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Die Erfindung betrifft ein Mikroventil
in Mehrschichtaufbau, mit einer Kanalschicht und einer darauf platzierten
Aktorschicht, wobei ein in der Kanalschicht verlaufender Fluidkana1
an der der Aktorschicht zugewandten Seite der Kanalschicht mit einer
Kanalöffnung
ausmündet
und wobei die Aktorschicht eine der Kanalöffnung gegenüberliegende Ventilklappe
aufweist, die mittels eines zwischen ihr und der Kanalschicht erzeugbaren
elektrostatischen Feldes quer zur Ausdehnungsebene der Kanalschicht
relativ zu einem fest mit der Kanalschicht verbundenen Basisabschnitt
der Aktorschicht im Rahmen einer Schaltbewegung auslenkbar ist,
um die Kanalöffnung
frei zu geben (Offenstellung) oder zu verschließen (Schließstellung).
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Bei einem aus der
DE 19637878 C2 bekannten
Mikroventil dieser Art ist die Ventilklappe als zungenartiges, biegeelastisches
Element ausgebildet, das bei der Schaltbewegung an der Kanalschicht
abrollt. Dabei tritt der Effekt eines sogenannten e-1ektrostatischen
Wanderkeils auf, wobei der zwischen der Ventilklappe und der Kanalschicht
eingeschlossene keilförmige
Zwischenraum, je nach Schaltrichtung, zum freien Ende der Ventilklappe
hin oder in entgegengesetzter Richtung wandert. Man erreicht damit
zwar relativ große
Schalthübe,
erkauft sich dies jedoch mit relativ geringen Schließkräften, weil
aufgrund der für
eine Abrollbewegung notwendigen Flexibilität der Aktorschicht, in den
Bereichen in denen die Aktorschicht auf der Kanalschicht aufliegt, die
Kraftwirkung durch die Auflage weitgehend kompensiert wird. Mit
zunehmender Schließbewegung wird
somit die effektiv schließkrafterzeugende
Fläche reduziert!
Vergleichbare Gegebenheiten liegen bei dem in der
US 4585209 beschriebenen Mikroventil vor.
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Bei dem ebenfalls auf einem elektrostatischen
Betätigungsprinzip
basierenden Mikroventil der
EP
0435237 B1 ist vorgesehen, dass die Ventilklappe in der
Offenstellung eine zur Kanalschicht parallele Ausrichtung besitzt.
Da die durch das elektrostatische Feld hervorgerufenen Stellkräfte jedoch über die
gesamte Aktorfläche
hinweg gleich groß sind,
bewirken die herrschenden Hebelverhältnisse beim Schließvorgang
eine Annäherung
der Ventilklappe an die Kanalschicht ausgehend vom freien Ende der
Ventilklappe. Dies hat letztlich wiederum einen Wanderkeileffekt
zur Folge, nun allerdings in der entgegengesetzten Richtung als
im Falle des Ventils gemäß
DE 19637878 C2 .
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Mikroventil der eingangs genannten Art zu schaffen,
mit dem sich hohe Schließkräfte realisieren lassen
und das die Beherrschung relativ großer Durchflüsse ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass
die Ventilklappe zur Ermöglichung
der Schaltbewegung über
ein eine im Wesentlichen ortsfeste Schwenkachse definierendes federelastisches
Festkörpergelenk
verschwenkbar an dem Basisabschnitt gelagert ist, wobei die Ventilklappe
derart starr ausgebildet ist, dass bei ihrer Schaltbewegung die
Position des zwischen ihr und der Kanalschicht definierten keilförmigen Zwischenraumes
im Wesentlichen konstant bleibt und lediglich der Keilwinkel dieses keilförmigen Zwischenraumes
eine Änderung
erfährt.
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Während
bei dem auf dem Wanderkeilprinzip basierenden Stand der Technik
der Abrollpunkt der Ventilklappe bei der Schaltbewegung über die
Kanalschicht hinweg wandert, sieht die Erfindung eine im Wesentlichen
ortsfeste Schwenkachse vor, die durch ein den Basisabschnitt mit
der Ventilklappe einstöckig
verbindendes federelastisches Festkörpergelenk definiert wird.
Die Schaltbewegung der Ventilklappe ist somit eine reine Schwenkbewegung
um die ihre Lage nicht oder zumindest nur unwesentlich verändernde
Schwenkachse. Somit bleibt die Position des keilförmigen Zwischenraumes
und insbesondere die Position der Keilspitze konstant, es ändert sich
lediglich der Keilwinkel. Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung
besteht darin, dass die starr ausgebildete Ventilklappe in der Lage
ist, die auf sie einwirkenden elektrostatischen Stellkräfte über ihre
Länge hinweg
zu übertragen.
In der Schließstellung,
die auf Grund in der Regel vorhandener, erhabener Ventilsitze de
facto immer mit einem – minimalen – Keilwinkel
einhergeht, sind somit auch diejenigen elektrostatischen Feldanteile
in der Lage, zum Erhalt der Schließkraft beizutragen, die zwischen
der zu steuernden Kanalöffnung
und der Schwenkachse liegen. Das bedeutet auch, das die während der
Schließbewegung
erzeugten Kräfte
vom Maximalhub (Offen) bis zum Minimalhub (Geschlossen) zunehmen.
Bedingt durch die realisierbaren hohen Stellkräfte lassen sich auch Kanalöffnungen
mit relativ großem Querschnitt
sicher verschließen,
so dass sich ein Mikroventil mit hohen Durchflusswerten verwirklichen lässt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Um eine optimal hohe Stellkraft bzw. Schließkraft zu
erreichen, ist es von Vorteil, wenn die zur Ausbildung des elektrostatischen
Feldes dienende Elektrodenfläche
der Aktorschicht sich zumindest annähernd über die gesamte, der Kanalschicht
zugewandte Ventilklappenfläche
erstreckt und einer zumindest annähernd gleich großen Elektrodenfläche der
Kanalschicht gegenüberliegt.
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Das federelastische Festkörpergelenk
kann derart ausgebildet sein, dass die Ventilklappe im deaktivierten
Zustand, also bei nicht vorhandenem elektrostatischen Feld, eine
von der Kanalschicht weggeschwenkte Offenstellung auch dann einnimmt, wenn
der zu steuernde Fluidkanal drucklos ist. Zum Schließen des
Ventils muss hier im Betrieb zusätzlich die
vom Festkörpergelenk
ausgeübte
Rückstellkraft überwunden
werden. Eine umgekehrte Funktionsweise wird jedoch in der Regel
vorgezogen, wobei die Ventilklappe im deaktivierten Zustand und
bei drucklosem Fluidkanal die Schließstellung einnimmt. Die Ventilklappe
wird hier durch den anstehenden Fluiddruck in die Offenstellung
verschwenkt, wobei die sich aufbauenden Rückstellkräfte des Festkörpergelenks
den durch Erzeugung eines elektrostatischen Feldes hervorgerufenen
Schließvorgang
unterstützen.
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Die von der Ventilklappe gesteuerte
Kanalöffnung
gehört
zweckmäßigerweise
zu einem Zuführkanal, über den
ein Druckmedium eingespeist wird. Durch die Ventilklappe wird, je
nach Stellung, das Überströmen von
dem Zuführkanal
in einen zu einem Verbraucher führenden
Abführkanal
wahlweise ermöglicht
oder unterbunden. Die Kanalöffnung
des Abführkanals
befindet sich hier zweckmäßigerweise auf
der gleichen Seite der Ventilklappe wie diejenige des Zuführkanals
und ist ebenfalls an der Basisschicht vorgesehen. Aufbauend auf
dieser Anordnung kann ein sehr effektives 2/2-Wegeventil realisiert
werden. Sofern noch ein weiterer Fluidkanal vorhanden ist, ist allerdings
auch eine 3/2-Wege-Funktionalität
möglich.
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Um einen maximalen Hub und damit
größtmöglichen
Durchfluss zu erzielen, empfiehlt sich die Platzierung der Kanalöffnung des
Zuführkanals
an dem dem Festkörpergelenk
entgegengesetzten äußeren Endbereich
der Ventilklappe. In diesem Falle bewirken die entstehenden Strömungskräfte ein
maximales Drehmoment auf die Ventilklappe.
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Es ist des Weiteren von Vorteil,
wenn die Ventilklappe, von mindestens einem Druckausgleichskanal
durchsetzt ist, der näher
an der ortsfesten Schwenkachse liegt als die Kanalöffnung des
Zuführkanals.
Durch eine solche Maßnahme
wird während
der Aktorbewegung ein rascher Druckausgleich zwischen der Oberseite
und der Unterseite der Ventilklappe erreicht. Die eigentliche Fluidströmung, die zwischen
dem Zuführkanal
und dem Abführkanal übertritt,
verläuft
dagegen ausschließlich
an der der Kanalschicht zugewandten Unterseite der Ventilklappe.
Es wurde außerdem
festgestellt, dass durch die besondere Anordnung der mindestens
einen Druckausgleichsöffnung
die in Öffnungsrichtung
wirkenden Kräfte
reduziert werden können,
so dass für
das Schließen
des Ventils geringe Schließkräfte ausreichend
sind.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn die
Aktorschicht im Bereich des Festkörpergelenkes zum Erhalt einer
gewissen, lokal begrenzten Flexibilität eine geringere Dicke aufweist
als der Basisabschnitt und die Ventilklappe. Erreichen lässt sich
dies insbesondere durch ein Herausstrukturieren einer Vertiefung an
der der Kanalschicht entgegengesetzten Oberseite des Festkörpergelenkes.
Durch diese Flexibilität kann
erreicht werden, dass über
dem Aktorhub eine der Strömungskraft
entgegengerichtete, adäquate Federkraft
ausgebildet wird. Außerdem wird
erreicht, dass Maßfehler
ausgeglichen werden und, eng begrenzt auf den Bereich des Festkörpergelenkes,
lokal die Vorteile eines minimalen Wanderkeiles zur Erhöhung der
elektrostatischen Kräfte
genutzt werden können.
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Die Federeigenschaften des Festkörpergelenkes
können
je nach Bedarf mit unterschiedlichen Federkennlinien ausgelegt werden,
um das Schaltverhalten zu beeinflussen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der beiliegenden Zeichnung näher
erläutert.
In dieser zeigen:
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1 in
sehr schematischer und stark vergrößerter Darstellung eine bevorzugte
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroventils
im Schnitt gemäß Schnittlinie
I/I aus 4, wobei die
Ventilklappe die maximale Offenstellung einnimmt und wobei zur Vervollständigung
des Ventils vorgesehene Komponenten in Gestalt einer Abdeckschicht
und einer Trägerschicht
nur strichpunktiert angedeutet sind,
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2 das
Mikroventil aus 1 ohne
Darstellung der beiden letztgenannten weiteren Schichten während des
Schließvorganges,
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3 das
Mikroventil bei in Schließstellung befindlicher
Ventilklappe, und
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4 eine
Draufsicht auf die an der Kanalschicht fixierte, die Ventilklappe
enthaltende Aktorschicht mit Blickrichtung gemäß Pfeil IV aus 3.
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Das in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichnete
Mikroventil dient zur Steuerung von Fluidströmen, wobei sowohl pneumatische
als auch hydraulische Anwendungen möglich sind. Es ist aufgebaut
aus mehreren aufeinandersitzenden Schichten 2, die jeweils
zweckmäßigerweise
plattenartig ausgebildet und durch mikrosystemtechnische Strukturierung
hergestellt worden sind.
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Die einzelnen Schichten 2 sind
mit zueinander parallelen Schicht-Ausdehnungsebenen aufeinander
gestapelt und durch Bond- oder Klebevorgänge unter Abdichtung fest miteinander
verbunden. Alle Schichten sind zweckmäßigerweise unabhängig voneinander
als Einzelteile gefertigt und werden anschließend zusammengefügt. Sie
können
somit separat strukturiert werden und es erübrigt sich ein schichtweises
Abscheiden zum Erhalt des Schichtaufbaus.
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Die Kernbestandteile des Mikroventils 1 sind eine
Kanalschicht 3 und eine darauf platzierte Aktorschicht 4.
Als Material für
die Schichten kommt sowohl ein Halbleitermaterial, beispielsweise
Silizium, als auch Metall, hier vorzugsweise eine Nickel-Legierung,
in Frage. Jedenfalls haben die Schichten zumindest beim Ausführungsbeispiel
elektrisch leitende Eigenschaften.
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Zur elektrischen Isolation befindet
sich zwischen den beiden vorerwähnten,
aufeinander sitzenden plattenartigen Schichten 3, 4 eine
dünne Isolationsschicht 5,
insbesondere aus Siliziumoxyd.
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Die Kanalschicht 3 sitzt
auf einer als Trägerschicht 6 bezeichneten
weiteren Schicht. Sie liegt daher zwischen dieser Trägerschicht 6 und
der Aktorschicht 4. Auf der Aktorschicht 4 ist,
an der der Kanalschicht 3 entgegengesetzten Seite, eine
Abdeckschicht 7 vorgesehen.
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Die Kanalschicht 3 enthält einen
ersten Fluidkanal 8, der mit einer ersten Kanalöffnung 9 an
der der Aktorschicht 4 zugewandten Oberseite der Kanalschicht 3 ausmündet. In
vergleichbarer Weise ist die Kanalschicht 3 von einem zweiten
Fluidkanal 12 durchsetzt, der mit einer zweiten Kanalöffnung 13 ebenfalls
an der Oberseite der Kanalschicht 3 ausmündet.
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Soweit im Rahmen dieser Beschreibung
Orientierungsangaben wie "oben" oder "unten" verwendet werden,
beziehen sich diese auf die in der Zeichnung vorhandene Ausrichtung
des Mikroventils, ohne dass damit zwingende Orientierungen beim
späteren Einsatz
des Mikroventils verbunden wären.
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In der Trägerschicht sind Trägerschichtkanäle 14, 15 ausgebildet,
die jeweils mit einem der ersten und zweiten Fluidkanäle 8 bzw.
12 kommunizieren und die im Bereich der Außenfläche der Trägerschicht 6 fluidische
Schnittstellen 16 definie ren, über die die fluidische Verbindung
mit der Makroumgebung oder einer mikromechanischen Komponente realisiert
werden kann.
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Die Aktorschicht 4 enthält einen
rahmenartigen Basisabschnitt 17, der sich entlang der Außenkontur
der Kanalschicht 3 erstreckt und der einen Innenraum 18 umrahmt,
in den ein als Ventilklappe 22 bezeichnetes Ventilglied
hineinragt. Die Ventilklappe 22 ist ein integraler Bestandteil
der Aktorschicht 4 und ist über ein Festkörpergelenk 23 einstöckig mit dem
Basisabschnitt 17 verbunden.
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Beim Ausführungsbeispiel ist die Anordnung so
getroffen, dass .die Ventilklappe 22 ausgehend von dem
durch das Festkörpergelenk 23 gebildeten Verbindungsbereich
zungenartig in den Innenraum 18 hineinragt. Bezogen auf
den beim Ausführungsbeispiel
rechteckigen Grundriss des Mikroventils ergibt sich somit eine Anordnung,
bei der das Festkörpergelenk 23 an
einer der vier Rechteckseiten der Ventilklappe 22 sitzt,
während
entlang der übrigen drei
Rechteckseiten ein spaltförmiger,
insbesondere U-förmig
gestalteter Zwischenraum 24 vorliegt.
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Die Kanalschicht 3 begrenzt
zusammen mit dem rahmenartigen Basisabschnitt 17 der Aktorschicht 4 und
der darauf aufgesetzten Abdeckschicht 7 eine Ventilkammer 25,
die die Ventilklappe 22 aufnimmt. In der Zeichnung ist
die Abdeckschicht 7 an der der Aktorschicht 4 zugewandten
Unterseite mit einer strukturierten Vertiefung gezeigt, in die die
Ventilklappe 22 bei der noch zu erläuternden Schaltbewegung eintauchen
kann. Diese Darstellung resultiert aus der starken Vergrößerung der
einzelnen Komponenten; eine Vertiefung wird in der Praxis in der
Regel nicht oder in nur geringerem Maße erforderlich sein. Die Abdeckschicht 7 ist
ebenfalls plattenartig ausgebildet.
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Bei dem gezeigten Mikroventil 1 handelt
es sich um ein 2/2-Wegeventil.
Der erste Fluidkanal 8 ist ein Zuströmkanal, über den im Betrieb ein Druckmedium,
insbesondere Druckluft, zugeführt
wird. Die zugeordnete Schnittstelle 16 wird daher mit einer
nicht gezeigten Druckquelle verbunden.
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Bei dem zweiten Fluidkanal 12 handelt
es sich um einen Abführkanal,
der zum Abführen
des eingespeisten Druckmediums zu einem nicht näher dargestellten Verbraucher
dient. Der Verbraucher wird über
nicht näher
gezeigte Fluidleitungen an die betreffende fluidische Schnittstelle 16 angeschlossen.
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Durch eine in das Mikroventil 1 integrierte elektrostatische
Antriebseinrichtung kann die Ventilklappe 22 zu einer in 2 durch einen Doppelpfeil angedeuteten
Schaltbewegung 26 veranlasst werden. Im Rahmen dieser Schaltbewegung 26 kann
die Ventilklappe 22 wahlweise in einer aus 1 hervorgehenden Offenstellung und einer
aus 3 hervorgehenden
Schließstellung
positioniert werden. Zwischenstellung können bei Bedarf ebenfalls realisiert werden.
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Die in 3 gezeigte
Schließstellung
zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens die zum Zuführkanal 8 gehörende erste
Kanalöffnung 9 fluiddicht
abgesperrt ist. Die Ventilklappe 22 liegt hierbei über der
ersten Kanalöffnung 9 und
kontaktiert einen leicht erhabenen, die erste Kanalöffnung 9 umgrenzenden
Ventilsitz, der in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist. Das Druckmedium
wird somit an einem Einströmen
in die Ventilkammer 25 und folglich an einem Überströmen in den
Abströmkanal 12 gehindert.
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In der Offenstellung gemäß 1 ist die Ventilklappe 22 von
der ersten Kanalöffnung 9 abgehoben,
so dass das Druckmedium durch den Zuführkanal 8 hindurch
in die Ventilkammer 25 einströmen und von dort in den ebenfalls
offenen Abströmkanal 12 ausströmen kann.
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Die zum Abströmkanal 12 gehörende zweite Kanalöffnung 13 ist
beim Ausführungsbeispiel
so platziert, dass sie in der Schließstellung der Ventilklappe 22 von
dieser ebenfalls komplett überdeckt wird.
Möglich
wäre aber
auch eine stets frei zugängliche
Einmündung
des Abströmkanals 12 in
die Ventilkammer 25. Vorteilhaft ist aber jedenfalls, wenn
die zweite Kanalöffnung 13 in
der Schließstellung
zumindest teilweise von der Ventilklappe 22 überdeckt
wird.
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Die vorstehend angesprochene elektrostatische
Antriebseinrichtung besteht aus zwei Elektrodenflächen 27, 28,
die an den einander zugewandten Seiten der Ventilklappe 22 und
der Kanalschicht 3 vorgesehen sind. Handelt es sich bei
den beiden Schichten 3, 4 wie beim Ausführungsbeispiel
um elektrisch leitende Schichten, können die Elektrodenflächen 27, 28 unmittelbar
von der Oberfläche
der sich gegenüberliegenden
Bereiche der erwähnten Komponenten
gebildet sein, wenn die Schichtpotentiale durch eine elektrisch
isolierende Schicht voneinander getrennt werden können und
kein Stromfluss auftritt.
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Wird an die beiden Schichten mittels
nicht näher
dargestellter elektrischer Kontakte ein Spannung angelegt, bildet
sich zwischen den sich gegenüberliegenden
Elektrodenflächen 27, 28 ein
elektrostatisches Feld aus, das die Tendenz hat, die die Elektrodenflächen 27, 28 tragenden
Komponenten zueinander zu ziehen.
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Die Ventilklappe 22 ist über das
Festkörpergelenk 23 verschwenkbar
an dem Basisabschnitt 17 gelagert. Die Schaltbewegung 26 ist
mithin eine Schwenkbewegung. Die Schwenkachse 32 liegt
im Bereich des Festkörpergelenkes 23 und
ist in 1 bis 3 zur besseren Kenntlichmachung
von einem strichpunktierten Kreis umringt.
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Die Schwenkachse 32 verläuft parallel
zu den Ausdehnungsebenen der einzelnen Schichten 2, so
dass die Schaltbewegung 26 quer zu diesen Ausdehnungsebenen
und insbesondere quer zur Ausdehnungsebene der Kanalschicht 3 und
zur Aktorschicht 4 verläuft.
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Das Festkörpergelenk 23 verfügt über federelastische
Eigenschaften. Beim Ausführungsbeispiel
ist die Anordnung so getroffen, dass durch das Festkörpergelenk 23 die
in 1 gezeigte Offenstellung
auch dann vorgegeben wird, wenn der Zuführkanal drucklos ist. Durch
das Aktivieren der elektrostatischen Antriebseinrichtung wird die
Ventilklappe 22 in Richtung zur Kanalschicht 3 gezogen,
wobei sie unter elastischer Verformung des Festkörpergelenkes 23 um
die Schwenkachse 32 verschwenkt wird. Hierbei baut sich
innerhalb des Festkörpergelenkes 23 eine
Rückstellkraft
auf, die die Ventilklappe 22 in die Offenstellung vorspannt.
Beim Schließen
muss auch die Fluidkraft des über
den Zuführkanal
eingespeisten Fluides überwunden
werden.
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Wird die elektrostatische Antriebseinrichtung deaktiviert,
so dass die Ladungen von den Elektrodenflächen 27, 28 abfließen können, kehrt
die Ventilklappe 22 durch die Rückstellkraft des Festkörpergelenkes 23 in
die Offenstellung zurück,
wobei die Rückstellbewegung
aber, zumindest beim Ausführungsbeispiel,
durch das über
die erste Kanalöffnung 9 zuströmende Druckmedium
unterstützt
wird, das ein Drehmoment in der Öffnungsrichtung
auf die Ventilklappe 22 ausübt.
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Alternativ kann auch vorgesehen sein,
dass das Festkörpergelenk 23 in
der Schließstellung
der Ventilklappe 22 entspannt ist oder gar die Ventilklappe 22 in
die Schließstellung
drückt.
Hier wird dann der Öffnungsvorgang
durch Deaktivieren des elektrostatischen Feldes allein durch die
Fluidkräfte hervorgerufen,
die dabei die Rückstellkraft
des Festkörpergelenkes 23 überwinden
müssen.
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Durch entsprechende konstruktive
Ausgestaltung, beispielsweise durch Wahl einer entsprechenden Materialstärke, wird
erreicht, dass die Ventilklappe 22 so starr ist, dass sie
unter den im Betrieb auftretenden Beanspruchungen praktisch nicht
verformt werden kann. Insbesondere wird sie selbst dann praktisch
nicht durchgebogen, wenn sie in der Schließstellung auf dem die erste
Kanalöffnung 9 umgrenzenden
Ventilsitz aufliegt und somit ein in der Zeichnung nicht sichtbarer
minimaler Restzwischenraum 33 zwischen der Ventilklappe 22 und
der Kanalschicht 3 verbleibt.
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Die Folge hieraus ist, dass sämtliche
vom elektrostatischen Feld hervorgerufenen Stellkräfte, die
an der Ventilklappe 22 angreifen, dazu beitragen, dass
die Ventilklappe an den Ventilsitz herangedrückt wird. Eine hohe Schließkraft ist
die Folge. Wäre
die Ventilklappe 22 weniger starr, würde sie sich durch Verformung
in der Schließstellung
auch in den beim Ausführungsbeispiel
den Restzwischenraum 33 definierenden Bereichen auf Grund
ihrer Durchbiegung an der Kanalschicht 3 abstützen und
wäre somit
nicht in der Lage, die beabstandet zur ersten Kanalöffnung 9 wirkenden
elektrostatischen Stellkräfte
in den Bereich der ersten Kanalöffnung 9 zu übertragen.
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Während
der Schaltbewegung 26 bleibt die Schwenkachse 32 im
Wesentlichen ortsfest. Anders als bei den aus dem Stand der Technik
bekannten Wanderkeil-Bauformen hat dies zur Folge, dass der zwischen
der Ventilklappe 22 und der Kanalschicht 3 definierte
keilförmige
Zwischenraum 34 unabhängig von
der jeweiligen Schaltposition eine konstante Lage einnimmt, wobei 'sich insbesondere
die im Bereich der Schwenkachse 32 liegende Keilspitze
nicht oder zumindest nur geringfügig
verlagert. Lediglich der Keilwinkel des keilförmigen Zwischenraumes 34 ändert sich.
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Der maximale Keilwinkel liegt in
der Offenstellung gemäß 1 vor. Minimal ist er in
der Schließstellung,
wenn sich der keilförmige
Zwischenraum 34 zu dem ebenfalls noch keilförmigen Restzwischenraum 33 reduziert
hat.
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Um eine optimal hohe Schließkraft zu
erreichen, ist es von Vorteil, wenn sich die an der Aktorschicht 4 vorgesehene
Elektrodenfläche 27 zumindest
annähernd über die
gesamte, der Kanalschicht 3 zugewandte Ventilklappenfläche erstreckt.
Die zugewandte Elektrodenfläche 28 der
Kanalschicht 23 ist in diesem Falle zweckmäßigerweise
mindestens ebenso groß wie
diejenige der Ventilklappe 22.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass,
insbesondere bei einem Aufbau des Mikroventils aus elektrisch nicht
leitenden Materialien, beispielsweise Kunststoff, die Elektrodenflächen 27, 28 auch
an gesondert angebrachten Elektroden ausgebildet sein können.
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Besonders vorteilhaft ist eine dahingehende Zuordnung
zwischen den Kanalöffnungen 9, 13 und der
Ventilklappe 22, dass zumindest die zum Zuführkanal 8 gehörende erste
Kanalöffnung 9 dem
dem Festkörpergelenk 23 entgegengesetzten äußeren Endbereich 35 der
Ventilklappe 22 gegenüberliegt.. Die
entstehenden Strömungskräfte bewirken
somit ein maximales Drehmoment auf die Ventilklappe. Bei der Auslenkung
um die Schwenkachse 32 stellt sich ein keilförmiger Zwischenraum
sowohl oberhalb als auch unterhalb der Ventilklappe 22 ein.
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Es kann vorgesehen werden, dass die
Aktorschicht 4, insbesondere im Bereich des Festkörpergelenks 23, über eine
gewisse Flexibilität
verfügt,
die auch geringfügige
andere Verformungen als die erwähnte
Schwenkbewegung 26 zulässt.
Damit wird erreicht, dass die Ventilklappe 22 derart flexibel
aufgehängt
ist, dass Toleranzen ausgeglichen werden und ein sicheres Anschmiegen
an den Ventilsitz in der Schließstellung
gewährleistet
ist. Auch können durch
diese Maßnahme
lokal, begrenzt auf den Bereich des Festkörpergelenkes 23, die
Vorteile des oben erwähnten
Wanderkeiles zur Erhöhung
der elektrostatischen Stellkraft genutzt werden.
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Die Flexibilität wird beim Ausführungsbeispiel
dadurch erzielt, dass die Aktorschicht 4 im Bereich des
Festkörpergelenkes 23 eine
geringere Dicke aufweist als die angrenzenden Bereiche des Basisabschnittes 17 und
der Ventilklappe 22. Realisiert wird dies zweckmäßigerweise
durch eine lokal in die Aktorschicht 4 einstrukturierte
Vertiefung 36. Sie liegt zweckmäßigerweise auf der von der
Kanalschicht 3 abgewandten Oberseite der Aktorschicht 4,
so dass die für
die Elektrodenfläche 27 verwendete
Unterseite der Ventilklappe 22 nicht beeinträchtigt wird.
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Die zum Abströmkanal 12 gehörende zweite Kanalöffnung 13 ist
insbesondere so platziert, dass sie auf der dem Festkörpergelenk 23 entgegengesetzten
Außenseite
der zum Zuführkanal 8 gehörenden ersten
Kanalöffnung 9 liegt.
Sie ist daher weiter von der Schwenkachse 32 entfernt als
die erste Kanalöffnung 9.
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Eine Folge dieser Anordnung ist,
dass das zwischen den beiden Fluidkanälen 8, 12 überströmende Druckmedium
innerhalb der Ventilkammer 25 in Richtung der Keilerweiterung
strömt,
so dass die Ablagerung von Verunreinigungen im Bereich der Keilspitze
vermieden wird.
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Bevorzugt wird zwischen den beiden
Kanalöffnungen 9, 13 ein
sehr enger Abstand eingehalten. Das in die Ventilkammer 25 einströmende Medium trifft
auf die Unterseite der Ventilklappe 22 und wird von dieser
zur zweiten Kanalöffnung 13 des
Abströmkanals 12 hin
umgelenkt.
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Durch die große Entfernung der Kanalöffnungen 9, 13 zur
Schwenkachse 32 wird im Übrigen auch erreicht, dass
in der Offenstellung, auf Grund des Keilwinkels, ein sehr großer Ab stand
zwischen der Ventilklappe 22 und den Kanalöffnungen 9, 12 vorliegt,
so dass hohe Strömungsraten
begünstigt werden.
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Als weitere, vorteilhafte Ausgestaltung
des Mikroventils 1 ist mindestens ein Druckausgleichskanal 37 vorgesehen,
der die Ventilklappe 22 quer zu ihrer Ausdehnungsebene
durchsetzt. Durch diesen Druckausgleichskanal 37 hindurch – es können auch mehrere
Druckausgleichskanäle 37 vorgesehen
sein – findet
ein rascher Druckausgleich innerhalb der Ventilkammer 25 zwischen
den über
und unter der Ventilklappe 22 liegenden Bereichen statt,
so dass die eigentliche Fluidströmung
zwischen den beiden Fluidkanälen 8, 12 im
Wesentlichen nur an der der Kanalschicht 3 zugewandten
Unterseite der Ventilklappe 22 verläuft. Der Druckausgleichskanal 37 ist bevorzugt
von, einer einfachen Durchbrechung der Ventilklappe 22 gebildet;
beim Ausführungsbeispiel hat
er einen länglichen
Querschnitt wie auch die Öffnungen 9, 13.
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Wie sich gezeigt hat, ist es besonders
vorteilhaft, den mindestens einen Druckausgleichskanal 37 in
einem Bereich der Ventilklappe 22 vorzusehen, der näher an der
ortsfesten Schwenkachse 32 liegt als die erste Kanalöffnung 9 des
Zuführkanals
B. Auf diese Weise wird besonders effektiv die die Ventilklappe 22 in
der Öffnungsrichtung
beaufschlagende Fluidkraft reduziert, so dass für den Schließvorgang
nurmehr geringere Stellkräfte
erforderlich sind.
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Durch die eng benachbarte Anordnung
der beiden Kanalöffnungen 9, 13 im
Bereich des freien Endes der Ventilklappe 22 wird im Übrigen auch
gewährleistet,
dass nur ein sehr kleiner Anteil der Fluidströmung aus dem Überströmbereich
abweicht und durch den Druckausgleichskanal 37 oder den
Zwischenraum 24 in den Bereich oberhalb der Ventilklappe 22 strömt. Von
der Strömung
mitgeführte
Partikel werden somit strömungsbedingt
aus den kritischen Bereichen herausgehalten.
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Wie schon erwähnt, kann das Mikroventil ohne
weiteres auch so gestaltet werden, dass im deaktivierten Zustand
die in 3 gezeigte Schließstellung
vorliegt. In diesem Fall wird bei Anstehen eines Druckmediums im
Bereich der ersten Kanalöffnung 9,
in Verbindung mit einer deaktivierten elektrostatischen Antriebseinrichtung,
die Ventilklappe 22 allein vom Fluiddruck in die in 1 gezeigte Offenstellung
gedrückt.
Dabei wird, auf Grund der Verformung im Bereich des Festkörpergelenkes 23,
eine federnde Rückstellkraft
erzeugt, die den Schließvorgang
unterstützt,
wenn die elektrostatische Antriebseinrichtung aktiviert wird.
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Durch die besondere Zuordnung zwischen der
zum Zuführkanal
gehörenden
ersten Kanalöffnung 9 und
dem mindestens einen Druckausgleichskanal 37 lässt sich
die Kräftebilanz
des Systems gezielt einstellen. Dies hängt damit zusammen, dass über der
ersten Kanalöffnung 9 die
Strömung
aufgestaut wird, so dass die Druckwirkung an der Unterseite der
Ventilklappe 22 die Druckwirkung an der Oberseite der Ventilklappe 22 bei weitem übersteigt.
Es entsteht somit ein Bereich, der immer ein öffnendes Moment erzeugt. In
Richtung der zweiten Kanalöffnung 13,
also zur Niederdruckseite hin, wird die Strömung hingegen stark beschleunigt,
wodurch nach Bernoulli der Druck an der Unterseite der Ventilklappe
absinkt, so dass die Druckwirkung der Oberseite der Ventilklappe 22 überwiegt.
Es entsteht mithin ein Bereich, in dem ständig ein schließendes Drehmoment
vorhanden ist. Hinzu kommt, dass in Richtung zur Schwenkachse 32 die
Strömungsgeschwindigkeit
abnimmt und die Drücke
an der Ventilklappenunterseite im Bereich des Druckausgleichskanals 37 an die
Oberseite projiziert werden. Im Bereich zwischen dem Druckausgleichskanal 37 und
der Schwenkachse 32 ist somit der Druck weitgehend ausgeglichen.
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Somit müssen die beiden genannten Bereiche
nur so abgestimmt werden, dass die gewünschte Auslenkung der Ventilklappe 22 beim
zulässigen
Hub erreicht wird. Durch die starre Ausführung der Ventilklappe 22 kann
die gesamte Ventilklappenfläche
zur Erzeugung einer abdichtenden Kraft an der ersten Kanalöffnung 9 genutzt
werden.
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Aus dem beispielhaften 2/2-Wege-Mikroventil
lässt sich,
auf Grund seiner asymmetrischen Ausgestaltung, durch Spiegelung
und durch Verschmelzung im Bereich der Schwenkachse 32 in
Verbindung mit der Nutzung einer Torsionsfeder sehr einfach ein 3/2-Wege-Mikroventil
realisieren. Ein solches Ventil hat auf Grund der daraus resultierenden
wippenartigen Ventilklappenstruktur sämtliche Fluidöffnungen auf
einer Seite und er laubt damit eine kompakte Zusammenfassung zu einer
fluidischen Schnittstelle.