-
Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Antrieb,
der mindestens zwei Antriebselektroden aufweist, an die eine Steuerspannung
anlegbar ist, um die Bewegung eines beispielsweise von einem Ventilglied
gebildeten Stellgliedes hervorzurufen. Die Erfindung betrifft ferner
ein mit einem solchen elektrostatischen Antrieb ausgestattetes Ventil.
-
Aus der
DE 19821638 C2 geht ein
mit einem elektrostatischen Antrieb ausgestattetes Mikroventil hervor.
Der Antrieb verfügt über zwei
plattenartige Antriebselektroden, deren eine am Ventilgehäuse und
deren andere am Ventilglied angeordnet ist. Wird eine Steuerspannung
an die beiden Antriebselektroden angelegt, bewirkt das sich aufbauende
elektrostatische Feld eine das Ventilglied bewegende Kraft.
-
Derartige elektrostatische Antriebe
haben den Nachteil, dass sie nur geringe Stellwege ermöglichen.
Außerdem
muss zum Erhalt ausreichend hoher Betätigungskräfte eine relativ hohe Steuerspannung
angelegt werden. In der
DE
10047705 A1 ist daher bereits vorgeschlagen worden, den
elektrostatischen An trieb als Comb-Drive-Antrieb auszubilden. Dessen
Herstellung ist jedoch relativ aufwendig.
-
Die vorliegende Erfindung hat sich
zur Aufgabe gestellt, einen verhältnismäßig einfach
aufgebauten elektrostatischen Antrieb vorzuschlagen, der größere Stellwege
und Stellkräfte
zulässt.
Außerdem soll
ein damit ausgestattetes Ventil vorgeschlagen werden.
-
Gelöst wird diese Aufgabe durch
einen elektrostatischen Antrieb, mit einer ersten Fluidkammer, deren
Wand partiell von einem ersten beweglichen Stellglied gebildet ist
und die mit einem eine oder mehrere Kapillaren aufweisenden Kapillarsystem kommuniziert,
das zwischen mindestens zwei Antriebselektroden angeordnet ist,
und mit einer die erste Fluidkammer ausfüllenden und ein Stück weit
in das Kapillarsystem eindringenden ersten Betätigungsflüssigkeit, wobei durch Anlegen
einer Steuerspannung an die Antriebselektroden die Eindringtiefe der
ersten Betätigungsflüssigkeit
bezüglich
des Kapillarsystems veränderbar
ist, sodass sich das Flüssigkeitsvolumen
in der ersten Fluidkammer und somit die Position des ersten Stellgliedes ändert.
-
Die Erfindung wird ferner gelöst durch
ein mit einem derartigen Antrieb ausgestattetes Ventil, wobei das
Stellglied für
den Antrieb eines Ventilgliedes vorgesehen ist und beispielsweise
das Ventilglied unmittelbar bildet.
-
Die Erfindung macht sich den an sich
bekannten Effekt zunutze, wonach eine Flüssigkeit in eine Kapillare
hineingezogen wird, wenn die Kapillare einem elektrischen Feld ausgesetzt
wird. Im Falle der Erfindung ist ein mit einer ersten Fluidkammer kommunizierendes
Kapillarsystem vorgesehen, wobei die Fluidkammer von einem ersten
beweglichen Stellglied begrenzt ist und mit einer ein Stück weit
in das Kapillarsystem eindringenden ersten Betätigungsflüssigkeit gefüllt ist.
Das Kapillarsystem wird zwischen wenigstens zwei Antriebselektroden
platziert, sodass bei Anlegung einer Steuerspannung das erste Betätigungsfluid
in dem Kapillarsystem verlagert wird, was zu einer Änderung
des Flüssigkeitsvolumens
in der angeschlossenen ersten Fluidkammer führt und somit eine Bewegung
des ersten Stellgliedes hervorruft. Durch entsprechende Abstimmung
der Querschnittsverhältnisse
kann hierbei eine hohe Kraftübersetzung
erreicht werden, sodass bereits bei geringen Steuerspannungen hohe
Stellkräfte
erzielbar sind. Außerdem
kann, bei entsprechender Länge
des Kapillarsystems, ein hoher Stellweg für das Stellglied erreicht werden.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
-
Um einen besonders effektiven Antrieb
zu erhalten, verfügt
das Kapillarsystem zweckmäßigerweise über mehrere
parallelgeschaltete Kapillaren, die zweckmäßigerweise nebeneinander und/oder übereinander
angeordnet sind. Dadurch können platzsparend
mehrere Kapillaren gleichzeitig ein und denselben Antriebselektroden
zugeordnet werden, was die Erzeugung besonders hoher Stellkräfte und/oder
Stellwege zulässt.
-
Zu Gunsten einer kompakten Anordnung können die
Kapillaren einen bogenförmigen
Verlauf haben. Es kann dann auf kleinster Fläche eine besonders große Anzahl
von Kapillaren untergebracht werden.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kommuniziert
eine jeweilige Kapillare einenends mit der ersten Fluidkammer und
ist andernends mit einer Beaufschlagungskammer verbunden, in der
ein unter Überdruck
stehendes Beaufschlagungsgas eingeschlossen ist. Bei dem Beaufschlagungsgas
handelt es sich insbesondere um Druckluft. Das Beaufschlagungsgas
beaufschlagt die erste Betätigungsflüssigkeit
in Richtung der ersten Fluidkammer, sodass das zugeordnete erste
Stellglied in eine Grundstellung vorgespannt ist, die bei einem
Ventil beispielsweise die Schließstellung darstellt. Durch
Anlegen der Steuerspannung wird die erste Betätigungsflüssigkeit in das Kapillarsystem
hineingezogen, wobei sich das Flüssigkeitsvolumen
der ersten Fluidkammer reduziert und folglich eine entsprechende
Nachführbewegung
des Stellgliedes stattfinden kann, die im Falle eines Ventils beispielsweise
einen Öffnungsvorgang hervorruft.
-
Von Vorteil ist es dabei, wenn der
gegenseitige Abstand zwischen den beiden Antriebselektroden, und
vorzugsweise auch der Kapillarquerschnitt, in Richtung zur zugeordneten
Beaufschlagungskammer abnimmt. Dies führt zu einer Erhöhung der
vom elektrostatischen Feld hervorgerufenen Zugkräfte, sodass der mit zunehmender
Verdrängung
ansteigende Gegendruck des Beaufschlagungsgases kompensiert werden
kann. Im Falle eines Ventils ermöglicht
dies besonders kurze Schaltzeiten.
-
Bei einer anderen, ebenfalls vorteilhaften Bauform
kommuniziert das Kapillarsystem mit zwei Fluidkammern. Beide Fluidkammern
sind mit jeweils einer Betätigungsflüssigkeit
gefüllt,
die von entgegengesetzten Seiten her in das Kapillarsystem eindringen,
die jedoch unterschiedliche Dielektrizitätszahlen aufweisen. Beim Anlegen
einer Steuerspannung an die Antriebselektroden wird die eine höhere Dielektrizitätszahl aufweisende
Betätigungsflüssigkeit
stärker
in das Kapillarsystem hineingezogen, sodass sie die andere Betätigungsflüssigkeit
verdrängt und
in die dieser zugeordnete Fluidkammer zurückdrückt. Dort vergrößert sich
folglich das Flüssigkeitsvolumen,
wobei das zugeordnete Stellglied zu der gewünschten Stellbewegung veranlasst
wird.
-
Bei einem solchen Aufbau ist es zweckmäßig, in
der jeweiligen Kapillare lokal eine Erweiterung auszubilden, die
eine Kante bildet, welche bei der Erstbefüllung mit den Betätigungsflüs sigkeiten
einen unerwünschten
Weiterfluss und ein mögliches
Vermischen der Flüssigkeiten
verhindert.
-
Ein derartiger Antrieb arbeitet besonders
effektiv, wenn sich die Dielektrizitätszahlen der beiden Betätigungsflüssigkeiten
erheblich unterscheiden.
-
Es ist des Weiteren vorteilhaft,
wenn die Antriebselektroden unmittelbar als Wände für das Kapillarsystem fungieren.
Auf diese Weise sind besonders geringe Abstände zwischen den üblicherweise
plattenartig ausgebildeten Antriebselektroden möglich, sodass sich ein sehr
hohes elektrostatisches Feld ausbilden kann, das in Bezug auf die
in der Kapillare befindliche Flüssigkeit
besonders hohe Zugkräfte
erzeugen kann. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang auch eine
Flachbauweise der Kapillare, wobei Kapillarquerschnitte mit Kanten
vermieden werden sollten, da sonst ein unerwünschtes Kriechen der Arbeitsfluide
entlang der Kapillarecken stattfinden kann.
-
Empfehlenswert ist es, die Antriebselektroden
zumindest dort, wo sie als Wände
für das
Kapillarsystem fungieren, mit einer hydrophoben Materialschicht
zu versehen. Dies kann die Haftung der Flüssigkeit an der Kapillarwandung
reduzieren, woraus höhere
Strömungsgeschwindigkeiten
und folglich schnellere Stellbewegungen resultieren.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der beiliegenden Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen im Einzelnen:
-
1 einen
Längsschnitt
durch eine mögliche
Bauform des erfindungsgemäßen Ventils,
das mit einem besonders zweckmäßig ausgestalteten
erfindungsgemäßen elektrostatischen
Antrieb versehen ist, in einer ersten Schaltstellung des Ventils,
-
2 die
Anordnung aus 1 in einem Längsschnitt
in einer um 90° verdrehten
Schnittebene gemäß Schnittlinie
II-II aus 1,
-
3 einen
Querschnitt durch die Anordnung aus 1 und 2 gemäß Schnittlinie III-III aus 2,
-
4 das
Ventil gemäß 1 bis 3 in einer zweiten Schaltstellung in
einer mit der 1 vergleichbaren
Darstellungsweise,
-
5 ein
weiteres, mit einer abgewandelten Bauform eines elektrostatischen
Antriebes der erfindungsgemäßen Art
ausgestattetes Ventil in einer Teildarstellung im Längsschnitt
und
-
6 das
Ventil aus 5 im Schnitt
mit einer gegenüber 5 um 90° verdrehten Schnittebene gemäß Schnittlinie
VI-VI aus 5.
-
Die in ihrer Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichneten
Ventile sind insbesondere als Mikroventile ausgeführt und
werden durch bekannte Verfahren der Mikrosystemtechnik – beispielsweise
Abformung, Ätzen
oder spanende Mikrofertigung – hergestellt.
-
Das Ventil 1 der 1 bis 4 ist als 3/2-Wegeventil konzipiert.
Im Gegensatz dazu ist das Ventil 1 der 5 und 6 als
2/2-Wegeventil gezeigt.
-
Beide Ventile 1 verfügen über ein
Ventilgehäuse 2,
in dem eine Ventilkammer 3 ausgebildet ist, in die mehrere
Ventilkanäle 4 einmünden. Ein
oder mehrere dieser Ventilkanäle 4 werden
durch eine allgemein mit Bezugsziffer 5 bezeichnete Ventilgliedanordnung
gesteuert. Bei dem Ventil gemäß 1 bis 4 enthält die Ventilgliedanordnung 5 zwei
bewegliche Ventilglieder 5a, 5b, die jeweils zur
Steuerung eines der Ventilkanäle 4 dienen.
Das erste Ventilglied 5a kooperiert mit einem bei pneumatischen
Anwendungen als Entlüftungskanal
ausgebildeten Entlastungskanal 4a, das zweite Ventilglied 5b mit
einem an eine Druckquelle anschließbaren Speisekanal 4b.
Ein dritter, ungesteuerter Ventilkanal 4 repräsentiert
einen Arbeitskanal 4c, der mit einem zu betätigenden
Verbraucher ver bindbar ist, beispielsweise ein durch Fluidkraft
betriebener Antrieb.
-
Die beiden Ventilglieder 5a, 5b sind
alternativ derart ansteuerbar, dass das Ventil 1 wahlweise
die in 1 und 4 gezeigten zwei Schaltstellungen
einnimmt. In der ersten Schaltstellung gemäß 1 ist der Speisekanal 4b durch
das zugeordnete zweite Ventilglied 5b verschlossen, während gleichzeitig das
erste Ventilglied 5a von der Mündung des Entlastungskanals 4a abgehoben
hat und folglich der Arbeitskanal 4c über die Ventilkammer 3 mit
dem Entlastungskanal 4a in Verbindung steht.
-
In der zweiten Schaltstellung gemäß 4 ist das erste Ventilglied 5a an
die Mündung
des Entlastungskanals 4a angelegt, sodass dieser verschlossen
ist. Gleichzeitig ist das zweite Ventilglied 5b von der
Mündung
des zugeordneten Speisekanals 4b abgehoben, sodass nun
dieser über
die Ventilkammer 3 mit dem Arbeitskanal 4c verbunden
ist.
-
In die Ventilkammer 3 des
Ventils gemäß 5 und 6 münden
lediglich zwei Ventilkanäle 4.
Einer davon ist beispielsweise ein Speisekanal 4b, der andere
ein Arbeitskanal 4c. Die Ventilgliedanordnung 5 enthält lediglich
ein einziges Ventilglied 5c, das beim Ausführungsbeispiel
mit der Mündung
des Speisekanals 4b kooperieren kann. Gezeigt ist eine erste
Schaltstellung, bei der das Ventilglied 5c den Speisekanal 4b verschließt und folglich
die Verbindung zum Arbeitskanal 4c unterbrochen hat. In
einer nicht näher
dargestellten zweiten Schaltstellung ist das Ventilglied 5c von
der Mündung
des Speisekanals 4b abgehoben, sodass ein freier Durchfluss
zwischen dem Speisekanal 4b und dem Arbeitskanal 4c möglich ist.
-
Die Ventilglieder 5a, 5b, 5c sind
also in der Lage, jeweils wahlweise eine Offenstellung oder eine Schließstellung
einzunehmen. Bei entsprechender Ausgestaltung des Ventils sind allerdings
auch Zwischenstellungen möglich,
insbesondere zur Realisierung von Proportionalventilen.
-
Die Ventilglieder 5a, 5b, 5c sind
bei den Ausführungsbeispielen
membranartig ausgebildet. Sie sind jeweils Bestandteil einer im
Ventilgehäuse 2 fixierten
Ventilgliedmembran 6. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 bildet die Ventilgliedmembran 6 mit
unterschiedlichen Flächenabschnitten
gleichzeitig beide membranartige Ventilglieder 5a, 5b.
Die Ventilglieder 5a, 5b können alternativ auch individuelle
Bauteile sein. Auch können
sie jeweils kolbenartig ausgebildet sein.
-
Für
die Betätigung
der Ventilgliedanordnung 5 ist jedes Ventil 1 mit
einem in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 7 bezeichneten
elektrostatischen Antrieb ausgestattet. Dieser verfügt zur Betätigung jedes
Ventilgliedes 5a, 5b, 5c über ein
relativ zum Ventilgehäuse 2 bewegliches
Stellglied 8. Das Stellglied 8 ist mit dem zugeordneten
Ventilglied antriebsmäßig gekoppelt,
was bei den Ausführungsbeispielen
dadurch realisiert ist, dass das Stellglied 8 und das zugeordnete
Ventilglied 5a, 5b, 5c als Baueinheit
ausgeführt
sind. Mit anderen Worten bildet das Stellglied 8 jeweils
unmittelbar das zugeordnete Ventilglied 5a, 5b, 5c.
-
Bei den Ausführungsbeispielen ist das jeweilige
Stellglied 8 folglich membranartig ausgebildet.
-
Der elektrostatische Antrieb 7 verfügt über ein
Antriebsgehäuse 12,
das bei den Ausführungsbeispielen
in Baueinheit mit dem Ventilgehäuse 2 ausgebildet
ist. Eine gesonderte Bauform wäre
ebenfalls möglich.
Letzteres insbesondere in Fällen,
bei denen der Antrieb 7 abweichend von den Ausführungsbeispielen
nicht in das Ventilgehäuse 7 integriert,
sondern lediglich angebaut ist.
-
Der elektrostatische Antrieb 7 ermöglicht aufgrund
seines vorteilhaften Aufbaues die Erzeugung relativ großer Stellwege
und Stellkräfte
der Stellglieder 8. Dadurch können Ventile mit hohem Durchfluss
konzipiert werden, außerdem
lassen sich, weil entsprechende hohe Schließkräfte erzeugbar sind, hohe Fluiddrücke beherrschen.
-
Abweichend vom Ausführungsbeispiel
lässt sich
der elektrostatische Antrieb 7 auch für sonstige Zwecke einsetzen,
bei de nen mittels eines Stellgliedes eine Komponente bewegt und/oder
positioniert werden soll. Die weitere Beschreibung orientiert sich allerdings
an einem bevorzugten Einsatz auf dem Ventilsektor.
-
Im Folgenden sei zunächst näher auf
die Anordnung gemäß 1 bis 4 eingegangen.
-
Entsprechend der vorhandenen Zweizahl von
Ventilgliedern 5a, 5b enthält der elektrostatische Antrieb 7 zwei
exemplarisch membranartige Stellglieder 8, die als erste
und zweite Stellglieder 8a, 8b bezeichnet seien.
Dem ersten Stellglied 8a ist eine erste Fluidkammer 13a,
dem zweiten Stellglied 8b eine zweite Fluidkammer 13b zugeordnet.
Größtenteils werden
die beiden Fluidkammern 13, 13b vom Antriebsgehäuse 12 begrenzt.
Darüber
hinaus verfügen sie
jedoch über
einen beweglichen Wandabschnitt, der vom zugeordneten ersten bzw.
zweiten Stellglied 8a, 8b gebildet ist.
-
Das Aufnahmevolumen der beiden Fluidkammern 13a, 13b ist
folglich veränderlich
und hängt mit
der momentanen Stellung des zugeordneten Stellgliedes 8a, 8b zusammen.
-
Die beiden Fluidkammern 13a, 13b kommunizieren
gemeinsam mit einem Kapillarsystem 14, das beim Ausführungsbeispiel
mehrere parallelgeschaltete Kapillaren 15, also Kanäle mit sehr
geringem Durchmesser, aufweist. Jede Kapillare 15 kommuniziert einenends
mit der ersten Fluidkammer 13a und andernends mit der zweiten
Fluidkammer 13b.
-
Bevorzugt verlaufen die Kapillaren 15 in
einer gemeinsamen Ebene, wobei sie nebeneinander angeordnet sind
und untereinander einen identischen Verlauf haben. Beim Ausführungsbeispiel
der 1 bis 4 erstrecken sie sich geradlinig
zwischen den beiden auf gleicher Höhe angeordneten Fluidkammern 13a, 13b.
-
Die erste Fluidkammer 13a ist
mit einer ersten Betätigungsflüssigkeit 16a gefüllt, die
auch ein Stück
weit in das Kapillarsystem 14 bzw. die einzelnen Kapillare 15 eindringt.
In vergleichbarer Weise befindet sich in der zweiten Fluidkammer 13b eine zweite
Betätigungsflüssigkeit 16b,
die vom entgegengesetzten Ende her ebenfalls in die Kapillare 15 eindringt.
Die Fluidkammern 13a, 13b werden von der jeweiligen
ersten bzw. zweiten Betätigungsflüssigkeit 16a, 16b vollständig ausgefüllt. Da
die Stellglieder 8a, 8b unter Abdichtung am Antriebsgehäuse 12 fixiert
sind, wird die Betätigungsflüssigkeit 16a, 16b sicher
in der jeweiligen Fluidkammer 18a, 18b zurückgehalten.
-
Um die oben geschilderte Betätigung des Ventilglieds 1 vornehmen
zu können,
ist dem Kapillarsystem 14 eine insgesamt mit Bezugsziffer 17 bezeichnete
Elektrodenanordnung zugeordnet, die über wenigstens zwei in zueinander
parallelen Ebenen angeordnete und rechtwinkelig zur Ausdehnungsebene
mit Abstand zueinander angeordnete Antriebselektroden 18, 19 verfügt. Diese
Antriebselektroden 18, 19 sind so platziert, dass
sie das Kapillarsystem 14 mit seinen Kapillaren 15 an
entgegengesetzten Längsseiten
flankieren und mithin das Kapillarsystem 14 zwischen den
beiden Antriebselektroden 18, 19 angeordnet ist.
-
Wie aus 3 ersichtlich ist, verläuft die Ausdehnungsebene
der bevorzugt plattenartigen Antriebselektroden 18, 19 zweckmäßigerweise
parallel zu der strichpunktiert angedeuteten Ausdehnungsebene 22 des
Kapillarsystems 14. Dies ermöglicht es, die Antriebselektroden 18, 19 mit
sehr geringem Abstand zueinander anzuordnen. Begünstigt wird dies weiter dadurch,
dass die Kapillaren 15 jeweils einen flachen Querschnitt
haben und so platziert sind, dass ihre beiden größeren Seitenflächen jeweils
einer der beiden Antriebselektroden 18, 19 zugeordnet
sind.
-
Die beiden Antriebselektroden 18, 19 stehen mit
Anschlussmitteln 23 in Verbindung, die an sie das Anlegen
einer Steuerspannung ermöglichen.
Wird eine solche Steuerspannung angelegt, bildet sich zwischen den
beiden Antriebselektroden 18, 19 ein elektrostatisches
Feld aus, das umso stärker
ist, je näher
die Antriebselektroden 18, 19 zueinander angeordnet
sind.
-
Bei der in 1 gezeigten ersten Schaltstellung des
Ventils 1 befindet sich der elektrostatische Antrieb 7 im
deaktivierten Zustand, bei dem an den Antriebselektroden 18, 19 keine
Steuerspannung anliegt. Dieser deaktivierte Zustand zeichnet sich
ferner dadurch aus, dass die zweite Betätigungsflüssigkeit 16b weniger
weit als die erste Betätigungsflüssigkeit 16a in
das Kapillarsystem 14 eingedrungen ist bzw. hineinragt.
Der Trennbereich 24, an dem sich die in das Kapillarsystem 14 eingedrungenen
Flüssigkeitsbestandteile
der beiden Betätigungsflüssigkeiten 16a, 16b mit
ihren einander zugewandten Stirnflächen gegenüberliegen, liegt hier also
wesentlich näher
zur zweiten Fluidkammer 13b als zur ersten Fluidkammer 13a.
-
Zu erwähnen ist an dieser Stelle noch,
dass in dem Trennbereich 24 keine Trennwand zwischen den
Flüssigkeitsbestandteilen
vorgesehen ist. Aufgrund des geringen Querschnittes der Kapillaren 15 und
der Oberflächenspannung
der Flüssigkeiten
wird auch ohne physikalische Trennung ein Durchmischen der beiden
Betätigungsflüssigkeiten 16a, 16b weitgehend
ausgeschlossen.
-
Die beiden Betätigungsflüssigkeiten 16a, 16b sind
nicht identisch. Zweckmäßigerweise
haben sie eine relativ geringe Viskosität, um das Strömungsverhalten
zu begünstigen.
Sie unterscheiden sich jedoch wesentlich in ihrer Polarität, indem
die zweite Betätigungsflüssigkeit 16b eine
wesentlich höhere
Die lektrizitätszahl
aufweist als die erste Betätigungsflüssigkeit 16a.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Antriebskonzept
wird der physikalische Effekt ausgenutzt, wonach eine Flüssigkeit
in eine Kapillare hineingezogen wird, wenn sie innerhalb dieser
Kapillare einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Durch die Anordnung der
Antriebselektroden 18, 19 ist gewährleistet,
dass beim Anlegen der Steuerspannung beide in die Kapillare 15 eingedrungene
Flüssigkeitsbestandteile
vom erzeugten elektrostatischen Feld durchsetzt werden. Somit werden
beide Flüssigkeitsbestandteile
im Sinne eines Hineinziehens in die zugeordnete Kapillare 15 beaufschlagt.
-
Aufgrund der höheren Dielektrizitätszahl wird jedoch
die zweite Betätigungsflüssigkeit 16b stärker in
das Kapillarsystem 14 hineingezogen als die erste Betätigungsflüssigkeit 16a.
Letztere wird daher von der zweiten Betätigungsflüssigkeit 16b zurückgedrängt, wobei
der Trennbereich 24 in Richtung zur ersten Fluidkammer 13a wandert
und letztlich die in 4 gezeigte
Position einnimmt.
-
Das Zurückdrängen der ersten Betätigungsflüssigkeit 16a hat
einen Anstieg des Flüssigkeitsvolumens
in der ersten Fluidkammer 13a zur Folge. Aufgrund der Inkompressibilität der Betätigungsflüssigkeit
wird dies durch eine Verlagerung des ersten Stellgliedes 8a gemäß Pfeil 25 kompensiert.
Das erste Stellglied 8a bewegt sich beim Ausführungsbeispiel
in Richtung zur Mündung
des gegenüberliegenden
Entlastungskanals 4a, an der es schließlich zur Anlage gelangt, sodass
die zweite Schaltstellung realisiert ist.
-
Gleichzeitig mit diesem Ausfahren
des ersten Stellgliedes 8a fährt das zweite Stellglied 8b gemäß Pfeil 26 in
entgegengesetzter Richtung ein, entsprechend dem sich verringernden
Flüssigkeitsvolumen
in der zweiten Fluidkammer 13b. Es hebt folglich von der
gegenüberliegenden
Mündung
des Speisekanals 4b ab.
-
Wird der elektrostatische Antrieb 7 durch Entfernen
der Steuerspannung anschließend
wieder deaktiviert, kehren die beiden Stellglieder 8a, 8b aufgrund
ihrer Federelastizität
in die anhand 1 gezeigte
Grundstellung zurück,
wobei die Betätigungsflüssigkeiten 16a, 16b innerhalb
des Kapillarsystems 14 in umgekehrter Richtung als vorstehend
beschrieben ebenfalls in ihre Ausgangsstellung zurückkehren.
Es liegt dann wieder der Zustand gemäß 1 vor.
-
Die vom elektrostatischen Antrieb 7 ausübbaren Stellkräfte sind
umso größer, je
näher die
beiden Antriebselektroden 18, 19 beieinander liegen. Zur
Minimierung des Abstandes ist daher beim Ausführungsbeispiel vorgesehen,
dass die beiden Antriebselektroden 18, 19 unmittelbar
als Wände
für das Kapillarsystem 14 fungieren
und, wie insbesondere aus 3 her vorgeht,
die ihnen zugeordneten Wandabschnitte der einzelnen Kapillaren 15 bilden.
-
Somit kann durch abwechselndes Aktivieren und
Deaktivieren des elektrostatischen Antriebes 7 eine gleichzeitige
gegensinnige Bewegung der beiden Stellglieder 8a, 8b hervorgerufen
werden.
-
Um eine hohe Strömungsgeschwindigkeit innerhalb
der Kapillaren 15 zu begünstigen, sind die Antriebselektroden 18, 19 zumindest
dort, wo sie als Wände
für das
Kapillarsystem 14 fungieren, mit einer hydrophoben Materialschicht
versehen. Diese bewirkt auch eine Isolation und verhindert das Auftreten einer
Elektrolyse.
-
Um insbesondere bei der Erstbefüllung des Fluidsystems
ein unerwünschtes
Vermischen der beiden Betätigungsflüssigkeiten 16a, 16b zu
verhindern, ist in jeder Kapillare 15 lokal eine in 2 in Verbindung mit nur
einer Kapillare strichpunktiert angedeutete Querschnittserweiterung 27 vorgesehen, die
den Weiterfluss der im Einfüllen
befindlichen Betätigungsflüssigkeit
verhindert. Diese Querschnittserweiterung ist insbesondere dort
vorgesehen, wo sich im deaktivierten Zustand des elektrostatischen
Antriebes 7 der Trennbereich 24 zwischen den beiden Betätigungsflüssigkeiten 16a, 16b befindet.
-
An dieser Stelle ist noch zu erwähnen, dass das
Kapillarsystem 14 anstelle einer Mehrzahl von Kapillaren 15 auch
nur eine Kapillare aufweisen kann. Durch die Mehrzahl von Kapillaren 15 besteht jedoch
die Möglichkeit,
das zu verdrängende
Fluidvolumen und somit den erzeugbaren Stellweg erheblich zu vergrößern.
-
Im Folgenden sei die Ausführungsform
der 5 und 6 näher beleuchtet. Diese unterscheidet sich
von der soeben erläuterten
insbesondere dadurch, dass ein Stellglied, eine Fluidkammer und
eine zugehörige
Betätigungsflüssigkeit
nur jeweils einfach vorhanden sind, wobei die entsprechenden Komponenten
als erstes Stellglied 8a, erste Fluidkammer 13a und
erste Betätigungsflüssigkeit 16a bezeichnet seien.
Wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel hat die erste
Fluidkammer 13a wiederum zweckmäßigerweise einen kreisförmigen Umriss.
-
Die erste Fluidkammer 13a kommuniziert wiederum
mit einem Kapillarsystem 14, das aus mehreren Kapillaren 15 besteht,
die jeweils einenends mit der ersten Fluidkammer 13a verbunden
sind. Abweichend zur Ausführungsform
gemäß 1 bis 4 kommunizieren die Kapillaren 15 andernends
jedoch nicht mit einer weiteren Fluidkammer 13b, sondern jeweils
mit einer Beaufschlagungskammer 28, in der sich ein unter Überdruck
stehendes Beaufschlagungsgas 32 befindet. Bevorzugt wird
Druckluft als Beaufschlagungsgas verwendet.
-
Wie beim Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 dringt die erste Betätigungsflüssigkeit 16a ein
Stück weit
in die Kapillaren ein. Sie wird dort vom Druck des Beaufschlagungsgases
im Sinne eines Zurückdrängens in
die erste Fluidkammer 13a beaufschlagt, sodass das Flüssigkeitsvolumen
in der ersten Fluidkammer 13a das aus 5 ersichtliche Maximum einnimmt, wobei
das erste Stellglied 8a an die Mündung des zu steuernden Speisekanals 4b angedrückt ist.
-
Wie beim anderen Ausführungsbeispiel
befindet sich das Kapillarsystem 14 zwischen zwei Antriebselektroden 18, 19 einer
Elektrodenanordnung 17, die mit Anschlussmitteln 23 zum
Anlegen einer Steuerspannung verbunden sind.
-
Wird ausgehend von dem in 5 gezeigten deaktivierten
Zustand eine Steuerspannung angelegt, ruft dies ein Hineinziehen
der ersten Betätigungsflüssigkeit 16a in
die Kapillaren 15 hervor, wobei das Beaufschlagungsgas 32 komprimiert
wird. Dies bewirkt eine Reduzierung des Flüssigkeitsvolumens in der ersten
Fluidkammer 16a mit der Folge, dass sich das erste Stellglied 8a gemäß Pfeil 26 verlagert
und vom zuvor abgesperrten Speisekanal 4b abhebt.
-
Entfernt man anschließend die
Steuerspannung wieder, wird die erste Betätigungsflüssigkeit 16a durch
das sich erneut ausdehnende Beaufschlagungsgas 32 in, die
Grundstellung gemäß 5 zurückgedrängt, mit gleichzeitigem Ausfahren
des ersten Stellgliedes 8a.
-
Das Kapillarsystem 14 ist
zweckmäßigerweise
konzentrisch um die erste Fluidkammer 13a verteilt, wie
dies aus 6 gut ersichtlich
ist. Dabei könnten
die einzelnen Kapillare 15 prinzipiell jeweils rein radial
abgehen. Bevorzugt verfügen
die Kapillaren 15 jedoch über einen bogenförmigen und/oder schweifartigen
Verlauf mit untereinander insbesondere gleicher Krümmung, was
es ermöglicht,
die gleiche Kapillarlänge
in einer geringeren Grundfläche unterzubringen.
-
Im Zusammenhang mit der konzentrischen Anordnung
des Kapillarsystems ist es auch von Vorteil, wenn die Antriebselektroden 18, 19 ringförmig ausgebildet
sind und die erste Fluidkammer 13a konzentrisch umschließen.
-
Abweichend von der geschilderten
Bauform kann den Kapillaren 15 anstelle individueller Beaufschlagungskammern 28 insgesamt
oder gruppenweise auch eine gemeinsame Beaufschlagungskammer zugeordnet
sein.
-
Die 5 illustriert
noch die vorteilhafte Maßnahme,
den gegenseitigen Abstand zwischen den beiden Antriebselektroden 18, 19 in
Richtung zu den Beaufschlagungskammern 28 abnehmend zu gestalten.
Erreichen lässt
sich dies beispielsweise durch eine Schrägstellung einer oder beider
ringscheibenförmiger Antriebselektroden 18, 19.
Dienen die Antriebselektroden 18, 19 zur Bildung
der Wände der
Kapillaren 15, hat dies gleichzeitig eine Verjüngung der
Kapillarquerschnitte zur Folge. Durch die geschilderte Maßnahme wird
erreicht, dass die im aktivierten Zustand erzeugte Feldstärke mit
zunehmender Annäherung
an die Beaufschlagungskammer 28 zunimmt, sodass auch die
auf die erste Betätigungsflüssigkeit 16a einwirkenden
Betätigungskräfte ansteigen.
Dadurch kann der beim Komprimieren ansteigende Gegendruck des Beaufschlagungsgases 32 kompensiert
werden.
-
In 1 und 4 sind bei 33 noch
mit den Fluidkammern 13a, 13b kommunizierende
Füllkanäle angedeutet, über die
die Betätigungsflüssigkeit 16a, 16b bei
der Herstellung des Antriebes 7 eingefüllt werden kann und die anschließend dicht
verschlossen werden. Man hat beim Befüllen auch die Möglichkeit,
eine Druckvorspannung einzustellen, um bei einem Einsatz auf dem
Ventilsektor die geforderte Druckdichtigkeit in der Schließstellung
zu gewährleisten.