DE4422971C2

DE4422971C2 - Mikroventil

Info

Publication number: DE4422971C2
Application number: DE19944422971
Authority: DE
Inventors: Armin Schuelke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 2003-09-04
Anticipated expiration: 2014-07-01
Also published as: DE4422971A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Mikroventil als temperaturkom pensierten Mikroaktor in einem Mehrschichtaufbau, mit einem axial beweglichen Ventilschließglied nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Bei einem bekannten Mikroaktor der eingangs angegebenen Art (DE-OS 42 34 237) ist ein Biegelement vorhanden, auf dem Materialbereiche mit einem relativ hohen Wärmeausdehnungs koeffizienten angeordnet sind. Durch eine gezielte Wärmebe aufschlagung einzelner Bereiche in Verbindung mit der Wir kung von benachbarten, nicht erwärmten Bereichen, die der Temperaturkompensation dienen, kann über die unterschiedli che Materialausdehnung eine gewünschte Bewegung des Biegee lementes erreicht werden. Die Bewegung des Biegeelementes kann hier zu Betätigung des Ventilschließelementes herange zogen werden.

Es ist weiterhin ein hinsichtlich des Eingangsdrucks druck ausgeglichenes Mikroventil aus der DE-OS 39 19 876 bekannt, bei dem ein Ventilschließglied mittels eines elektrostati schen Antriebs von einem dichtenden Ventilsitz wegbewegt werden kann. Die dichtende Ausgangsstellung wird hierbei durch eine sich in der Ruhestellung befindliche Membran, an der das Ventilschließglied gehalten ist, und einen durch ein Druckmittel erzeugten, auf den Ventilsitz wirkenden In nendruck bewirkt. Zur Betätigung des Mikroventils muß eine ausreichende Kraft aufgebracht werden, um insbesondere eine Auslenkung der Membran zu bewerkstelligen, die zu einer entsprechenden Bewegung des Ventilschließgliedes und damit zur Öffnung des Ventilsitzes führt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Mikroventil mit den Merkmalen des Kennzeichens des Hauptanspruchs ist insofern vorteilhaft, als daß durch eine Integration von aktiven und passiven Elementen in die Mehrschichtenstruktur des Mikroventils, ein einfacher Antrieb für die Bewegung des Ventilschließ gliedes geschaffen wird. Insbesondere das Einbringen von beheizbaren Materialien mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizi enten in einer eingespannten, beweglichen Zone konzentrisch zur Mittelachse des Mikroventils schafft günstige konstruk tive Möglichkeiten für eine einfache Aktuierung des Mikro ventils sowohl in druckausgeglichener als auch nichtdruck ausgeglichener Bauweise.

Besondere Ausgestaltungen der Schichtenstruktur des erfin dungsgemäßen Mikroventils mit aktiven Kraft- und Kompensa tionselementen zur Aktuierung des Ventilschließgliedes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele des erfin dungsgemäßen Mikroventils erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein bekanntes, druckausge glichenes Mikroventil;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Hälfte eines rotati onssymmetrisch aufgebauten Mikroventils als erstes, nichtdruckausgeglichenes Ausführungsbeispiel der Erfin dung;

Fig. 3 ein zweites druckausgeglichenes Ausführungsbei spiel und

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel als Abwandlung nach Fig. 3.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein, beispielsweise aus der DE-OS 39 19 876, bekanntes Mikroventil 1 darge stellt, bei dem im Inneren ein Ventilschließglied 2 zwi schen zwei druckbeaufschlagbaren Räumen 3 und 4 angeordnet ist. In dem Eingangsraum 3 ist ein Druck P_in aufgebaut, wo bei als Druckmittel vorzugsweise eine Flüssigkeit dient, die durch einen Zulauf 6 einbringbar ist. In dem Ausgangs raum 4 herrscht ein Druck P_out, der vorzugsweise mittels Luft erzeugt wird. In dieser Ausführungsform ist das Ventil beispielsweise als Kraftstoff-Einspritzventil einsetzbar. Die Abdichtung zwischen den Räumen 3 und 4 erfolgt über einen hier ringförmigen Ventilsitz 5, der, in der hier dar gestellten druckausgeglichenen Ruhestellung, geschlossen ist. Durch Pfeile 7 ist die ausgleichende Kraftwirkung des Innendrucks P_in auf das Ventilschließglied 2 verdeutlicht, durch die ein konstantes Dichtverhalten des Ventilsitzes 5 auch bei Schwankungen des Innendrucks P_in gewährleistet ist.

An der Unterseite des Ventilschließgliedes 2 befindet sich eine Druckausgleichskammer 8 (Kavität) mit einem Druck P₀, der im wesentlichen dem ausgangsseitigen Druck P_out ent spricht. Dieser Druck wirkt über die als Arbeitsmembran 9 wirkende Fläche des Ventilschließgliedes 2, die in etwa ei ner äußeren Oberfläche 10 des Ventilschließgliedes 2 ent spricht, auf das Ventilschließglied 2 ein. Zur Betätigung des Ventilschließgliedes 2, d. h. zur Öffnung des Ventil sitzes 5, ist ein hier nicht dargestellter Antrieb vorhan den, der, beispielsweise durch elektrostatische Kraft wirkung, eine Bewegung der Arbeitsmembran 9 und damit des Ventilschließgliedes 2 bewirkt. Um eine einfache Montage der, vorzugsweise in einer mikromechanischen Schichtbau weise hergestellten, Mikroventilteile zu erreichen, sind in der Regel eine Vielzahl von Fügestellen 11 vorhanden, an der die separat hergestellten Schichten zusammengeklebt (gebondet) werden.

Bei der Darstellung des erfindungsgemäßen Ausführungsbei spiels nach der Fig. 2 sind die mit dem Mikroventil nach Fig. 1 übereinstimmenden Bauteile mit den gleichen Bezugs zeichen versehen. Die zur Aktuierung notwendigen Bauteile sind auf einer Schicht 12 angeordnet; sie bestehen aus Materialbereichen mit einem, im Vergleich zur Schicht 12, hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Diese Material bereiche erstrecken sich ring- oder rechteckförmig, konzen trisch zur Mittelachse, auf der Oberfläche der Schicht 12. Es sind bei diesem Ausführungsbeispiel vier solche ringför mige Bereiche 13, 14, 15, und 16 vorhanden, die den be schriebenen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die konzentrisch zur Mittelachse des Mikroven tils innenliegenden Bereiche 14 und 15 sind beheizbar und die äußeren Bereiche 13 und 16 dienen der Kompensation von störenden Temperatureinflüssen, die nicht zu einer Ak tuierung führen dürfen. Die Bereiche 13, 14, 15 und 16 lie gen in einer Zone der in vertikaler Richtung übereinander liegenden Schichten des Mikroventils 1, in der nicht alle Schichten fest miteinander verbunden sind, sodaß eine axiale Bewegung dieser Schichten in Richtung eines Pfeiles 17 möglich ist. Dieser bewegliche Teil bleibt jedoch einge spannt, da die rechts und links neben den Bereichen 13, 14, 15 und 16 liegenden Schichtbereiche in vertikaler Richtung fest miteinander verbunden sind, sodaß eine Öffnung des Ventilsitzes 5 durchführbar ist.

Die axiale Bewegung der nicht fest miteinander verbundenen Teile wird durch eine hohe thermische Ausdehnung der kon zentrisch zur Mittelachse des Mikroventils innenliegenden Bereiche 14 und 15, relativ zum thermischen Aus dehnungsverhalten des Gesamtaufbaus, erreicht. Das hierfür erforderliche Heizelelement ist hier nicht dargestellt; es kann mit einen Heizdraht in der Nähe der Bereiche 14 und 15 realisiert werden.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 ist ein Druckaus gleich bezüglich des Eingangsdrucks P_in vorgenommen, wel cher durch die Pfeile 7 im Eingangsdruckraum 3 verdeutlicht ist. Im Unterschied zur Anordnung nach Fig. 2 sind hier jedoch die Heiz- und Kompensationsbereiche 15 und 16 (Fig. 2) weggelassen, da ein Kontakt des Fluids in dem Eingangs druckraum 3 mit beheizten Bereichen eventuell zu vermeiden ist. Beispielsweise könnte bei bestimmten Anwendungsfällen das Fluid sieden oder sich an den heißen Schichten entzün den.

Auch das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist hinsichtlich des Eingangsdrucks P_in druckausgeglichen (Pfeile 7 in dem Eingangsdruckraum 3). Die Durchströmung des Mikroventils 1 erfolgt hier jedoch von einem radial außen liegenden Zulauf 6 über Kanäle 19 zu dem ausgangsseitigen Raum 4, der radial weiter innen im Mikroventil 1 liegt. Ansonsten entspricht der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels dem des Mikroventils 1 nach der Fig. 3, wobei auch hier eine Beheizung der Be reiche in der Nähe des Eingangsdruckraums 3 vermieden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind somit nur die Heiz- und Kompensationselemente 15 und 16 vorhanden.

Claims

1. Mikroventil
mit einem aus mehreren Schichten aufgebauten Ventilgehäuse,
mit einem Ventilschließglied (2), das zwischen zwei mit Druckmittel beaufschlagbaren Räumen (3, 4) im Ventilgehäuse angeordnet und an einen Ventilsitz (5) an einer gemeinsamen Wand der Räume (3, 4) dichtend anlegbar ist,
und mit einer die Hubbewegung des Ventilschließgliedes (2) bewirkenden Schicht (12), auf der außenliegend und um eine Mittelachse herum mindestens zwei Bereiche (13, 14, 15, 16) mit relativ hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten derart angeordnet sind, daß eine Wärmebeaufschlagung eines Teils der Bereiche (13, 14, 15, 16) zu einer axialen Bewegung des Ventilschließgliedes (2) führt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bereiche (13, 14, 15, 16) in einer Zone der Schicht (12) angeordnet sind, die axial beweglich zwischen einer zentralen axial unbeweglichen Zone und einer äußeren axial unbeweglichen Zone der Schicht (12) eingespannt ist.

2. Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Bereiche (13, 14, 15, 16) in der beweg lichen Zone derart angeordnet sind, daß die radial in der Mitte liegenden Bereiche (14, 15) beheizbar sind und die au ßenliegenden Bereiche (13, 16) zur Kompensation von stören den Temperatureinflüssen dienen.

3. Mikroventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Bereiche (13, 14, 15, 16) radial außen in der beweglichen Zone - von denen der innere Bereich (14) beheizbar ist - angeordnet sind und in der Schicht (12), radial innenliegend, eine Druckausgleichskammer (18) für eine Kompensation des Eingangsdrucks P_in vorhanden ist.

4. Mikroventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Bereiche (13, 14, 15, 16) radial innenlie gend in der beweglichen Zone angeordnet sind und in der Schicht (12), radial außenliegend, ein Eingangsdruckraum (3) mit einer Kompensation des Eingangsdrucks P_in vorhanden ist.

5. Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, durch gekennzeichnet, daß das Mikroventil (1) mit Mehrschichtenstruktur in Sili zium-, Dünnschicht- oder Dickschicht-technologie aus Metall oder Kunststoff hergestellt ist.