DE102006006706A1

DE102006006706A1 - Mikroventil

Info

Publication number: DE102006006706A1
Application number: DE200610006706
Authority: DE
Inventors: Werner Karl Prof. Dr.rer.nat. Schomburg; Hubertus Prof. Dr.-Ing. Murrenhoff; Frank Dr.-Ing. Bauer; Wolfgang Dipl.-Ing. Gauchel; Roman Dipl.-Ing. Jansen
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2007-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung mit wenigstens einem Ventil, wobei ein Ventil einen Einlaß und einen damit in Fluidverbindung stehenden Auslaß und ein zwischen zwei stabilen Endlagen hin- und herschaltbares Schaltelement aufweist, bei der das Schaltelement (21) in einer ersten Endlage auf eine Membran (5) wirkt, um den Einlaß (14) und/oder Auslaß (16) zu verschließen, wobei die Membran (5) den Ein- (14) und Auslaß (16) überdeckt, den Fluidweg zwischen Ein- (14) und Auslaß (16) vom Schaltelement (21) trennt und unter dem Druck am Einlaß (14) und/oder Auslaß (16) nachgiebig ist, wobei die Membran (5) in der zweiten Endlage des Schaltelementes (21) keinen Kontakt zum Schaltelement (21) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung, insbesondere ein Mikroventil mit wenigstens einem Ventil, wobei ein Ventil einen Einlass und einen damit in Fluidverbindung stehenden Auslass und ein zwischen zwei stabilen Endlagen hin- und her schaltbares Schaltelement aufweist, um den Einlass oder Auslass zu öffnen oder zu schließen.
Da bei einem derartigen Ventil im geöffneten bzw. geschlossenen Zustand das Schaltelement zum Öffnen oder Verschließen jeweils eine stabile, insbesondere selbsterhaltende Endlage einnimmt, bedarf es in beiden Zuständen keines zusätzlichen Energieaufwands zur Erhaltung des geöffneten oder geschlossenen Zustands.
Mikroventile sind seit vielen Jahren das Ziel von Wissenschaft und Forschung, weil sie wegen ihrer kleinen Bauweise nur ein geringes Totvolumen aufweisen, kurze Schaltzeiten erreichen können und nur wenig Energie verbrauchen. Anwendungen sind vor allem im Bereich von Vorsteuerventilen für pneumatische Steuerungen und in der Dosierung kleiner Volumina in der Medizin und Pharmakologie zu erwarten.

So wird z.B. in den Proceedings der Konferenz Actuator 94, die vom 15. bis 17. Juni 1994 in Bremen stattfand, auf den Seiten 30 bis 33 von den Autoren T. Lisec et al ein Mikroventil beschrieben, bei dem der Ventilauslass durch eine Siliziumbrücke verschlossen wird. Durch die Erwärmung der Siliziumbrücke dehnt sie sich aus und wölbt sich auch entgegen einer anliegenden Druckdifferenz auf und gibt so den Ventilsitz frei. Nachteilig bei dieser Art von Mikroventil ist, dass einerseits die Siliziumbrücke durch das ausströmende Medium gekühlt wird, was der Öffnung des Ventils entgegenwirkt, und dass andererseits solange Energie zugeführt werden muss, wie das Ventil geöffnet bleiben soll.

In einer anderen Veröffentlichung der Autoren C. Goll et al. im Journal of Micromechanical Microengineering, vol. 6 (1996) ist auf den Seiten 77 bis 79 ein Mikroventil beschrieben, bei dem eine unter einer mechanischen Druckspannung stehende Membran den Einlass des Ventils auch gegen eine anliegende Druckdifferenz verschlossen hält. Zum Öffnen dieses Mikroventils wird eine unterhalb der Membran liegende Aktorkammer erst aufgeheizt, bis sich der dabei entstehende Überdruck durch eine kleine Öffnung im Gehäuse abgebaut hat. Dann wird in der Aktorkammer ein Unterdruck erzeugt, indem die Heizung der Aktorkammer schlagartig abgeschaltet wird. Der Unterdruck bewegt die Ventilmembran vom Ventilsitz weg in eine zweite stabile Lage, bei der das Ventil geöffnet ist, ohne dass ständig Energie zugeführt zu werden bräuchte.

Nachteilig bei diesem Ventiltyp ist, dass ein erhöhter Druck am Auslass des Ventils zu einem unbeabsichtigten Öffnen des Ventils führen kann, weil der Druck am Auslass fast auf die gesamte Fläche der Membran wirkt, während der Druck am Einlass nur auf der Querschnittsfläche des Einlasses auf die Membran wirkt. Darüber hinaus ist nachteilig, dass Veränderungen des Umgebungsdrucks Einfluss auf das Schaltverhalten des Mikroventils haben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine konstruktive Vereinfachung darstellt und mit welchem eine Einwirkung eines Drucks an Ein- und/oder Auslass auf das schaltende Element im Ventil vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Schaltelement in einer ersten Endlage auf eine Membran wirkt, um den Einlass und/oder Auslass zu verschließen, wobei die Membran den Ein- und Auslass überspannt, den Fluidweg zwischen Ein- und Auslass vom Schaltelement trennt und unter dem Druck am Einlass nachgiebig ist, wobei die Membran in der zweiten Endlage des Schaltelementes (geöffneter Zustand des Ventils) keinen Kontakt zum Schaltelement aufweist.

Wesentlicher Kerngedanke der Erfindung ist es, dass sich bei einem erfindungsgemäßen Ventil zwischen Einlass und Auslass ein Volumenbereich ergibt, der zumindest zu einem Teilbereich durch die nachgiebige Membran begrenzt ist.

So wird das Schaltelement beim Schließen des Ventils einen Druck unmittelbar auf die Membran ausüben, um diese sodann auf die Einlassöffnung und/oder Auslassöffnung aufzudrücken, beispielsweise auf einen um die Einlassöffnung und/oder Auslassöffnung angeordneten Ventilsitz, wobei sich das Schaltelement in der anderen Endlage, d.h. in der geöffneten Position des Ventils, von der Membran entfernt, durch den anstehenden Druck am Einlass und/oder Auslass die Membran nachgibt und sich von der Einlassöffnung und Auslassöffnung bzw. den umgebenden Ventilsitz abhebt und wobei dieses Abheben jedoch nur soweit erfolgt, dass die Membran keinen Kontakt zum Schaltelement aufweist.

Beim Umschalten von geschlossenen Zustand in den geöffneten Zustand entfernt sich das Schaltelement also weiter von der Ein- und/oder Auslassöffnung als die Membran, welche diese Öffnungen überdeckt.

Aufgrund der Tatsache, dass hier kein Kontakt zwischen Schaltelement und Membran besteht, wird der am Einlass und/oder Auslass anstehende Druck eines zu fördernden bzw. durchzulassenden Fluids nicht auf das Schaltelement übertragen, so dass dieser Druck am Einlass und/oder Auslass keinen Einfluss auf das Schaltverhalten des Ventils hat. Vielmehr kann das Schaltelement von der geöffneten Endlage in die Endlage des geschlossenen Zustands des Ventils umschlagen, ohne am Anfang der Umschlagbewegung gegen den Druck, der am Einlass oder am Auslass herrscht, anarbeiten zu müssen.

Es kann hier bevorzugt vorgesehen sein, dass die Membran unter dem Druck am Einlass und/oder Auslass nur bis zu einer maximalen Grenzposition (bis zu einem maximalen Abstand über der Ein- oder Auslassöffnung) auslenkbar ist, wobei in dieser Grenzposition die Membran einen Abstand zum Schaltelement aufweist und somit nicht mit diesem in Kontakt kommen kann.

Hierfür kann beispielsweise die Membran aus einem flexiblen Material hergestellt sein, wobei unter Berücksichtigung des Drucks am Einlass und/oder Auslass eine Verformung der Membran bei einem vorgegebenen Einlassdruck einen Abstand zum Schaltelement aufweist. Ebenso kann es vorgesehen sein, die Membran aus einem nicht flexiblen Material, wie z.B. einer schlaffen Folie, auszubilden, die sich im geöffneten Zustand bis zu einem gewissen Grenzvolumen aufbläht, wobei wiederum bei Erreichen des Grenzvolumens diese so ausgebildete Folien-Membran einen Abstand zum Schaltelement einhält. So kann ein evtl. Druck am Einlass und/oder Auslass nur in diesem durch die Membran begrenzten Volumen wirken.

Um ein Schalten zu bewirken, kann es in einer möglichen Ausführung vorgesehen sein, dass ein Schaltelement in einem Schaltraum angeordnet ist, der durch das Schaltelement in zwei Bereiche unterteilt ist, wobei in jedem Bereich Druckerzeugungsmittel vorgesehen sind, um den Druck in einem der Bereiche zu erhöhen und so ein Umschlagen des Schaltelementes in die jeweils andere, stabile Endlage zu bewirken.

Hierfür kann beispielsweise das Schaltelement ebenso als eine Membran ausgebildet sein, die unter einer Vorspannung in dem Schaltraum angeordnet ist und mit einer Vorspannung in einer der Endlagen gehalten wird. Durch eine Druckerhöhung in dem einer Endlage zugeordneten Bereich kann die Vorspannung überwunden werden, so dass das Schaltelement in die andere Endlage sicher umschlägt. Ein solches Schaltelement kann beispielsweise auch als eine Platte ausgebildet sein, insbesondere die an ihrem Rand mit einer in die Plattenebene hineinweisenden Spannung im Schaltraum befestigt ist.

Um ein gegebenenfalls schnelles Hin- und Herschalten des Schaltelementes zu ermöglichen, kann es vorgesehen sein, dass die beiden Bereiche des Schaltraumes durch einen Druckausgleichskanal miteinander verbunden sind. Hierbei wird der Querschnitt des Druckausgleichskanals derart gering gewählt, dass der in einem Bereich zum Umschalten erzeugte Druck nicht durch diesen Kanal abgebaut wird, sondern zum Umschalten eine genügende Höhe erreicht, wobei jedoch nach dem Umschalten allmählich, gegebenenfalls mit einer gewünschten oder vorgebbaren Zeitkonstante ein Druckausgleich durch den Kanal zwischen den beiden Bereichen, die durch das Schaltelement getrennt sind, stattfinden kann. Nach erfolgtem Druckausgleich kann sodann ein erneutes Umschalten in die wiederum andere Endlage des Schaltelementes stattfinden, dadurch, dass die Druckerzeugungsmittel in dem anderen Bereich des Schaltraums angesteuert werden, um eine Druckerhöhung zu bewirken.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass ein Druckerzeugungsmittel als eine elektrische Leiteranordnung ausgebildet ist, die bei Stromfluss eine Erwärmung eines Fluids bewirkt, welches in dem Schaltraum bzw. den beiden Bereichen des Schaltraums angeordnet ist. Demnach bewirkt die Erwärmung des Fluids eine Ausdehnung desselbigen und somit eine Druckausübung auf das Schaltelement, welches bevorzugt als eine vorgespannte Platte bzw. Membran ausgebildet sein kann.

Hierbei kann es besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass das Fluid im Schaltraum gasförmig gewählt wird, da ein Gas eine besonders geringe Wärmekapazität aufweist und somit hohe Schaltzyklen erreichbar sind. Beispielsweise kann in einfacher Ausführung als gasförmiges Fluid Luft gewählt sein.

In einer bevorzugten Weiterbildung kann es vorgesehen sein, dass ein Druckerzeugungsmittel auf einer Membran befestigt ist, die zumindest teilbereichsweise einen Bereich des Schaltraums durchspannt, wobei in besonders bevorzugter Ausführung diese Membran durch die Membran gebildet sein kann, die auch die Ein- und Auslassöffnung des Ventils überdeckt.

Eine solche Membran hat ihrerseits wiederum den Vorteil einer geringen Wärmekapazität, insbesondere wenn die Membran besonders dünn ausgestaltet ist, so dass die mittels einer stromdurchflossenen Leiteranordnung erzeugte Wärme unmittelbar statt in die Erwärmung der Membran in die Erwärmung des umgebenden Fluids, also insbesondere eines Gases, aufgewandt wird.

Um zu gewährleisten, dass beidseitig einer derartigen Membran und somit in allen Bereichen des Schaltraums bzw. der jeweiligen durch das Schaltelement unterteilten Schaltraumbereichen der gleiche Druck herrscht, kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die Membran im Bereich der daran befestigten Leiteranordnungen Durchgangsbohrungen aufweist.

In einer anderen Ausführung der Erfindung kann es auch vorgesehen sein, dass das Schaltelement selbst als Aktor ausgebildet ist oder z.B. einen Aktor trägt. So kann z.B. Das Schaltelement als eine Membran oder Platte ausgebildet sein, an der ein Piezoaktor befestigt ist. Durch eine Ansteuerung des Piezoaktors kann sodann die Vorspannung in der aktuellen stabilen Endlage überwunden werden, wodurch das Schaltelement in die andere stabile Lage umschlägt. Die Membran bzw. Platte kann selbst vollständig durch einen Piezoaktor gebildet sein.

Eine vorbeschriebene Ventilanordnung kann in besonders bevorzugter Ausführung derart aufgebaut sein, dass sie zwei Ventile aufweist, wobei die beiden Ventile gleichzeitig angesteuert werden, d.h. dass ein Ventil geschlossen wird, wenn gleichzeitig das andere geöffnet wird.

Hierfür kann eine erfindungsgemäße Ventilanordnung beispielsweise zwei einander in einem Abstand gegenüberliegende spiegelsymmetrische Ventile aufweisen, wobei ein Schaltelement zwischen den Ventilen in einem Schaltraum angeordnet ist und beim Öffnen des einen Ventils das jeweils andere schließt.

Um dies in bevorzugter, konstruktiver Ausgestaltung zu erreichen, kann beispielsweise ein Ventil als eine insbesondere kreisförmige Platte ausgebildet sein mit zwei nebeneinander angeordneten Durchgangsbohrungen zur Ausbildung von einer Einlass- und einer Auslassöffnung, wobei eine Membran der vorbeschriebenen Art einseitig an der Platte befestigt ist und je eine Ein- und Auslassöffnung lose überdeckt bzw. überspannt.

So wird durch die Ein- und Auslassöffnung bzw. die zugehörigen Bohrungen und die die Öffnungen überspannende Membran der Fluidweg in dem Ventil definiert. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass eine Einlassöffnung konzentrisch von einer Ringnut in der Oberfläche der Platte umgeben ist, wobei die Auslassöffnung in der Nut liegt und wobei die Membran in radialer Richtung außerhalb der Nut an der Platte dicht befestigt ist.

Insbesondere bei einem Abstand zwischen der Einlassöffnung und der ringförmigen Nut ergibt sich um die Öffnung ein Ventilsitz, auf den die über den Öffnungen liegende Membran mittels des Schaltelementes aufgedrückt werden kann, um die Einlassöffnung zu verschließen. Hierbei kann aus sämtlichen Bereichen der durch die Membran begrenzten Ventilkammer bzw. der Fluidverbindung zwischen Ein- und Auslass Restfluid in die Nut und somit in die Auslassöffnung beim Schließvorgang verdrängt werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass eine Einlassöffnung konzentrisch von einer Ringnut in der Oberfläche der Platte umgeben ist, die von der Membran überspannt ist, wobei die Membran im Bereich der Ringnut eine Leiteranordnung trägt, die das vorgenannte Druckerzeugungsmittel bildet. So bildet eine derartige Platte durch die Ringnut, die von der Membran mit einer Leiteranordnung überspannt ist, zumindest einen Bereich des vorbeschriebenen Schaltraums, wobei dieser Bereich durch die Ringnut gegeben ist.

Auf einer derartigen vorbeschriebenen Platte kann beispielsweise ein Ring angeordnet werden, der auf der membranüberspannten Seite der Platte aufliegt und dessen Inneres einen weiteren Teil des Schaltraums bildet, wobei es vorgesehen sein kann, dass der Ring auf seiner nach innen weisenden Wandung eine umlaufende Nut, insbesondere mit teilkreisförmigen Querschnitt aufweist, wobei ein kreisförmiges, plattenförmiges Schaltelement mit seinem Rand insbesondere unter Vorspannung in dieser umlaufenden Nut einliegt. So bildet eine derartige Nut eine Lagerung für den Rand der Platte/Membran des Schaltelementes, die eine Bewegung der Platte gegenüber dem Ring zulässt, wobei durch die Vorspannung erreicht wird, dass die Platte bei dieser Art der Einspannung zwei stabile Endlagen einnehmen kann.

Auf diese Anordnung kann wiederum spiegelsymmetrisch die vorbeschriebene Platte aufgesetzt werden, um eine gesamte Ventilanordnung mit zwei Ventilen (eine je Platte) zu erreichen oder es wird eine Platte der im Wesentlichen vorbeschriebenen Art auf den Ring aufgesetzt, welche lediglich zur Ergänzung und Definition des Schaltraums dient und die vorbeschriebenen Druckerzeugungsmittel aufweist, jedoch ohne Ein- und Auslass, so dass sich hierdurch nur eine Ventilanordnung mit einem Ventil ergibt.

Insbesondere der vorbeschriebene modulare Aufbau hat konstruktiv die Vorteile, dass eine gewünschte Ventilanordnung wahlweise aus Standardelementen zusammengesetzt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfolgenden Figuren dargestellt.
Es zeigen:
1 eine seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Mikroventils mit dem vorbeschriebenen Schichtaufbau
2 eine Schnittansicht in Aufsicht in der Ebene einer der Membranen, die eine zur Betätigung vorgesehene Leiteranordnung trägt.
Das in den Figuren beispielhaft gezeigte Mikroventil umfasst die Gehäuseteile 1, 2 und 3, zwei Ventilmembranen 4 und 5, und als Schaltelemente Aktormembran 21. Die Ventilmembranen 4 bzw. 5 sind mit den Gehäuseteilen 1 bzw. 3 um die Ringnute 11 bzw. 12 herum, d.h. in den Bereichen 1a bis 1d bzw. 3a bis 3d, dichtend verbunden. Diese Ringnute 11 und 12 bilden Teilbereiche des Schaltraumes, in dem die Aktormembran 21 angeordnet ist. Die Ventilmembranen sind aber im Bereich der Ventileinlässe 13 bzw. 14, der Ventilauslässe 15 bzw. 16 und der Ringkanäle 20 bzw. 19 um die Ventilsitze herum nirgends fest mit den Gehäuseteilen 1 bzw. 3 verbunden, so dass die Ventilmembranen lose die Ventileinlässe 13, 14 und Ventilauslässe 15, 16 überdecken.
Die Ventilmembranen 4 bzw. 5 weisen höchstens eine geringe mechanische Vorspannung auf, so dass sie z.B. von einer Druckdifferenz leicht um z.B. bei dieser Ausführung ca. 75 μm weit ausgelenkt werden können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ventilmembranen 4 bzw. 5 schlaff sind, das heißt, dass sie erst unter eine mechanische Zugspannung kommen, wenn sie durch eine Druckdifferenz bis zu ihrer maximalen Auslenkung, hierum ca. 75 μm, aufgebläht werden. Eine darüber hinausgehende Auslenkung der Ventilmembranen 4 bzw. 5 ist jedoch nur mit einer Druckdifferenz möglich, die den vorgesehenen Druck am Einlass 13 bzw. 14 übersteigt.
Der Durchmesser der Einlässe 13 bzw. 14 und der Auslässe 15 bzw. 16 beträgt ca. 300 μm und der durch eine Druckdifferenz bewegliche, nicht fest mit den Gehäuseteilen 1 bzw. 2 verbundene Teil der Ventilmembranen 4 bzw. 5 weist einen Durchmesser von ca. 700 μm auf. Die Ringkanäle 20 bzw. 19 sind seitlich von ringförmigen Nuten 11 bzw. 12 umgeben.
Auf den Teilen der Ventilmembranen 4 bzw. 5, die den Schaltraum im Bereich der Ringnute 11, 12 durchspannen, sind Heizleiter 7 bzw. 8 angebracht und mindestens eine Öffnung 18 und gegebenenfalls 10 bzw. 17 und gegebenenfalls 9 stellt eine Verbindung zwischen der oberhalb und unterhalb der Ventilmembranen liegenden Teilen der Schaltraumes her.
Der Durchmesser der Öffnungen 9, 10, 17 bzw. 18 beträgt ca. 200 μm, kann aber je nach Anordnung und Anzahl der Öffnungen auch größer oder kleiner gewählt werden.
Die Dicke der Ventilmembranen 4 bzw. 5 liegt bevorzugt im Bereich von ca. 2 μm. Der äußere Durchmesser der Ringnute 11, und 12 beträgt ca. 4 mm und ihre Tiefe in die Gehäuseteile 1 bzw. 3 hinein ca. 1 mm. Die Gehäuseteile und Ventilmembranen werden vorteilhafterweise aus einem chemisch inerten Polymer wie z.B. Polyetheretherketon (PEEK), Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polypropylen (PP) hergestellt. Es ist aber auch denkbar, sie aus einem anderen Material wie z.B. Glas, Keramik oder Silizium zu fertigen.
Zwischen den Gehäuseteilen 1 und 3 ist in der Mitte des Gehäuseteils 2 eine Aktormembran 21 angebracht. Das Gehäuseteil 2 kann z.B. als Ring ausgebildet sein. Diese Aktormembran 21 kann zwei stabile Zustände einnehmen, in denen sie sich entweder zur Ventilmembran 4 oder zur Ventilmembran 5 hin auswölbt. Dabei steht die Aktormembran 21 unter einer mechanischen Druckspannung, die bewirkt, dass diejenige Ventilmembran, zu der sich die Aktormembran hinwölbt, gegen das obere bzw. untere Gehäuseteil 1 bzw. 3 gedrückt wird und so der jeweilige Einlass 13 bzw. 14 auch gegen einen von außen anliegenden Druck verschlossen wird.
Die Aktormembran 21 könnte in einer vorteilhaften Ausgestaltung aus einem Polymer wie z.B. Polyimid (PI) oder Polyetheretherketon (PEEK) bestehen und z.B. etwa 60 μm dick sein. Es wäre aber auch möglich, die Aktormembran 21 aus einem Metall wie z.B. Nickel oder Edelstahl mit einer Dicke von z.B. ca. 500 μm herzustellen.
Dünnere Aktormembranen 21 können verwendet werden bzw. größere Drücke können geschaltet werden, wenn die Aktormembran 21 nicht an ihrem Rand fest eingespannt ist, sondern, wie die Figuren zeigen, besonders bevorzugt in einer Ringnut beweglich gelagert werden, die an der Innenwandung des Ringes 2 angeordnet ist.
Die Aktormembran 21 kann vor dem Einsetzen in diese Ringnut als ebene Scheibe hergestellt werden und durch das Einsetzen in eine Ringnut, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der ebenen Scheibe, unter eine Druckspannung gesetzt werden, die mit einer Auswölbung verbunden ist. Es ist aber auch möglich, die Aktormembran als schon vorgewölbte Platte herzustellen und in die Ringnut einzusetzen. Das hätte den Vorteil, dass die Aktormembran 21 in einer der beiden stabilen Lagen den Einlass 13 bzw. 14 mit einer größeren Kraft verschließt. Auf der jeweils anderen Seite könnte entweder ein geringerer Druck im Gegentakt geschaltet werden oder diese Gehäusehälfte 1 bzw. 3 würde ohne Einlass und Auslass entworfen, sodass ein 2/2-Wege-Ventil entsteht, dass größere Drücke schalten kann.
Zum Umschalten des Mikroventils wird ausgehend von der in 1 dargestellten Situation durch die Heizleiter 7 ein elektrischer Strom geschickt, der die in der Ringnut 11 enthaltene Luft schlagartig erwärmt. Der Druckanstieg drückt die Aktormembran 21 auf die gegenüberliegende Seite des Ventils in Richtung der Ringnut 12, so dass die Aktormembran 21 die Ventilmembran 4 entlastet und die Ventilmembran 5 belastet.
Dadurch wird die Verbindung zwischen dem Einlass 13 und dem Auslass 15 freigegeben und die Verbindung zwischen dem Einlass 14 und dem Auslass 16 geschlossen. Nach dem Umschnappen der Aktormembran 21 stellt sich über den Drosselkanal 6 wieder ein Druckausgleich zwischen den Ringnuten 11 und 12 her, bzw. zwischen den beiden Bereichen des Schaltraumes, die durch die Aktormembran getrennt sind.
Der Strom durch die Heizleiter 7 wird so langsam zurückgefahren, dass zu keiner Zeit in dem Bereich 11 des Schaltraumes ein so großer Unterdruck entsteht, dass die Aktormembran 21 wieder zurückschlägt. Anderseits wird der Drosselkanal 6 so eng und lang ausgelegt, dass trotz der darüber abströmenden Luft eine zum Umschalten genügend große Druckdifferenz über der Aktormembran 21 aufgebaut werden kann.
Statt eines Drosselkanals kann auch eine Drosselöffnung direkt in der schaltenden Aktormembran 21 vorgesehen sein.
Das Zurückschalten des Ventils in die Ausgangslage geschieht durch Erhitzen des Heizleiters 8. In keiner der beiden Schaltstellungen des Ventils muss Energie zugeführt werden, um diese Stellung aufrecht zu erhalten. Deshalb wird nur für das Umschalten des Ventils Energie benötigt.
Der Durchmesser der Aktormembran 21 ist um mehr als einen Faktor 4 größer als der bewegliche Teil der Ventilmembranen 4 bzw. 5, sodass ihre Fläche um mehr als einen Faktor 16 größer ist als die Fläche des beweglichen Teils der Ventilmembranen. Deshalb kann die zum Umschalten der Aktormembran 21 notwendige Druckdifferenz erheblich kleiner sein als die durch das Ventil geschaltete Druckdifferenz. Die begrenzte Auslenkung der Ventilmembranen bewirkt, dass der thermopneumatische Aktor während des Umschaltens der Aktormembran nicht gegen den Druck arbeiten muss, der am gegenüberliegenden Ventilsitz anliegt.
Die Öffnungen 9, 10, 17 bzw. 18 dienen dazu, dass die Luft auf der der Aktormembran 21 abgewandten Seite der jeweiligen Ventilmembran 4 bzw. 5 mit zur Bewegung der Aktormembran 21 beitragen kann und nicht durch die Ventilmembran an ihrer Bewegung gehindert wird.
Die geringe Dicke von Ventilmembranen 4 bzw. 5 von nur etwa 2 μm ist für den Antrieb der Aktormembran 21 ein Vorteil, weil durch eine geringe Wärmekapazität nur ein geringer Teil der erzeugten Wärme für die Erhitzung der Ventilmembranen 4 bzw. 5 aufgewandt werden muss.
Die Heizleiter 7 bzw. 8 sind aus dem gleichen Grund nur ca. 200 nm dick. Sie werden vorzugsweise aus einem Edelmetall wie z.B. Gold oder Platin gefertigt, damit sie bei der starken Erwärmung nicht korrodieren. Die Heizleiter müssen auf einer Membran angebracht werden, weil sie ohne eine mechanische Unterstützung den Belastungen nicht standhalten würden.
Die 2 zeigt ergänzend, dass die Heizleiter 7 bzw. 8 bis auf ihren Abstand vollflächig die Membran im Bereich der Ringnute 11 bzw. 12 überdecken und so eine große Heizoberfläche bilden. Im Abstandsbereich zwischen zwei Leiterwindungen können die Durchgangsbohrungen 17 vorgesehen sein.
Bei dieser Ausführung ist es vorteilhaft, wenn der Heizleiter 8 kreisförmig mehrfach ineinander gefaltet/gelegt ist. Es ist aber ebenso gut möglich, dass er zu einer Doppelspirale gewunden oder anders angeordnet ist. Wesentlich ist dabei, dass der Heizleiter einen möglichst großen Teil des Anteils der Oberfläche der Membran 4 bzw. 5 überdeckt, der die Ringnut 11 bzw. 12 überspannt.
Alle vorgenannten Maßangaben sind lediglich beispielhaft zu verstehen und beschränken die Erfindung nicht, es sind jegliche anderen Maße möglich, um ein erfindungsgemäßes Ventil herzustellen.

Claims

Ventilanordnung mit wenigstens einem Ventil, wobei ein Ventil einen Einlaß und einen damit in Fluidverbindung stehenden Auslaß und ein zwischen zwei stabilen Endlagen hin- und her schaltbares Schaltelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (21) in einer ersten Endlage auf eine Membran (5) wirkt, um den Einlaß (14) und/oder Auslaß (16) zu verschließen, wobei die Membran (5) den Ein- (14) und Auslaß (16) überdeckt, den Fluidweg zwischen Ein- (14) und Auslaß (16) vom Schaltelement (21) trennt und unter dem Druck am Einlaß (14) und/oder Auslaß (16) nachgiebig ist, wobei die Membran (5) in der zweiten Endlage des Schaltelementes (21) keinen Kontakt zum Schaltelement (21) aufweist.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) unter dem Druck am Einlaß (14) und/oder Auslaß (16) bis zu einer maximalen Grenzposition auslenkbar ist, in der die Membran (5) einen Abstand zum Schaltelement (21) aufweist.
Ventilanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltelement (21) in einem Schaltraum (SR) angeordnet ist, der durch das Schaltelement (21) in zwei Bereiche unterteilt ist, wobei in jedem Bereich Druckerzeugungsmittel (7, 8) vorgesehen sind, um den Druck in einem der Bereiche zu erhöhen und ein Umschlagen des Schaltelementes (21) in die andere stabile Endlage zu bewirken.
Ventilanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bereiche des Schaltraumes (SR) durch einen Druckausgleichskanal (6) miteinander verbunden sind.
Ventilanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltraum (SR) mit einem gasförmigen Fluid, insbesondere Luft gefüllt ist.
Ventilanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckerzeugungsmittel (7, 8) als eine elektrische Leiteranordnung (7, 8) ausgebildet ist, die bei Stromdurchfluss eine Erwärmung des Fluids, insbesondere des gasförmigen Fluids in einem Bereich des Schaltraumes (SR) bewirkt.
Ventilanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckerzeugungsmittel (7, 8) auf einer Membran (4, 5) befestigt ist, die zumindest teilbereichsweise einen Bereich des Schaltraumes (SR) durchspannt, insbesondere wobei diese Membran (4, 5) durch die Membran des Ventils (4, 5) gebildet ist.
Ventilanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4, 5) im Bereich der daran befestigten Druckerzeugungsmittel (7, 8), insbesondere der Leiteranordnung (7, 8) Durchgangsbohrungen (9, 10, 17, 18) aufweist.
Ventilanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zwei einander in einem Abstand gegenüberliegende spiegelsymmetrische Ventile aufweist, wobei ein Schaltelement (21) zwischen den Ventilen in einem Schaltraum (SR) angeordnet ist und bei Öffnen des einen Ventils das andere schließt.
Ventilanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil als eine Platte (1, 3) ausgebildet ist mit zwei nebeneinander angeordneten Durchgangsbohrungen (13, 15/14, 16) zur Ausbildung von einer Einlass- (13, 14) und Auslassöffnung (15, 16), wobei eine Membran (4, 5) einseitig an der Platte (1, 3) befestigt ist und je eine Ein- (13, 14) und Auslassöffnung (15, 16) lose überspannt.
Ventilanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einlassöffnung (13, 14) konzentrisch von einer Ringnut (19, 20) in der Oberfläche der Platte (1, 3) umgeben ist, wobei die Auslassöffnung (15, 16) in der Nut (19, 20) liegt und wobei die Membran (4, 5) radial ausserhalb der Nut (19, 20) an der Platte (1b, 1c, 3b, 3c) dicht befestigt ist.
Ventilanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einlassöffnung (13, 14) konzentrisch von einer Ringnut (11, 12) in der Oberfläche der Platte (1, 3) umgeben ist, die von der Membran (4, 5) überspannt ist, wobei die Membran (4, 5) im Bereich der Ringnut (11, 12) Druckerzeugungsmittel, insbesondere eine Leiteranordnung (7, 8) trägt.
Ventilanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Platte (1, 3) ein Ring (2) angeordnet ist, dessen Inneres einen Teil des Schaltraumes (SR) bildet und der auf seiner nach Innen weisenden Wandung eine umlaufende Nut, insbesondere mit teilkreisförmigen Querschnitt aufweist, wobei ein kreisförmiges und plattenförmiges Schaltelement (21) mit seinem Rand, insbesondere unter Vorspannung in der umlaufenden Nut einliegt.