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Die Erfindung betrifft eine aktive Fluidkomponente, die mit einem Substrat verbunden werden kann. Die Erfindung betrifft ferner eine Baugruppe mit einem Substrat und einer Fluidkomponente. Die Erfindung betrifft dabei insbesondere das Gebiet der hochintegrierten Mikrofluidik, bei der in einem Substrat (auch als Fluid-Chip bezeichnet) verschiedene Fluidkanäle, Verzweigungen, Kopplungen, Mischerstrukturen oder Ähnliches vorgesehen sind.
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Die hochintegrierte Mikrofluidik eignet sich besonders dazu, kleinste Fluidmengen selektiv zu untersuchen bzw. zu analysieren. Die dabei verwendeten Substrate können mit geringen Kosten und hoher Genauigkeit hergestellt werden, und zum Analysieren sind nur geringe Mengen an Reagenzien oder Probenmaterial erforderlich, was zu einer hohen Effizienz der Analyse führt. Im Anschluss an die Analyse werden die Substrate entsorgt, um eine Querkontamination zwischen verschiedenen Proben zu verhindern.
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Aktive Fluidkomponenten, beispielsweise Ventile oder Pumpen, können bisher nicht mit geringen Kosten in ein solches Substrat integriert werden. Daher sind die Substrate üblicherweise als passive Bauteile ausgeführt, die ähnlich einer Kassette in ein meist sehr großes und teures Peripheriegerät eingelegt und dort je nach Anforderung kontaktiert oder angesteuert werden. Beispiele für solche Systeme sind die sogenannten Lab-on-a-Chip-Systeme oder Micro-Total-Analysis-Systeme, die es ermöglichen, kleinste Fluidmengen hochempfindlich und selektiv zu analysieren.
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Die dabei verwendeten Substrate bestehen meist aus Polymermaterialien und werden durch Spritzgießen, Spritzprägen oder Heißprägen hergestellt bzw. abgeformt. Das Spritzgießen ermöglicht es, eine große Stückzahl an Substraten kostengünstig und mit gleichbleibender Güte herzustellen. Mit Heißprägen ist es möglich, parallele Strukturen mit einem hohen Aspektverhältnis und einer hohen optischen Güte herzustellen. Bei beiden Herstellungsarten ist es bisher aber nicht möglich, aktive Elemente wie Ventile oder Pumpen in den Herstellungsprozess zu integrieren. Daher werden die Substrate bzw. Fluid-Chips über Pressverbindungen in einem Peripheriegerät elektrisch und/oder fluidisch kontaktiert. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein bereits in einem Substrat befindliches Fluid durch physikalische Kräfte und in einem bestimmten Ablaufschema durch eine fluidische Kanalstruktur zu leiten und in räumlich abgetrennten Kammern verschiedene Analysen durchzuführen.
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Es gibt auch verschiedene Ansätze, Mikroventile herzustellen, die bei solchen Substraten verwendet werden können. Ein Ansatz besteht darin, Mikroventile mittels hybrider Herstellung in einem Pick-und-Place-Prozess oder in einem Batch-Prozess auf einem gemeinsamen Substrat (meist Silizium) herzustellen. Es gibt auch Untersuchungen, wie polymere Ventile parallel mit einer gemeinsamen polymeren fluidischen Schaltplatte hergestellt werden können. Der Nachteil der parallelen Herstellung und Integration besteht allerdings darin, dass das Ventil nicht reversibel mit dem Substrat verbunden ist. Daher bedeutet das Versagen eines einzelnen Ventils den Ausfall des Gesamtsystems.
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Aus der
DE 102 49 937 A1 ist eine Ventilanordnung bekannt, die einen Träger und ein Ventil aufweist, das innerhalb von zwei verbunden Platten ausgebildet ist. Das Ventil hat einen magnetischen Ventilkörper, der je nach Position des Ventilkörpers Öffnungen in den Platten verschließt. In dem Träger ist ein Permanentmagnet angeordnet und der Ventilkörper wird durch eine Bewegung des Trägers betätigt.
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Ferner zeigt die
DE 10 2010 032 799 A1 ein Mikroventil, das aus zwei fest verbundenen Substraten gebildet ist und einen Aktor aufweist. Der Aktor wirkt auf eine Membran des Ventils und steuert auf diese Weise das Öffnen und Schließen eines Durchlasses des Ventils.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine aktive Fluidkomponente zu schaffen, die reversibel mit einem Substrat verbunden werden kann. Die Aufgabe der Erfindung besteht auch darin, eine Baugruppe mit einem Substrat und einer lösbar mit dem Substrat verbundenen fluidischen Komponente zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine aktive Fluidkomponente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
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Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, die aktive Fluidkomponente, beispielsweise eine Pumpe, ein Schaltventil oder ein Regelventil, als externes Bauteil auszuführen, das reversibel lösbar mit dem Substrat verbunden werden kann. Hierzu ist der Magnet vorgesehen, der ausreichend hohe magnetostatische Anziehungskräfte erzeugt, mit denen eine für die gewünschten Anwendungsfälle fluiddichte Verbindung hergestellt werden kann. Im Bedarfsfall, beispielsweise nach einer Analyse eines Fluids, wird die aktive Fluidkomponente vom Substrat gelöst und kann wiederverwendet werden, während das Substrat entsorgt wird. Dabei besteht der Aktor aus einem Formgedächtnismaterial und dem Aktor ist eine Heizvorrichtung zugeordnet. Auf diese Weise lassen sich bei sehr geringen Abmessungen vergleichsweise große Schaltkräfte erzeugen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Magnet ein Ringmagnet ist. Dies ermöglicht, die aktive Fluidkomponente vollständig oder teilweise im Innenraum des Ringmagneten unterzubringen. Außerdem gewährleistet ein Ringmagnet im Zusammenwirken mit einem geeigneten Gegenstück eine automatische Zentrierung.
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Alternativ kann die magnetische Verbindung auch über kubische Magnete in den Eckpositionen erzielt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Aktor, wenn es sich bei der aktiven Fluidkomponente um ein Schaltventil handelt, innerhalb des Ringmagneten angeordnet ist. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise, bei welcher der Aktor geschützt angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass an der Schnittstelle eine Dichtung vorgesehen ist, die den Aktor abdeckt. Auf diese Weise ist dieser zuverlässig vor Verschmutzung geschützt.
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Die Dichtung ist dabei vorzugsweise an einer Ringfläche des Ringmagneten angebracht. Auf diese Weise ergibt sich eine durchgehende, ebene Schnittstelle.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Aktor auf der von der Schnittstelle abgewandten Seite des Ringmagneten angeordnet ist. Dies ist dann vorteilhaft, wenn der innerhalb des Ringmagneten zur Verfügung stehende Bauraum nicht ausreichend ist, um die aktiven Bauteile der aktiven Fluidkomponente aufzunehmen.
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Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass zwischen dem Ringmagneten und dem Aktor eine Dichtung vorgesehen ist, damit der Aktor vor Verschmutzung geschützt ist.
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Wenn der Aktor auf der Rückseite des Ringmagneten angeordnet ist, erstrecken sich vorzugsweise durch den Innenraum des Ringmagneten hindurch zwei Verbindungskanäle, die von der Schnittstelle zur Dichtung führen, wobei mindestens einer der Verbindungskanäle an der Schaltmembran eine Ventilkammer aufweist. Durch geeignete Ausgestaltung und Bemessung der Ventilkammer und der Verbindungskanäle können die Druckverhältnisse am Schaltventil in der gewünschten Weise eingestellt werden. Beispielsweise lässt sich eine gewisse Vorspannkraft erzeugen, die bei geschlossenem Ventil aufgrund des anstehenden Fluiddrucks auf eine Schaltmembran wirkt.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Dichtung als Schaltmembran ausgeführt ist, die mit einem Ventilsitz zusammenwirken kann. Bei dieser Ausgestaltung hat also die Dichtung, die den Aktor gegenüber dem zu schaltenden Medium abdichtet, eine Doppelfunktion, da sie auch unmittelbar zum Schalten des Fluids dient.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist eine separate Schaltmembran vorgesehen, die mit einem Ventilsitz zusammenwirken kann. Dies ermöglicht, die Schaltmembran und die Dichtung aus unterschiedlichen Materialien auszuführen, sodass sie optimal an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden können.
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Die Heizvorrichtung als Widerstandserwärmung direkt im Aktor ausgeführt sein. Alternativ kann eine separate Heizvorrichtung verwendet werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Schaltventil ein normalerweise geschlossenes Schaltventil ist. Ein solches Schaltventil erfordert eine aktive Ansteuerung, damit es geöffnet wird.
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Vorzugsweise ist dabei eine Feder oder ein Magnet vorgesehen, die mit dem Aktor zusammenwirkt. Dies gewährleistet, dass das Ventil zuverlässig geschlossen ist und erst nach aktiver Ansteuerung öffnet.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Schaltventil normalerweise geöffnet ist. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei Sicherheitsventilen oder Ähnlichem vorteilhaft.
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Beim Aktor handelt es sich vorzugsweise um eine Folie aus einem Formgedächtnismaterial, die im Ausgangszustand eine planare Form hat, durch eine äußere Kraft verformt ist und im erwärmten Zustand bestrebt ist, in den Ausgangszustand zurückzukehren. Dieser Hub kann in Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Ventils dazu verwendet werden, den Ventilsitz freizugeben oder zu verschließen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnet ein NdFeB-Magnet mit einem Durchmesser von weniger als 10 mm ist. Ein solcher Magnet bietet bei sehr kompakten Abmessungen hohe Haltekräfte.
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Zur Lösung der oben genannten Aufgabe ist erfindungsgemäß auch eine Baugruppe mit einem Substrat und einer Fluidkomponente der vorstehend beschriebenen Art vorgesehen, wobei am Substrat ein Halteteil angeordnet ist, mit dem der Magnet zusammenwirkt, sodass die Fluidkomponente lösbar am Substrat befestigt ist. Hinsichtlich der sich ergebenden Vorteile wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Halteteil eine Metallscheibe ist, insbesondere eine Stahlscheibe. Diese lässt sich mit geringen Kosten in das Substrat integrieren bzw. fest an ihm anordnen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass im Bereich des Halteteils eine Dichtung angeordnet ist. Diese gewährleistet eine Abdichtung zwischen der aktiven Fluidkomponente und dem Substrat.
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Die Dichtung kann beispielsweise innerhalb der Metallscheibe angeordnet sein, insbesondere am Innenumfang der Metallscheibe verankert sein. Dadurch ist die Dichtung mechanisch gut geschützt.
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Als Material für die Dichtung hat sich das Material Hala-TFO-N230-Si bewährt, welches mittels Laser zuverlässig und präzise geschnitten werden kann und die Dichtungsanforderungen erfüllt. Alternativ kann auch ein Dichtungsmaterial aus EPDM oder NBR verwendet werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei der Fluidkomponente um ein Schaltventil handelt und dass die Dichtung als Schaltmembran ausgeführt ist, die mit mindestens einem Ventilsitz zusammenwirken kann, der im Bereich der Schnittstelle ausgebildet ist. Auf diese Weise ist mit geringem Aufwand die nötige Dichtigkeit gewährleistet.
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Alternativ ist vorgesehen, dass die Dichtung Öffnungen aufweist, durch die hindurch Fluidkanäle des Substrats mit Verbindungskanälen der Fluidkomponente verbunden sind. In diesem Fall dient die Dichtung lediglich zur Abdichtung zwischen dem Substrat und der Fluidkomponente.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat eine fluidische Schaltplatte, die mehrere Fluidkanäle aufweist. Diese kann in einem Spritzgussverfahren oder einem Heißprägeverfahren hergestellt sein und als Einwegkomponente ausgeführt sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
- - 1 schematisch ein Substrat und eine daran anbringbare aktive Fluidkomponente;
- - 2 die Bauteile von 1 im montierten Zustand, wobei ein normal geöffnetes Ventil gebildet ist;
- - 3 die Baugruppe von 2, wobei das Ventil geschlossen ist;
- - 4 ein Substrat und eine daran montierbare aktive Fluidkomponente gemäß einer zweiten Ausgestaltung;
- - 5 die Bauteile von 4 im montierten Zustand, wobei ein normal geschlossenes Ventil gebildet ist;
- - 6 die Baugruppe von 5, wobei das Ventil geöffnet ist;
- - 7 ein Substrat und eine daran montierbare aktive Fluidkomponente gemäß einer dritten Ausgestaltung;
- - 8 die Bauteile von 7 im montierten Zustand, wobei ein normal geöffnetes Ventil gebildet ist;
- - 9 die Baugruppe von 8, wobei das Ventil geschlossen ist;
- - 10 ein Substrat und eine daran montierbare aktive Fluidkomponente gemäß einer vierten Ausgestaltung;
- - 11 die Bauteile von 10 im montierten Zustand, wobei ein normal geschlossenes Ventil gebildet ist;
- - 12 die Baugruppe von 11, wobei das Ventil geöffnet ist;
- - 13 im Detail den Aktor eines normal geöffneten Schaltventils im Ausgangszustand;
- - 14 den Aktor von 13 im angesteuerten Zustand;
- - 15 im Detail den Aktor eines normal geschlossenen Ventils im Ausgangszustand; und
- - 16 den Aktor von 15 im angesteuerten Zustand.
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In 1 ist ein Substrat 10 gezeigt, das als fluidische Schaltplatte ausgeführt ist. Sie besteht aus zwei dünnen Polymerplatten 12, 14, zwischen denen Fluidkanäle 16 angeordnet sind. Die Fluidkanäle 16 sind an verschiedenen Stellen unterbrochen (siehe den Block 18), und an diesen Stellen sind Durchgangslöcher 20 in einer der Platten (hier der Platte 12) vorgesehen, sodass die Fluidkanäle beiderseits des Blocks 18 gesteuert miteinander verbunden werden können.
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Im Bereich der Durchgangslöcher 20 ist eine Dichtung 22 angeordnet, die mit dem Block 18 zusammenwirken kann, der dann als Ventilsitz wirkt. Die Dichtung/Schaltmembran 22 liegt innerhalb einer Stahlscheibe 24, die aufgrund ihrer Eigenschaften als weichmagnetisches Halteteil wirkt. Konkret ist hier die Dichtung bzw. Schaltmembran 22 am Innenumfang der Stahlscheibe 24 unter einem dort ausgeführten Absatz eingeklemmt, sodass eine Abdichtung auf der Oberseite der Platte 12 im Bereich der Durchgangslöcher 20 gewährleistet ist.
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Auf das Substrat 10 und konkret auf das Halteteil 24 kann eine aktive Fluidkomponente 40 aufgesetzt werden, die hier als Schaltventil ausgeführt ist. Die aktive Fluidkomponente 40 enthält einen Magneten 42, der hier als Ringmagnet aus NdFeB ausgeführt ist. Er hat einen Durchmesser von weniger als 10 mm und ist mit seinen Abmessungen an die Abmessungen der Stahlscheibe 24 angepasst. Bei einer konkreten Ausführungsform kann ein Außendurchmesser von 8 mm, ein Innendurchmesser von 4 mm und eine Höhe von 3 mm verwendet werden.
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Bei der in 3 gezeigten Ausführungsvariante ist ein Aktor 44 vorgesehen, der vollständig im Innenraum des Ringmagneten 42 angeordnet ist. Der Aktor 44 besteht aus einem Formgedächtnismaterial, und ihm ist eine Heizvorrichtung 46 zugeordnet, sodass der Aktor 44 über eine Umwandlungstemperatur hinaus erwärmt werden kann. Der Aktor 44 und die Heizvorrichtung 46 sind hier in einem Gehäuse 48 gekapselt, welches die aktive Fluidkomponente 40 auf seiner Rückseite dicht abschließt.
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Auf der entgegengesetzten Seite, also der dem Substrat 10 zugewandten Seite, ist die zur Verbindung mit dem Substrat 10 vorgesehene Schnittstelle mittels einer Dichtung 50 abgedeckt, die sich über den Aktor 44 und auch die Ringfläche des Magneten 42 erstreckt. Die Dichtung 50 kann als dünne, lasergeschnittene Scheibe aus Hala-TFO-N130-Si bestehen. Dieses Material zeichnet sich durch eine hohe chemische Beständigkeit und eine hohe Elastizität aus. In Verbindung mit den oben genannten Abmessungen des Ringmagneten kann eine Wandstärke von 230 µm verwendet werden. Alternativ kann auch eine dünne Folie aus Polyimid mit einer Stärke im Bereich von 7 µm bis 30 µm als Dichtung/Schaltmembran verwendet werden.
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In 2 ist die aktive Fluidkomponente 40 aufgesetzt auf das Substrat 10 gezeigt. Durch die magnetostatischen Anziehungskräfte zwischen dem Ringmagneten 42 und der Stahlscheibe 24 wird die Dichtung 50 elastisch verformt, sodass eine gute Flächenabdichtung erzielt wird. Aufgrund der Ausgestaltung und Abmessungen des Aktors 44 liegt die Dichtung/Schaltmembran 22 nicht am Block 18 an, sodass eine ungehinderte Fluidverbindung zwischen den beiden Durchgangslöchern 20 und damit von dem Fluidkanal 16 auf der einen Seite des Blocks 18 zum Fluidkanal auf der anderen Seite möglich ist (siehe die eingezeichneten Pfeile F für den Fluidstrom). Es ist also ein normal geöffnetes Ventil gebildet.
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In 3 ist das Ventil von 2 in einem geschlossenen Zustand dargestellt. Dieser wird dadurch erreicht, dass der Aktor 44 mittels der Heizvorrichtung 46 über seine Umwandlungstemperatur hinaus erwärmt wird, sodass sich seine Geometrie ändern. Bei der hier schematisch dargestellten Variante verlängert sich der Aktor 44, sodass er die Dichtung/Schaltmembran 22 nach unten gegen den Block 18 drückt, sodass die Verbindung von einem Durchgangsloch 20 zum zweiten verschlossen ist. Hierbei wird auch die Dichtung 50 elastisch verformt, die aber aufgrund ihrer Ausgestaltung den Schaltvorgang nicht behindert.
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Das Substrat 10 und die aktive Fluidkomponente 40 sind hier nur sehr schematisch dargestellt.
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Die Platten 12, 14 des Substrats 10 können mit einem abformenden Prozess (Spritzgießen, Heißprägen) oder durch einen spanenden Prozess (Bohren, Fräsen) hergestellt werden. Nach der Herstellung können die beiden Platten 12, 14 durch ein Bondverfahren (thermisch, chemisch) oder durch Laserschweißen miteinander verbunden werden. Durch die Wahl des Polymers kann das Substrat an verschiedene Bedingungen und Anforderungen angepasst werden, beispielsweise chemische Beständigkeit und Temperaturstabilität. Dabei kann das Substrat in allen vier Raumrichtungen mit jeweils einem oder zwei Anschlüssen fluidisch kontaktiert werden. Zur Kontaktierung von Funktionsmodulen (Sensoren, Reglern, Mischern, etc.) können weitere fluidische Anschlüsse vorgesehen sein, die aus der Ebene herausführen.
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Das Schaltventil 40 kann aus drei polymeren Hauptkomponenten bestehen, nämlich Gehäuse, Aktorträger und Deckel, die spanend (Bohren, Fräsen) oder in einem Abformprozess (Heißprägen, Spritzgießen) hergestellt werden. Zur Medientrennung ist das Gehäuse mit der Dichtung 50, die als Membran wirkt, abgedichtet. Der Aktorträger dient zur thermischen Entkopplung zwischen Fluidik und der Aktorik, zur mechanischen Fixierung des Aktors und gegebenenfalls zur Lagerung eines sphärischen Ventilstößels. Im Deckel befinden sich Aufnahmen zur elektrischen Kontaktierung mittels Federkontakten sowie Kühlelemente zur Steigerung der Dynamik des Ventils. Diese Bauteile sind in den schematischen Zeichnungen nicht dargestellt. Die einzelnen Ventilkomponenten können miteinander verschraubt sein.
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Bei der Herstellung des Schaltventils kann der Ringmagnet 42 mittels eines Bondverfahrens, durch Umspritzen beim Spritzgießen oder durch Einlagerung magnetischer Partikel beim Heißprägen fest mit dem Gehäuse verbunden werden.
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Die Dichtung 22 wird lasergeschnitten, sodass sie mit sehr präzisen Abmessungen hergestellt werden kann. Alternativ ist möglich, dass die Dichtung gestanzt wird. Die Stahlscheibe 24 kann mit dem Substrat 10 fest entweder durch eine Schraubverbindung verbunden werden oder durch eine Klebeverbindung.
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In den 4 bis 6 ist eine Ausgestaltung gezeigt, die hinsichtlich ihres Aufbaus grundsätzlich der aus den 1 bis 3 bekannten Ausführungsform entspricht. Für die bei der zweiten Ausgestaltung verwendeten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Im Unterschied zur ersten Ausführungsform wird bei der Ausgestaltung gemäß den 4 bis 6 allerdings ein normal geschlossenes Ventil verwendet, also ein Ventil, welches im nicht betätigten Zustand eine ihm zugeordnete Fluidverbindung verschließt. Zu diesem Zweck ist hier eine Druckfeder 60 vorgesehen, die den Aktor und damit auch die Dichtung 50 in Richtung des Blocks 18 drückt, der hier als Ventilsitz wirkt. Dadurch wird die Dichtung/Schaltmembran 22 gegen den Block 18 gedrückt, und die Verbindung vom Fluidkanal 16 auf der einen Seite des Blocks 18 zum Fluidkanal 16 auf der anderen Seite ist verschlossen (siehe 5). Die Vorspannung der Druckfeder 60 kann mittels einer (nicht dargestellten) Justierschraube eingestellt werden. Alternativ zu einer Feder kann der Aktor auch mittels Magnetkraft beaufschlagt werden. Hierzu kann ein Magnet (oder können mehrere Magnete) geeignet angeordnet werden.
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Wenn die Heizvorrichtung 46 aktiviert wird, wird der Aktor 44 über seine Umwandlungstemperatur hinaus erwärmt, sodass das Schaltventil umschaltet (siehe 6), wodurch die Dichtung/Schaltmembran 22 nicht mehr gegen den Block 18 gedrückt wird. Dadurch ist eine Fluidverbindung zwischen den beiden Fluidkanälen 16 auf der einen und der anderen Seite des Blocks 18 freigegeben.
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In den 7 bis 9 ist eine Ausgestaltung gemäß einer dritten Ausführungsform gezeigt, die ähnlich wie die in den 1 bis 3 gezeigte Ausführungsform arbeitet. Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der Unterschied zwischen der ersten und der dritten Ausführungsform besteht darin, dass bei der dritten Ausführungsform der Aktor nicht innerhalb des Ringmagneten 42 angeordnet ist, sondern auf der „Rückseite“, also auf der vom Substrat 10 abgewandten Seite. Durch den Innenraum des Ringmagneten 42 führen hier zwei Verbindungskanäle 70, 72, von denen einer (Verbindungskanal 70) mittig angeordnet ist und an seinem dem Aktor 44 zugewandten Ende von einem Ventilsitz 74 umgeben ist, während der andere (Verbindungskanal 72) auf der Seite des Aktors in eine ringförmige Ventilkammer 76 mündet, die den Ventilsitz 74 umgibt. Zwischen Ventilsitz 74 und Ventilkammer 76 einerseits und dem Aktor 44 andererseits ist auch hier eine Dichtung 50 angeordnet, die für eine mediendichte Trennung sorgt.
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Auf der Seite des Substrats 10 ist die Dichtung 22 mit Öffnungen 78 versehen, die den Durchgangslöchern 20 zugeordnet sind. An der Dichtung 22 liegt im montierten Zustand ein Zentriervorsprung 80 an, der einstückig mit dem Material ausgeführt ist, welches den Innenraum des Ringmagneten 42 ausfüllt und in welchem die Verbindungskanäle 70, 72 ausgebildet sind. Der Zentriervorsprung 80 steht in axialer Richtung über die untere Ringfläche des Ringmagneten 42 hervor und wird im Innenraum der Stahlscheibe 24 aufgenommen (siehe 8), wobei zusätzliche Positioniergestaltungen vorgesehen sind, die gewährleisten, dass die aktive Fluidkomponente 40 lagerichtig auf das Substrat 10 aufgesetzt wird und der Verbindungskanal 72 mit dem ihm zugeordneten Durchgangsloch 20 fluchtet.
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Durch die magnetostatischen Anziehungskräfte zwischen dem Ringmagneten 42 und der Stahlscheibe 24 wird der Aktor 40 fest gegen das Substrat beaufschlagt, wobei der Vorsprung 80 die Dichtung 22 elastisch komprimiert, sodass eine gute fluiddichte Verbindung gewährleistet ist. Da die Dichtung 22 Teil des Substrats und damit ein Einwegprodukt ist, kann auch zugelassen werden, dass die Dichtung 22 durch die auftretenden Kräfte geringfügig gequetscht wird.
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Im nicht angesteuerten Zustand (siehe 8) ist das Schaltventil geöffnet, sodass eine Fluidverbindung von einem Fluidkanal 16 über das zugeordnete Durchgangsloch 20, den Verbindungskanal 70 über den Ventilsitz 74 in die Ventilkammer 76 und von dort über den Verbindungskanal 72 und das andere Durchgangsloch 20 in den zweiten Fluidkanal 16 möglich ist, und umgekehrt. Die Dichtung 50 wird dabei vom anstehenden Fluiddruck vom Ventilsitz 74 abgehoben.
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Wenn das Schaltventil 40 angesteuert wird und der Aktor 44 über seine Umwandlungstemperatur hinaus erwärmt ist, dehnt er sich aus, sodass er mit erheblicher Kraft die Dichtung 50, die hier als Schaltmembran dient, gegen den Ventilsitz 74 drückt. Dadurch ist die Verbindung zwischen den beiden Fluidkanälen 16 gesperrt.
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Wenn bei geschlossenem Schaltventil der Fluiddruck am Verbindungskanal 72 ansteht, kann über die Ausgestaltung und Bemessung der Ventilkammer 76 die Kraft eingestellt werden, die auf die Membran 50 einwirkt.
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In den 10 bis 12 ist eine vierte Ausführungsform gezeigt, die hinsichtlich des Schaltverhaltens der Ausführungsform gemäß den 4 bis 6 entspricht und hinsichtlich des allgemeinen Aufbaus der Ausführungsform gemäß den 7 bis 9. Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Auch hier wird wie bei der Ausführungsform gemäß den 4 bis 6 eine Druckfeder 60 verwendet, die gewährleistet, dass das Schaltventil normal geschlossen ist, also die Dichtung/Schaltmembran 50 gegen den Ventilsitz 74 drückt, wenn das Schaltventil nicht angesteuert wird.
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In den 13 und 14 ist eine mögliche Ausgestaltung des Aktors 44 für ein normal geöffnetes Ventil gezeigt. Der Aktor 44 besteht aus einer dünnen, strukturierten Folie aus einer Formgedächtnislegierung. Als Material ist besonders eine Nickel-Titan-Legierung geeignet. Zwischen dem Aktor 44 und der Dichtung/Schaltmembran 50 ist ein Ventilstößel 90 angeordnet, der kugelförmig ausgeführt sein kann. Die Folie des Aktors 44 ist so ausgeführt, dass im Ausgangszustand, also wenn nur der Fluiddruck ansteht, sie vom Ventilsitz 74 weg ausweichen kann, wobei die Mitte der Folie des Aktors 44 am weitesten zurückgedrängt wird. In diesem Zustand sind die Dichtung/Schaltmembran 50 und der Ventilstößel 90 vom Ventilsitz 74 entfernt. Wenn der Aktor 44 über die Umwandlungstemperatur hinaus erwärmt wird, strebt der Aktor 44 wieder in seine ebene Form zurück, wodurch der Ventilstößel und damit auch die Dichtung/Schaltmembran 50 gegen den Ventilsitz 74 gedrückt werden (siehe 14). Die dabei wirkende Kraft ist größer als die aus dem anstehenden Fluiddruck resultierende Kraft, sodass das Ventil geschlossen wird.
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In den 15 und 16 ist ein Aktor für ein normal geschlossenes Ventil gezeigt. Hier ist der Aktor 44 umgekehrt ausgerichtet eingebaut; der aus der Ebene der Folie des Aktors 44 herausgedrückte Bereich ist dem Ventilsitz 74 zugewandt. Um im Ausgangszustand zu gewährleisten, dass der Aktor 44 über den Ventilstößel 90 die Dichtung/Schaltmembran 50 zuverlässig gegen den Ventilsitz 74 drückt, ist die Feder 60 vorgesehen. Deren Vorspannung kann mittels einer Justierschraube eingestellt werden.
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Wenn der Aktor 44 über seine Umwandlungstemperatur hinaus erwärmt wird, verformt er sich hin zu einer ebenen Gestalt. Dabei wird die Feder 60 zusammengedrückt, und der Ventilstößel 90 und damit auch die Dichtung/Schaltmembran 50 können sich unter der Wirkung des anstehenden Fluiddrucks vom Ventilsitz 74 abheben (siehe 16). Das Schaltventil ist dann geöffnet, sodass das Fluid vom Verbindungskanal 70 zum Verbindungskanal 72 strömen kann.
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Die Erfindung ist vorstehend anhand eines Schaltventils beschrieben, das als aktive Fluidkomponente 40 verwendet wird. Anstelle eines Schaltventils kann die aktive Fluidkomponente auch eine Pumpe, ein Regelventil oder Ähnliches sein.
