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Die
Erfindung betrifft ein Mikroventil in Mehrschichtaufbau.
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Ein
aus der
DE 196 37
878 C2 bekanntes Mikroventil verfügt über eine Kanalschicht und eine
darauf platzierte Aktorschicht, wobei ein in der Kanalschicht verlaufender
Fluidkanal an der der Aktorschicht zugewandten Seite der Kanalschicht
mit einer Kanalöffnung
ausmündet
und wobei die Aktorschicht eine der Kanalöffnung gegenüberliegende Ventilklappe
aufweist. Die Ventilklappe ist 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 unter Ausführung einer Schaltbewegung
auslenkbar, um die Kanalöffnung
wahlweise freizugeben oder zu verschließen. Die Ventilklappe des bekannten
Mikroventils ist als zungenartiges, biegeelastisches Element ausgebildet,
das bei der Schaltbewegung an der Kanalschicht abrollt. Dabei tritt
der Effekt eines sogenannten elektrostatischen 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 auf Grund 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.
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Vergleichbare
Gegebenheiten liegen bei dem in der
US
4,585,209 beschriebenen Mikroventil vor.
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Bei
dem ebenfalls auf einem elektrostatischen Betätigungsprinzip basierenden
Mikroventil der
EP
0 435 237 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 entge gengesetzten Richtung wie
im Falle des Mikroventils gemäß
DE 196 37 878 C2 .
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Es
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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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Mikroventil in Mehrschichtaufbau mit einer
plattenartigen Kanalschicht und einer darauf platzierten plattenartigen
Aktorschicht, wobei ein in der Kanalschicht verlaufender Fluidkanal
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
freizugeben (Offenstellung) oder zu verschließen (Schließstellung), wobei die Ventilklappe
zur Ermöglichung
der Schaltbewegung über
ein federelastisches Festkörpergelenk
verschwenkbar an dem Basisabschnitt gelagert ist und wobei die Ventilklappe als
starres Element ausgebildet ist, das während der gesamten Schaltbewegung
mit der gegenüberliegenden
Kanalschicht einen keilförmi gen
Zwischenraum definiert, dessen Keilspitze unabhängig vom momentanen Keilwinkel
konstant eine Position im Bereich einer durch das Festkörpergelenk
definierten, im wesentlichen ortsfesten Schwenkachse einnimmt.
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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 einstückig
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. Daraus resultiert der Vorteil, 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. Dies bedeutet auch, dass 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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Zwar
beschreibt die
US 5,417,235 ein
Mikroventil, das mit einer Ventilklappe ausgestattet ist, die möglicherweise
ein insgesamt starres Element darstellt und über ein Festkörpergelenk
an einem Basisabschnitt verschwenkbar fixiert ist. Allerdings nimmt die
Ventilklappe in der Offenstellung eine in etwa parallele Ausrichtung
zur Kanalschicht ein und ist über ihre
gesamte Ausdehnung hinweg zu der Kanalschicht beabstandet. Ein keilförmiger Zwischenraum zwischen
der Ventilplatte und der Kanalschicht, dessen Keilspitze unabhängig von
der Stellung der Ventilklappe im Bereich des Festkörpergelenkes
liegt, ist somit nicht gegeben.
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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.
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Das
federelastische Festkörpergelenk
kann derart ausgebildet sein, dass die Ventilklappe im deaktivierten
Zustand, also bei nicht vorhandenem elektrostatischem 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 einstückig 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 8.
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.