusätzliche
oder dritte Elektrode 52 entlang der ersten gegenüberliegenden Wand 14.
Die dritte Elektrode 52 kann verwendet werden, um der Membran 20 eine
rücktreibende
Kraft oder eine ergänzende
rücktreibende
Kraft bereitzustellen. Zum Beispiel kann eine Spannung zwischen der
Elektrode der Membran 20 und der dritten Elektrode 52 angelegt
werden, sobald die Membran zur zweiten gegenüberliegenden Wand 16 hin
verschoben wurde. Dies kann eine anziehende elektrostatische Kraft
zwischen den Elektroden erzeugen, die die Membran 20 in
einer Rollbewegung zur dritten Elektrode 52 und zur ersten
gegenüberliegenden Wand 14 hin
zieht. Die dritte Elektrode 52 kann auch verwendet werden,
um die Membran 20 gegen die erste gegenüberliegende Wand 14 zu
halten, um das Ventil geschlossen zu halten. Dies kann besonders nützlich sein,
wenn der Fluiddruck am ersten Anschluss 42 den Fluiddruck
an den zweiten Anschlüssen 44a und 44b übersteigen
kann.
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6 ist
eine quergeschnittene Seitenansicht noch eines anderen erläuternden
normalerweise geschlossenen Ventils nach der vorliegenden Erfindung.
Diese Ausführungsform
ist der in 5 gezeigten ähnlich, doch ist die dritte
Elektrode 54 nur an den Ventilsitz 23 angrenzend
bereitgestellt. In dieser Ausführungsform
kann die dritte Elektrode 54 verwendet werden, um das Ventil
geschlossen zu halten, insbesondere, wenn der Fluiddruck am ersten Anschluss 42 den
Fluiddruck an den zweiten Anschlüssen 44a und 44b übersteigen
kann.
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7 ist
eine quergeschnittene Seitenansicht noch eines anderen erläuternden
normalerweise geschlossenen Ventils nach der vorliegenden Erfindung.
In dieser erläuternden
Ausführungsform
sind der erste Anschluss 80 (z.B. der Eingangsanschluss) und
der zweite Anschluss 82a (z.B. die Ausgangsanschlüsse 82a und 82b)
als sich durch eine erste gegenüberliegende
Wand 84 des Ventils und in die Ventilkammer 86 erstreckend
gezeigt. Die Membran 88 ist so gestaltet, dass sie das
Fluid vom Strömen durch
den ersten Anschluss 80 und in die Kammer 86 abdeckt
oder auf andere Weise beschränkt,
wenn die Membran 88 in einer ersten Stellung, die an die
erste gegenüberliegende
Wand 84 angrenzt, ist. Wenn die Membran 88 elektrostatisch
zur zweiten gegenüberliegenden
Wand 90 hin gezogen wird, kann sich die Membran 88 wegbewegen
und den ersten Anschluss 80 freilegen, wodurch ein Strömen des
Fluids zwischen dem ersten Anschluss 80 und den zweiten
Anschlüssen 82a und 82b ermöglicht wird.
In dieser erläuternden
Ausführungsform
weist die Membran 86 keinerlei Öffnung darin auf, wie in 8 besser
gezeigt ist. 9 ist eine quergeschnittene
Seitenansicht des erläuternden
normalerweise geschlossenen Ventils von 7, wobei
die Membran zumindest teilweise aktiviert ist. In der zweiten gegenüberliegenden
Wand kann eine Gegendruckentlastungs- oder Abzugsöffnung 94 bereitgestellt
sein, um jeglichen Gegendruck, der aufgrund der Verschiebung der
Membran 88 auftreten könnte,
zu entlasten.
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Diese
erläuternde
Ausführungsform
kann ein elektrostatisch betätigtes
Ventil bereitstellen, das das Fluid dem elektrischen Feld, welches
verwendet wird, um das Ventil elektrostatisch zu betätigen, nicht wesentlich
aussetzt. In der erläuternden
Ausführungsform
erstreckt sich das elektrische Feld, das verwendet wird, um das
Ventil zu betätigen,
nur zwischen der Elektrode der Membran 88 und der Elektrode 92 der
zweiten gegenüberliegenden
Wand 90. In einigen Anwendungen können die dielektrischen, leitenden,
polaren oder anderen Eigenschaften des Fluids die Größe der elektrostatischen
Kraft zwischen den Betätigungselektroden
des Ventils beeinflussen, was die Leistungsfähigkeit und/oder die Verlässlichkeit
des Ventils verringern kann. Zusätzlich kann
das elektrische Feld, das zwischen den Elektroden des Ventils angelegt
ist, die Eigenschaften des Fluids bewirken, beeinflussen oder verändern. Diese erläuternde
Ausführungsform
kann einige dieser Schwierigkeiten vermeiden.
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10 ist
eine quergeschnittene Seitenansicht eines erläuternden normalerweise offenen
Ventils nach der vorliegenden Erfindung. Dieses erläuternde
normalerweise offene Ventil ist allgemein mit 110 gezeigt
und enthält
einen Körper 112,
der dazu gestaltet ist, eine Kammer 114 zu bilden. Die
erläuternde
Kammer 112 enthält
eine erste gegenüberliegende
Wand 116 und eine zweite gegenüberliegende Wand 118.
Die erste gegenüberliegende
Wand 116 und die zweite gegenüberliegende Wand 118 sind derart
gestaltet, dass der Abstand zwischen der ersten gegenüberliegenden
Wand 116 und der zweiten gegenüberliegenden Wand 118 in
einem ersten Bereich der Kammer 114 kleiner als in einem
angrenzenden zweiten Bereich ist. In der erläuternden Ausführungsform
ist der erste Bereich nahe den Rändern der
Kammer 114 und ist der zweite Bereich von den Rändern entfernt
und nahe der Mitte der Kammer 114. Eine Membran 120 ist
zwischen der ersten gegenüberliegenden
Wand 116 und der zweiten gegenüberliegenden Wand 118 angebracht.
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Ein
erster Anschluss 122 (z.B. ein Einlassanschluss) und ein
zweiter Anschluss 124 (z.B. ein Auslassanschluss) sind
durch die zweite gegenüberliegende
Wand 118 und in die Kammer 114 hinein bereitgestellt.
In der erläuternden
Ausführungsform
ist auch eine Abzugsöffnung 128 bereitgestellt.
Die Abzugsöffnung 128 enthält einen
Fluidkanal, der sich vom ersten Anschluss 122 durch den
Körper 112, durch
die erste gegenüberliegende
Wand 116, und in die Kammer 114 erstreckt.
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Die
Membran 120 ist in der Kammer 114 angebracht und
weist eine erste Stellung, die an die erste gegenüberliegende
Wand 116 angrenzt, auf, die im nicht aktivierten Zustand
ein Strömen
des Fluids zwischen dem ersten Anschluss 122 und dem zweiten
Anschluss 124 ermöglicht.
Eine erste Elektrode kann bezüglich
der Membran befestigt sein, und eine zweite Elektrode 130 kann
bezüglich
der zweiten gegenüberliegenden
Wand 118 befestigt sein.
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Wie
oben kann die Membran 120 dazu geeignet sein, in einer
im ersten Bereich beginnenden Rollbewegung zur zweiten gegenüberliegenden Wand
hin elektrostatisch zur zweiten Elektrode 130 hin gezogen
zu werden, wenn zwischen der Elektrode der Membran 120 und
der Elek trode 130 der zweiten gegenüberliegenden Wand 118 eine
Spannung angelegt ist. Wenn sie betätigt wird, kann die Membran 120 damit
beginnen, den Fluidstrom zwischen dem ersten Anschluss 122 und
dem zweiten Anschluss 124 zu beschränken. Wie oben, und in einigen
Ausführungsformen,
wird die Membran 120 elastisch verformt, wenn sie elektrostatisch
zur zweiten gegenüberliegenden
Wand 118 hin gezogen wird, und kehrt sie daher unter elastischen
rücktreibenden Kräften zur
ersten Stellung, die an die erste gegenüberliegende Wand angrenzt,
zurück.
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Wie
ersichtlich ist, kann die Membran 120 die Kammer 114 in
einen ersten Teil und einen zweiten Teil trennen. Der erste Teil
erstreckt sich zwischen der Membran 120 und der ersten
gegenüberliegenden
Wand 116, und der zweite Teil erstreckt sich zwischen der
Membran 120 und der zweiten gegenüberliegenden Wand 118.
In der erläuternden
Ausführungsform
befindet sich zumindest dann, wenn die Membran 120 in der
ersten Stellung ist, der erste Teil über die Abzugsöffnung 128 in
einer Fluidverbindung mit dem ersten Anschluss 122, und
der zweite Teil in einer Fluidverbindung mit dem ersten Anschluss 122 und
dem zweiten Anschluss 124. Indem man sowohl den ersten
Teil als auch den zweiten Teil in einer Fluidverbindung mit dem
ersten Anschluss 122 (z.B. dem Einlassanschluss) stehen
lässt,
kann die Betätigungskraft,
die benötigt
wird, um die Membran von einer ersten Stellung, die an die erste
gegenüberliegende
Wand 116 angrenzt, in eine zweite Stellung, die an die
zweite gegenüberliegende
Wand angrenzt, zu bewegen, verringert werden, da über die
Membran 120 ein geringer oder kein Druckunterschied besteht.
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11 ist
eine quergeschnittene Seitenansicht des erläuternden normalerweise offenen
Ventils von 10, wobei die Membran teilweise
aktiviert ist. Wie oben besprochen kann die Kammer 114 eine erste
gegenüberliegende
Wand 116 und eine zweite gegenüberliegende Wand 118 aufweisen,
wobei die zweite Elektrode 130 bezüglich der zweiten gegenüberliegenden
Wand 118 befestigt ist. Die Membran 120 ist derart
zwischen der ersten gegenüberliegenden
Wand 116 und der zweiten gegenüberliegenden Wand 118 angebracht,
dass die Membran 120 in einer Rollbewegung elektrostatisch
zur zweiten Elektrode 130 hin gezogen werden kann. Die
Rollbewegung kann wie in 11 gezeigt
mit einer zusätzlichen
Aktivierung andauern. Diese Rollbewegung kann die Spannung und die
Leistung, die benötigt werden,
um die Membran 120 zur zweiten gegenüberliegenden Wand 118 hin
zu ziehen, bedeutend verringern, während nach wie vor eine bedeutende Membranbewegungsentfernung
erreicht wird. 12 ist eine quergeschnittene
Seitenansicht des erläuternden
normalerweise offenen Ventils von 10, wobei
die Membran vollständig
aktiviert ist. Wie ersichtlich ist, kann die Membran 120 ausreichend
aktiviert werden, um einen Fluidstrom zwischen dem ersten Anschluss 122 und
dem zweiten Anschluss 124 zu verringern oder sogar zu verhindern,
wodurch das Ventil geschlossen wird.
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13 ist
eine quergeschnittene Seitenansicht eines erläuternden Dreiwegeventils nach
der vorliegenden Erfindung. Das erläuternde Dreiwegeventil enthält einen
Körper 140,
der dazu gestaltet ist, eine Kammer 142 zu bilden. Die
Kammer 142 weist eine erste gegenüberliegende Wand 144 und
eine zweite gegenüberliegende
Wand 146 auf. Eine Membran 150, die zwischen der
ersten gegenüberliegenden
Wand 144 und der zweiten gegenüberliegenden Wand 156 angebracht
ist, kann eine Öffnung 152 enthalten.
Eine erste Elektrode (nicht ausdrücklich gezeigt, aber wie oben
beschrieben) ist an der Membran 150 befestigt, und eine
zweite Elektrode 154 ist an der zweiten gegenüberliegenden
Wand 146 befestigt. Ein Einlassanschluss 160 kann
sich durch die erste gegenüberliegende
Wand 144 und in die Kammer 142 hinein erstrecken.
Eine erste Auslassöffnung 162 kann
sich durch die zweite gegenüberliegende
Wand 146 und in die Kammer 142 hinein erstrecken,
und eine zweite Auslass öffnung 164 kann sich
durch die erste gegenüberliegende
Wand und in die Kammer 142 hinein erstrecken. Die Einlassöffnung 160 und
die zweite Auslassöffnung 164 sind seitlich
voneinander beabstandet gezeigt, wobei die zweite Auslassöffnung 164 durch
einen ringförmigen Vorsprung 166 definiert
ist, der sich weiter in die Kammer 142 hinein erstreckt.
In einigen Ausführungsformen
ist entlang der Oberseite des ringförmigen Vorsprungs 166 ein
Ventilsitz 170 bereitgestellt.
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In 13 ist
die Membran 150 in einer ersten Stellung, die an die erste
gegenüberliegende Wand 144 angrenzt,
gezeigt. Die Membran 150 erstreckt sich entlang des Ventilsitzes 170,
was dabei hilft, eine Beschränkung
zwischen der ersten gegenüberliegenden
Wand 144 und der Membran 150 vorzunehmen oder
dazwischen auf eine andere Weise eine Dichtung bereitzustellen.
Daher ermöglicht
die Membran 150 in der ersten Stellung ein Strömen des Fluids
durch die Öffnung 152 zwischen
einem Einlassanschluss 160 und dem ersten Auslassanschluss 162,
während
ein Strömen
des Fluids zwischen dem Einlassanschluss 160 und dem zweiten
Auslassanschluss 164 beschränkt oder verhindert wird.
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14 ist
eine quergeschnittene Seitenansicht des erläuternden Dreiwegeventils von 13, wobei
die Membran teilweise aktiviert ist. Wie gezeigt kann die Membran 150 in
einer Rollbewegung elektrostatisch zur zweiten Elektrode 154 hin
gezogen werden, wenn zwischen der ersten Elektrode an der Membran 150 und
der zweiten Elektrode 154 eine Spannung angelegt ist. Das
elektrische Feld ist mit 172 veranschaulicht. Wenn sie
aktiviert wird, bewegt sich die Membran 150 zur zweiten
gegenüberliegenden
Wand 146 hin und von der ersten gegenüberliegenden Wand 144 und
vom Ventilsitz 170 weg. Da sich die Membran 150 von
der ersten gegenüberliegenden
Wand 144 weg bewegt, kann Fluid zwischen dem Einlassanschluss 160 und
dem zweiten Auslassanschluss 164 strömen.
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15 ist
eine quergeschnittene Seitenansicht des erläuternden Dreiwegeventils von 14, wobei
die Membran vollständig
aktiviert ist. Wie in 15 gezeigt beginnt die Öffnung 152 in
der Membran 150, beschränkt
zu werden, wenn die Membran 150 elektrostatisch dichter
an die zweite gegenüberliegende
Wand 146 gezogen wird, was schließlich Fluid an einem Strömen zwischen
dem Einlassanschluss 160 und dem ersten Auslassanschluss 162 hindert
oder im wesentlichen daran hindert. Wenn die Membran 150 von
der ersten gegenüberliegenden Wand 144 weg
bewegt wird, wird zusätzlich
der Fluidverbindungsweg zwischen dem Einlassanschluss 160 und
dem zweiten Auslassanschluss 164 weniger beschränkt, wodurch
für einen
gegebenen Einlassdruck ein größerer Fluss
gestattet wird.
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Es
sollte sich verstehen, dass diese Offenbarung in vieler Hinsicht
nur erläuternd
ist. An Einzelheiten, insbesondere hinsichtlich der Größe, der
Form und der Anordnung der Schritte können Veränderungen vorgenommen werden,
ohne den Umfang der Erfindung zu überschreiten. Der Umfang der
Erfindung ist, natürlich,
in der Sprache definiert, in der die beiliegenden Ansprüche ausgedrückt sind.