DE4422971C2

DE4422971C2 - microvalve

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

State of the art

Die Erfindung betrifft ein Mikroventil als temperaturkom pensierten Mikroaktor in einem Mehrschichtaufbau, mit einem axial beweglichen Ventilschließglied nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention relates to a microvalve as Temperaturkom micro-actuator in a multi-layer construction, with a axially movable valve closing member according to the genus of Main claim.

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.In a known microactuator of the type specified at the outset (DE-OS 42 34 237) there is a bending element on which Material areas with a relatively high thermal expansion coefficients are arranged. Through a targeted warmth opening of individual areas in connection with us of adjacent, unheated areas that the Temperature compensation can be used via the differ che material expansion a desired movement of the bend lementes can be achieved. The movement of the bending element can be used to actuate the valve closing element be drawn.

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.It is still a pressure regarding the inlet pressure balanced microvalve known from DE-OS 39 19 876, in which a valve closing member by means of an electrostatic the actuator moved away from a sealing valve seat can be. The sealing starting position is here through a membrane in the rest position which holds the valve closing member, and a through a pressure medium generated, acting on the valve seat In pressure. To operate the microvalve, a sufficient force to be applied, in particular a Deflection of the membrane to bring about corresponding movement of the valve closing member and thus leads to the opening of the valve seat.

Advantages of the invention

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.The microvalve according to the invention with the features of Characteristic of the main claim is advantageous in that than that through an integration of active and passive Elements in the multilayer structure of the microvalve, a simple drive for the movement of the valve closing link is created. In particular, the introduction of heatable materials with a high coefficient of thermal expansion ducks concentrically in a clamped, movable zone to the central axis of the microvalve creates favorable construct tive possibilities for easy activation of the micro valve in both pressure-balanced and non-pressure balanced construction.

Besondere Ausgestaltungen der Schichtenstruktur des erfin dungsgemäßen Mikroventils mit aktiven Kraft- und Kompensa tionselementen zur Aktuierung des Ventilschließgliedes sind in den Unteransprüchen angegeben.Special configurations of the layer structure of the inventions Micro valve according to the invention with active force and compensation tion elements for actuating the valve closing member specified in the subclaims.

drawing

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele des erfin dungsgemäßen Mikroventils erläutert. Es zeigen: Based on the drawing, embodiments of the inventions are micro valve according to the invention. Show it:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein bekanntes, druckausge glichenes Mikroventil; Figure 1 is a section through a known, pressure balanced micro valve.

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Hälfte eines rotati onssymmetrisch aufgebauten Mikroventils als erstes, nichtdruckausgeglichenes Ausführungsbeispiel der Erfin dung; Figure 2 shows a section through half of a rotati onssymmetrisch constructed microvalve as the first, non-pressure-balanced embodiment of the inven tion.

Fig. 3 ein zweites druckausgeglichenes Ausführungsbei spiel und Fig. 3 shows a second pressure balanced game Ausführungsbei and

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel als Abwandlung nach Fig. 3. Fig. 4 shows a third embodiment as a modification of FIG. 3.

Description of the embodiments

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.In Fig. 1 is a section through a, for example from DE-OS 39 19 876, known microvalve 1 Darge provides, in which inside a valve closing member 2 between two pressurized spaces 3 and 4 is arranged. A pressure P _{in is} built up in the input space 3 , where a liquid is preferably used as the pressure medium and can be introduced through an inlet 6 . In the output space 4 there is a pressure P _out , which is preferably generated by means of air. In this embodiment, the valve can be used, for example, as a fuel injection valve. The seal between the rooms 3 and 4 takes place via an annular valve seat 5 here , which, in the pressure-balanced rest position shown here, is closed. Arrows 7 illustrate the balancing force effect of the internal pressure P _in on the valve closing element 2 , by means of which a constant sealing behavior of the valve seat 5 is ensured even with fluctuations in the internal pressure P _in .

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.On the underside of the valve closing member 2 there is a pressure compensation chamber 8 (cavity) with a pressure P ₀ , which essentially speaks to the pressure P _{out on the} outlet side. This pressure acts via the force of a working diaphragm 9 surface of the valve closure member 2, the valve closure member 2 responds ent approximately egg ner outer surface 10 on the valve closure member 2 a. To actuate the valve closing member 2 , that is, to open the valve seat 5 , a drive, not shown here, is present, which, for example by electrostatic force, causes a movement of the working diaphragm 9 and thus the valve closing member 2 . In order to achieve simple assembly of the microvalve parts, which are preferably produced in a micromechanical layer construction, there are generally a large number of joining points 11 at which the separately produced layers are glued together (bonded).

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.In the illustration of the game Ausführungsbei according to FIG. 2, the components matching the microvalve according to FIG. 1 are provided with the same reference characters. The components required for actuation are arranged on a layer 12 ; they consist of material areas with a high thermal expansion coefficient compared to layer 12 . These material areas extend in a ring or rectangular shape, concentric to the central axis, on the surface of the layer 12 . There are four such ring-shaped areas 13 , 14 , 15 and 16 in this embodiment, which have the relatively high thermal expansion coefficient described. The concentric to the central axis of the Mikroven tils inner regions 14 and 15 are heated and the outer regions 13 and 16 serve to compensate for disturbing temperature influences, which must not lead to an ac tuation. The areas 13 , 14 , 15 and 16 lie in a zone of the layers of the microvalve 1 lying one above the other in the vertical direction, in which not all layers are firmly connected to one another, so that an axial movement of these layers in the direction of an arrow 17 is possible. However, this movable part remains clamped in since the layer regions lying to the right and left next to the regions 13 , 14 , 15 and 16 are firmly connected to one another in the vertical direction, so that an opening of the valve seat 5 can be carried out.

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.The axial movement of the parts that are not firmly connected to one another is achieved by a high thermal expansion of the regions 14 and 15 , which are located centrally to the central axis of the microvalve, relative to the thermal expansion behavior of the overall structure. The heating element required for this is not shown here; it can be realized with a heating wire near the areas 14 and 15 .

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.In the embodiment of FIG. 3, a pressure equalization is made with respect to the inlet pressure P _in , which is illustrated by the arrows 7 in the inlet pressure chamber 3 . In contrast to the arrangement according to FIG. 2, however, the heating and compensation areas 15 and 16 ( FIG. 2) are omitted here, since contact of the fluid in the inlet pressure chamber 3 with heated areas may have to be avoided. For example, in certain applications the fluid could boil or ignite on the hot layers.

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.The embodiment according to FIG. 4 is also pressure-balanced with regard to the inlet pressure P _in (arrows 7 in the inlet pressure chamber 3 ). However, the flow through the microvalve 1 takes place here from a radially outer inlet 6 via channels 19 to the outlet-side space 4 , which lies radially further inside in the microvalve 1 . Otherwise, the structure of this embodiment corresponds to that of the microvalve 1 according to FIG. 3, with heating of the loading areas in the vicinity of the inlet pressure chamber 3 also being avoided here. In this exemplary embodiment, only the heating and compensation elements 15 and 16 are thus present.

Claims

1. Micro valve
with a valve housing made up of several layers,
with a valve closing element ( 2 ) which is arranged between two spaces ( 3 , 4 ) to which pressure medium can be applied and which can be sealingly applied to a valve seat ( 5 ) on a common wall of the spaces ( 3 , 4 ),
and with a layer ( 12 ) which causes the lifting movement of the valve closing member ( 2 ) and on the outside and around a central axis at least two regions ( 13 , 14 , 15 , 16 ) with a relatively high coefficient of thermal expansion are arranged such that heat is applied to a part of the Areas ( 13 , 14 , 15 , 16 ) leads to an axial movement of the valve closing member ( 2 ),
characterized by
that the areas ( 13 , 14 , 15 , 16 ) are arranged in a zone of the layer ( 12 ) which is clamped axially movably between a central axially immovable zone and an outer axially immovable zone of the layer ( 12 ).

2. Microvalve according to claim 1, characterized in that the at least two areas ( 13 , 14 , 15 , 16 ) are arranged in the movable zone such that the radially central areas ( 14 , 15 ) are heated and the outer areas ( 13 , 16 ) serve to compensate for disturbing temperature influences.

3. Micro valve according to claim 2, characterized in that at least two areas ( 13 , 14 , 15 , 16 ) are arranged radially outside in the movable zone - of which the inner area ( 14 ) is heatable - and in the layer ( 12 ) , radially on the inside, there is a pressure compensation chamber ( 18 ) for compensation of the inlet pressure P _in .

4. Micro valve according to claim 2, characterized in that at least two areas ( 13 , 14 , 15 , 16 ) are arranged radially inwardly lying in the movable zone and in the layer ( 12 ), radially on the outside, an inlet pressure chamber ( 3 ) with a Compensation of the inlet pressure P _{in is} present.

5. Microvalve according to one of the preceding claims, characterized in that the microvalve ( 1 ) with a multilayer structure in silicon, thin-film or thick-film technology is made of metal or plastic.