DE10249936A1

DE10249936A1 - Ventilanordnung

Info

Publication number: DE10249936A1
Application number: DE2002149936
Authority: DE
Inventors: Christian-Joachim Dr. Schmidt; Manfred Dr. Wetzko; Albrecht Dr. Vogel; Peter Dr.-Ing. Krippner
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-05-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung mit einem oder mehreren Ventilen (2V, 3V, 4V), in denen jeweils eine Kugel (2K, 3K und 4K) zum Verschließen des jeweiligen Ventilsitzes (2S, 3S und 4S) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist im Bereich eines jeden Ventils (2V, 3V, 4V) wenigstens ein Permanentmagnet (9, 10) angeordnet. Der Permanentmagnet (9, 10) presst die Kugel (2K, 3K und 4K) in Abhängigkeit von seiner Position entweder gegen den Ventilsitz (2S, 3S und 4S) oder hält die Kugel (2K, 3K und 4K) in einem vorgebbaren Abstand vom Ventilsitz (2K, 3K und 4K) entfernt. Alle Kugeln (2K, 3K und 4K) sind hierfür aus einem ferromagnetischen Werkstoff gefertigt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ventilanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche Ventilanordnung finden in der Mikrosystemtechnik eine Anwendung, wo sie zum Öffnen und Schließen von Kanälen in Mikrosystemen genutzt wird, durch die Gase oder Flüssigkeiten geleitet werden. Das Öffnen oder Schließen von Kanälen übernehmen dabei die einzelnen Ventile.

Es ist bereits ein Mikroventil bekannt, bei dem das Schließen des Ventils mittels Strömung und Differenzdruck erfolgt, wodurch eine Kugel auf den kreisförmigen Ventilsitz gedrückt und mit Hilfe eines Elektromagneten gehalten wird. Sind die beiden Bedingungen Strömung und/oder Differenzdruck nicht gegeben, so stellt sich ein nicht definierter Zustand der Kugel ein. Ein sicheres Schließen des Ventils wird dann nicht mehr gewährleistet. Der Elektromagnet, der die Kugel auf dem Ventilsitz hält, muss dabei ständig an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen sein, so dass hierdurch viel Energie verbraucht wird. Sind in einem solchem Mikrosystem eine Vielzahl von Ventilen integriert, so ist eine entsprechende Anzahl von Elektromagneten erforderlich. Für diese wird viel Platz benötigt, wodurch die Einrichtung unnötig vergrößert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung aufzuzeigen, die geringere bauliche Abmessungen aufweist, kostengünstig hergestellt und Energie sparend betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Jedes Ventil der erfindungsgemäßen Ventilanordnung wird mit Hilfe einer Kugel verschlossen, die aus einem ferromagnetischen Werkstoff gefertigt ist. Zum Öffnen und Schließen der Ventile sind Permanentmagnete vorgesehen. Die Permanentmagnete sind außerhalb der Ventile beweglich installiert. Zum Öffnen eines Ventils wird ein Permanentmagnet über dem Ventilsitz angeordnet. Mit seiner Hilfe wird die Kugel in einem definierten Abstand über dem Ventilsitz gehalten. Zum Schließen des Ventils wird der zu letzt genannte Permanentmagnet entfernt, und ein zweiter Permanentmagnet unterhalb des Ventilsitzes angeordnet. Unter seiner Einwirkung wird die Kugel auf den Ventilsitz gepresst. Da immer nur ein Permanentmagnet entweder zum Öffnen oder Schließen eines Ventils erforderlich ist, kann der gerade nicht benötigte Permanentmagnet zum Öffnen bzw. zum Schießen eines weiteren Ventils verwendet werden. Hierfür ist es besonders vorteilhaft, dass die Permanentmagnete beweglich installiert sind.

Die Ventile werden durch Ausnehmungen in einer ersten Platte gebildet. Diese Platte ist aus einem nicht magnetischen Material gefertigt. Jede Ausnehmung ist in eine Leitung für ein strömendes Medium integriert, die in einer Ebene innerhalb dieser Platte geführt ist. Innerhalb einer jeden Ausnehmung ist eine Kugel zum Verschließen des Ventils angeordnet. Die Abmessungen der Kugeln sind so groß gewählt, dass die Öffnungen der Ventile bzw. die Ventilsitze damit fest verschließbar sind. Erfindungsgemäß können mehrere solche Ventile in einem definierten Abstand voneinander in einer solchen Platte angeordnet werden. Die Öffnungen der Ventile sind alle nach der gleichen Seite ausgerichtet. Alle Ventile werden durch eine gemeinsame zweite Platte verschlossen, die ebenfalls aus einem nicht magnetischen Material gefertigt ist. Für die Halterung der Permanentmagnete sind Träger vorgesehen, die beispielsweise als quaderförmige Bauelemente ausgebildet sind. Einer dieser Träger ist auf der Außenfläche der zweiten Platte angeordnet, welche die Ventile verschließt, während ein zweiter Träger auf der Außenfläche der ersten Platte angeordnet ist, innerhalb deren die Ventile ausgebildet sind. Jeder der beiden Träger kann für sich alleine oder zusammen mit dem zweiten Träger parallel zu den Längsachsen der beiden Platten bewegt werden. Jeder Träger ist auf der nach außen weisenden Fläche mit Ausnehmungen versehen. In jeder Ausnehmung kann ein Permanentmagnet angeordnet werden. Durch ein ge zieltes Verschieben der beiden Träger können definierte Ventile geöffnet und/oder geschlossen. Als Träger für die Permanentmagnete können auch runde Scheiben verwendet werden. Diese sind so installiert, dass sie in Ebenen gedreht werden können, die parallel zu den Längsachsen der Platten ausgerichtet sind. Die Träger sind in Abhängigkeit von ihrer Bewegung mit einem Linearantrieb oder einem Schrittmotor verbunden.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Ventilanordnung,
2 die Ventilanordnung gemäß 1 mit eine anderen Anordnung der Permanentmagnete,
3 ein Antrieb für die Träger der Permanentmagnete,
4 scheibenförmige Träger für die Permanentmagnete.
1 zeigt eine Ventilanordnung 1 mit drei Ventilen 2V, 3V und 4V. Die Ventile 2V, 3V und 4V sind in definiertem Abstand voneinander in einer Platte 5 angeordnet. Sie werden durch Ausnehmungen gebildet. Diese sind in einem definierten Abstand voneinander mit vorgegebenen Abmessungen in die Oberfläche der Platte 5 geätzt. Die Platte 5 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus Silizium oder Glas gefertigt. Die Ausnehmungen werden mit einem zylinderförmigen oder trapezförmigen Querschnitt versehen, wie hier dargestellt. Die Ventilsitze bzw. Öffnungen 2S, 3S und 4S der Ventile 2V, 3V und 4V sind kreisförmig ausgebildet. Jedes Ventil 2V, 3V, 4V ist in eine Lei tung 2L integriert, die in einer Ebene der Platte 5 geführt ist. In jedem Ventil 2V, 3V und 4V ist eine Kugel 2K, 3K, 4K vorgesehen, die aus einem ferromagnetischen Werkstoff gefertigt ist. Die Größe der Kugeln 2K, 3K und 4K ist so gewählt, das die Ventilsitze 2S, 3S und 4S fest verschlossen sind, wenn die Kugeln 2K, 3K und 4K dagegen gepresst werden. Die Ventile 2V, 3V und 4V werden mittels einer zweiten Platte 6 verschlossen, die aus dem gleichen Werkstoff wie die Platte 5 gefertigt ist. Die beiden Platten 5 und 6 werden nach dem Fertigstellen der Ventile 2V, 3V und 4V aufeinander gelegt und gasdicht miteinander verbunden. Die den Ventilen 2V, 3V und 4V zugewandte Fläche der Platte 6 ist im Bereich der Ventile 2, 3 und 4 gegebenenfalls auch mit Ausnehmungen versehen, so dass sich die Ventile 2V, 3V und 4V bis in die Platte 6 erstrecken.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die beiden Platten 5 und 6 einen 0,5 bis 1,5 mm dicken Si-Glas-Verbund. Die hierin ausgebildeten Ventile 2V, 3V, 4V haben einen Durchmesser von 200 μm. Die Platten 5 und 6 können auch einen 0,5 bis 3 mm dicken Keramik-Kunststoff-Verbund oder einen Kunststoff-Glas-Verbund bilden, innerhalb dessen die Ventile 2V, 3V, 4V mit einem Durchmesser von 100 bis 400 μm ausgebildet sind. Die Kugeln 2K, 3K und 4K sind alle gleich groß, und haben einen Durchmesser zwischen 100 μm und 500 μm. Sie sind aus einem ferromagnetischen Edelstahl gefertigt. Die erfindungsgemäße Ventilanordnung 1 beschränkt sich nicht nur auf diese Materialen und Abmessungen. Vielmehr können auch andere Abmessungen gewählt und alle Materialen verwendet werden, welche die oben beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
Auf der Außenfläche der Platte 5 sowie auf Außenfläche des Platte 6 ist jeweils ein Träger 7, 8 unmittelbar angeordnet. Die Träger 7 und 8 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als quaderförmige Bauelemente ausgebildet, die aus einem nicht magnetischen Material in Form von Kunststoff, Edelstahl, Glas oder Keramik gefertigt sind. Die Träger 7 und 8 sind beweglich gehaltert, derart, dass sie parallel zu den Längsachsen der Platten 5 und 6 verschoben werden können. Hierfür werden sie mit einem Antrieb (hier nicht dargestellt) verbunden. Die Träger 7 und 8 sind an definierten Stellen mit nach außen offenen Ausnehmungen 7A, 8A versehen. Wie 1 zu ent nehmen ist, weisen die Träger 7 und 8 jeweils vier Ausnehmungen 7A, 8A auf, die alle den gleichen Abstand voneinander aufweisen.
Die Abstände der Ausnehmungen 7A und 8A sind an die Abstände der Ventile 2V, 3V, 4V angepasst. Sind die ersten Enden 5E und 6E der beiden Platten 5 und 6 sowie die ersten Enden 7E und 8E der beiden Träger 7 und 8 wie in 1 dargestellt, in einer Ebene senkrecht zu den Längsachsen der Platten 5 und 6 angeordnet, so ist unterhalb bzw. oberhalb der Ventile 2V, 3V, 4V jeweils eine Ausnehmung 7A, 8A angeordnet. Die Ausnehmungen 7A oberhalb der Ventile 2V und 3V sind mit jeweils einem Permanentmagneten 9 bestückt, während die Ausnehmung 7A über dem Ventil 4V leer ist. Die vierte Ausnehmung 7A, die sich außerhalb der Ventile 2V, 3V, 4V befindet, ist ebenfalls mit einem Permanentmagneten 9 versehen. Auf der Unterseite der Ventile 2V, 3V, 4V ist lediglich in der Ausnehmung 8A, die sich unter dem Ventil 4V befindet, ein Permanentmagnet 10 angeordnet. Wie 1 desweiteren zu entnehmen ist, wird die Kugel 4K, die in dem Ventil 4V angeordnet ist, von dem Permanentmagnet 10 angezogen und gegen den Ventilsitz 4S gepresst. Die Kugeln 2K, 3K in den Ventilen 2V, 3V werden von den Permanentmagneten 9 angezogen, wodurch die Ventile 2V und 3V offen gehalten werden.
Die in 2 dargestellte Ventilanordnung unterscheidet sich von der Ventilanordnung 1 gemäß 1 lediglich dadurch, dass hier die beiden Ventile 2V und 4V geöffnet und das Ventil 3V geschlossen ist. Gleich Bauteile sind deshalb mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Schließen des Ventils 3V bzw. das Öffnen des Ventils 4V wird dadurch erreicht, dass die beiden Träger 7 und 8 aus der Sicht des hier dargestellten Ausführungsbeispiels vollständig nach links verschoben sind. Durch die Permanentmagnete 10 über den Ventilen 2V und 4V werden die Kugeln 2K von den Ventilsitzen 2S und 4S ferngehalten. Beim Ventil 3V ist dagegen nur auf der Unterseite ein Permanentmagnet 10 angeordnet, der die Kugel 3K gegen den Ventilsitz 3S presst.
In 3 ist ein Antrieb 15 dargestellt. Mit seiner Hilfe können die beiden Träger 7 und 8 parallel zu den Platten 5, 6 bewegt werden. Der Antrieb 15 besteht aus zwei Mag netspulen 16 und 17, die mechanisch so in einer Reihe angeordnet sind, dass ein Kern 18 aus einem ferromagnetischen Material, im Innern der beiden Magnetspulen 16 und 17 von der einen Magnetspule 16 zur anderen Magnetspule 17 bewegt werden kann und umgekehrt. Elektrisch werden die beiden Magnetspulen getrennt angesteuert. Wird ein kurzer Stromimpuls auf die Magnetspule 16 gegeben, so wird der Kern 18 in die Magnetspule 16 gezogen. Nach dem Abschalten des Stroms verbleibt der Kern 18 innerhalb der Magnetspule 16. Erst wenn ein Stromimpuls auf die Magnetspule 17 geben wird, wird der Kern 18 dort hinein gezogen. Werden die ersten Enden 7B, 8B der beiden Träger 7 und 8 über eine Zugstange 19 mit dem Kern 18 verbunden, so können sie zum Öffnen und Schließen der Ventile 2V, 3V, 4V in der oben beschriebenen Weise bewegt werden. Selbstverständlich kann auch jeder Träger 7, 8 für sich mit je einem Antrieb 15 verbunden werden. Damit ist es möglich, beide Träger 7, 8 getrennt voneinander zu bewegen.
Wie 4 zu entnehmen ist, können die Träger 7 und 8 für die Permanentmagnete 9 und 10 auch als drehbare, runde Scheiben ausgebildet werden. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur eine der beiden Scheiben 7, 8 im Detail dargestellt. Die Dicke der Scheiben 7, 8 ist so groß bemessen, dass sie ebenso wie die quaderförmigen Bauelemente 7, 8 für die Aufnahme von Permanentmagneten geeignet sind. Wie 4 zeigt, erfolgt die Anordnung der Ausnehmungen 7A für die Permanentmagnete 9 bei den Scheiben 7, 8 in radialer Richtung. Der Abstand zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Ausnehmungen 7A richtet sich nach den Abständen zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Ventilen 2V, 3V, 4V. Damit auch bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel die Ventile 2V und 4V offen gehalten werden, während das Ventil 3V schlossen ist, ist in den Ausnehmungen 7A, die über den Ventilen 2V, 4V angeordnet sind, jeweils ein Permanentmagnet 9 angeordnet, während nur in einer Ausnehmung der zweiten Scheibe 8, die sich auf der Unterseite des Ventils 4V befindet, ein Permanentmagnet (hier nicht dargestellt) angeordnet ist.
Um das Ventil 4V zu schließen, werden die beiden Scheiben 7, 8 um 90° gegen den Uhrzeiger gedreht. Hierdurch werden die Permanentmagnete in der gleichen Weise wie in 3 dargestellt und in der zugehörigen Beschreibung erläutert über bzw. unter den Ventilen 2V, 3V, 4V angeordnet. Damit werden die beiden Ventile 2V und 3V offen gehalten, während das Ventil 4V geschlossen wird. Als Antrieb für die beiden Scheiben 7, 8 kann ein Schrittschaltwerk in Form eines Schrittmotors (hier nicht dargestellt) verwendet werden.
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen können die Permanentmagnete 9 und 10 auch gleichzeitig dazu benutzt werden, die augenblicklichen Positionen der Permanentmagnete 9 und 10 anzuzeigen. Mit Hilfe eines Reed-Kontakts oder eines Hall-Schaltkreises (hier nicht dargestellt), der sich beispielsweise in einer festen Position innerhalb der Platte 5, 6 befindet, ist eine solche Erfassung möglich.
Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr umfasst sie alle Variationen der Anordnung, die dem Kern der Erfindung zugeordnet werden können.

Claims

Ventilanordnung mit wenigstens einem Ventil (2V, 3V, 4V), das mit einer Kugel (2K, 3K und 4K) verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines jeden Ventils (2V, 3V, 4V) wenigstens ein Permanentmagnet (2M) angeordnet ist, der die innerhalb des Ventils (2V, 3V, 4V) angeordnete Kugel (2K, 3K und 4K) gegen den Ventilsitz (2S, 3S und 4S) presst oder in einem vorgebbaren Abstand davon hält.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (2K, 3K und 4K) aus einem ferromagnetischen Werkstoff gefertigt ist, und zwei oder mehrere Ventile (2V, 3V, 4V) vorgesehen sind, die durch zylinderförmige Ausnehmungen in der Oberfläche einer ersten Platte (5) gebildet sind, die nach außen durch eine zweite Platte (6) verschlossen sind, dass jedes Ventil (2V, 3V, 4V) in jeweils eine Leitung (2L) für strömende Medien integriert ist, die innerhalb der ersten Platte (5) in einer parallelen Ebene dazu geführt ist, und dass die beiden Platten (5, 6) aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff gefertigt sind.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Platte (6) zur Vergrößerung einer jeden Ausnehmung (7A) der ersten Platte (5) an den gleichen Stellen ebenfalls mit je einer Ausnehmung (8A) versehen ist, die zu den Ausnehmungen (7A) hin offen sind, dass die beiden Platten (5 und 6) gasdicht miteinander verbunden sind, und dass auf der Unterseite der ersten Platte (5) und auf der Oberseite der zweiten Platte (6) jeweils ein Träger (7, 8) aus einem nicht magnetischen Werkstoff für Permanentmagnete (9, 10) angeordnet ist.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Träger (7, 8) als quaderförmiges Bauelement ausgebildet und mit Ausnehmungen (7A, 8A) versehen ist, die senkrecht zur Längsachse des Trägers (7, 8) ausgerichtet und deren Abstände so bemessen sind, dass oberhalb und unterhalb einen jeden Ventils (2V, 3V, 4V) jeweils eine Ausnehmung (7A, 8A) vorgesehen ist.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in drei Ausnehmungen (7A) des Trägers (7) jeweils ein Permanentmagnet (9) und in einer Ausnehmung (8A) des Trägers (8) ein Permanentmagnet (10) angeordnet ist.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (7,8) als runde, drehbare Scheiben ausgebildet und mit Ausnehmungen (7A, 8A) für die Aufnahme von Permanentmagneten (9,10) versehen sind, die radial ausgerichtet und deren Abstände so bemessen sind, dass oberhalb und unterhalb eines jeden Ventils (2V, 3V, 4V) jeweils eine Ausnehmung (7A, 8A) vorgesehen ist.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die quaderförmigen Bauelementen (7, 8) mit einem Linearantrieb und die drehbaren Scheiben (7, 8) mit einem Schrittmotor in Verbindung stehen.