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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die
Erfindung betrifft allgemein Ventile zum Steuern einer Flüssigkeitsströmung
in einem hydraulischen oder pneumatischen System. Insbesondere betrifft
die Erfindung ein verbessertes Mikroventilgerät.
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Ventile
werden weitverbreitet zum Steuern der Strömung einer druckbeaufschlagten
Flüssigkeit aus einer Quelle an ein Ladegerät
oder von einem Ladegerät zu einer Druckentlüftung
eingesetzt. Häufig wird dazu eine Pumpe oder ein anderes
Gerät als Quelle der druckbeaufschlagten Flüssigkeit
bereitgestellt. Die Strömung der Flüssigkeit wird
durch ein Ventil selektiv kontrolliert, um den Betrieb des Ladegeräts
zu regeln.
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Eine
Art von Ventil ist ein Mikroventil. Ein Mikroventilsystem ist ein
Mikro-Elektro-Mechanisches System (MEMS), das im Allgemeinen den
elektromechanischen Halbleitergeräten zuzuordnen ist.
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MEMS
ist eine Klasse von Systemen, die eine physikalisch kleine Baugröße
aufweisen, mit Merkmalen an Größenordnungen im
Mikrometerbereich. Ein MEMS-Gerät ist ein Gerät,
das zumindest teilweise einen Bestandteil eines solchen Systems
bildet. Diese Systeme weisen sowohl elektrische als auch mechanische
Komponenten auf. Der Begriff ”Mikrobearbeitung” hat
die weitläufige Bedeutung der Herstellung dreidimensionaler Strukturen
und beweglicher Teile der MEMS-Geräte.
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MEMS
setzte ursprünglich modifizierte, integrierte Schaltungen
(Computerchip), Herstellungsverfahren (wie z. B. chemisches Ätzen)
und Materialien (wie z. B. Silicium-Halbleitermaterial) zur Mikrobearbeitung dieser
sehr klein gehaltenen mechanischen Geräte ein. Heutzutage
stehen weit mehr Mikrobearbeitungsverfahren und -materialien zur
Verfügung.
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Der
Begriff ”Mikroventil” wie hier angewendet, bedeutet
ein Ventil mit den Merkmalen einer Größenordnung
im Mikrometerbereich und wird daher definitionsgemäß wenigstens
teilweise durch Mikrobearbeitung gebildet. Der Begriff ”Mikroventilgerät” wie
hier angewendet, bedeutet ein Gerät, das ein Mikroventil
enthält und kann ande re Komponenten miteinschließen.
Es wird darauf hingewiesen, dass falls andere Komponenten als ein
Mikroventil im Mikroventilgerät enthalten sind, diese anderen
Komponenten mikrobearbeitete Komponenten oder Komponenten der Standardgröße
(größer) sind.
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Es
wurden verschiedene Mikroventilgeräte zur Kontrolle der
Flüssigkeitsströmung innerhalb eines Flüssigkeitskreislaufs
vorgeschlagen. Ein typisches Mikroventilgerät enthält
ein verschiebbares Glied oder ein Ventil, das beweglich auf einem
Körper gelagert und für eine Bewegung zwischen
einer geschlossenen Position und einer vollständig offenen
Position mit einem Betätigungsglied wirkverbunden ist.
Bei einer geschlossenen Position blockiert oder schließt
das Ventil eine erste Flüssigkeitsöffnung, die
in Flüssigkeitskommunikation zu einer zweiten Flüssigkeitsöffnung
steht, wodurch verhindert wird, dass Flüssigkeit zwischen
den Flüssigkeitsöffnungen strömen kann.
Bewegt sich das Ventil von der geschlossenen Position zur vollständig
geöffneten Position wird es der Flüssigkeit zunehmend
ermöglicht, zwischen den Flüssigkeitsöffnungen
zu strömen.
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Eine
Art von Mikroventil ist das Mikroschieberventil. Das Mikroschieberventil
besteht normalerweise aus einem Hauptventilkörper, der
in einer Zwischenschicht eines Multischicht-Ventilgehäuses
gebildeten Kammer angeordnet ist. Eine Vielzahl an Öffnungen
durch die Lagen des Gehäuses stellt eine Flüssigkeitsverbindung
mit der Kammer bereit. Der Hauptventilkörper ist in der
Kammer beweglich, um eine Flüssigkeitsverbindung durch
die Kammer durch Blockieren bestimmter Öffnungen je nach
gewünschtem Ergebnis selektiv zu ermöglichen.
Während dem Betrieb wird ein Differenzialdruck über
dem Hauptventilkörper ausgeübt, um den Hauptventilkörper
in die gewünschte Position zu bewegen. Normalerweise wird
der Differenzialdruck durch ein Vorsteuerventil geregelt.
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Eine
weitere Art von Mikroventil, das oftmals als Vorsteuerventil eingesetzt
wird, besteht aus einem Träger, der elastisch an einem
Ende des Körpers gelagert ist. Während dem Betrieb
zwingt ein Betätigungsglied den Träger dazu, sich
um das gelagerte Ende des Trägers zu biegen. Um den Träger
zu biegen, muss das Betätigungsglied eine Kraft erzeugen,
die ausreichend ist, um die mit dem Träger verbundene Federkraft zu
bewältigen. In der Regel erhöht sich die zum Biegen
oder Verlagern des Trägers durch das Betätigungsglied benötigte
Leistungskraft mit zunehmendem Verlagerungsbedarf des Trägers.
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Zusätzlich
zum Erzeugen einer Kraft, die ausreichend ist, um die mit dem Träger
verbundene Federkraft zu bewältigen, muss das Betätigungsglied
eine Kraft erzeugen, die in der Lage ist die Kräfte der
Flüssigkeitsströmung am Träger zu bewältigen,
die der beabsichtigten Verlagerung des Trägers entgegenwirken.
Diese Kräfte der Flüssigkeitsströmung
erhöhen sich im Allgemeinen, während die Strömungsrate
durch die Flüssigkeitsöffnungen zunimmt.
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Der
Durchsatzkraftbedarf des Betätigungsglieds als solcher
und sinngemäß die Größe des
Betätigungsglieds sowie die Kraft, die zum Antrieb des
Betätigungsglieds erforderlich ist, muss erhöht
werden, während der Verlagerungsbedarf des Trägers
zunimmt und/oder während der Flüssigkeitsratenbedarf
durch die Flüssigkeitsöffnungen zunimmt.
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Eine
spezifische Art eines Mikroventilsystems ist das vorgesteuerte Mikroventil.
Normalerweise enthält ein solches Mikroventilgerät
ein Mikroschieberventil, das durch ein Mikroventil der oben beschriebenen
Art vorgesteuert wird.
US-Patente
6,494,804 ,
6,540,203 ,
6,647,722 ,
6,694,998 ,
6,755,761 ,
6,845,962 und
6,994,115 beschreiben vorgesteuerte
Mikroventile, deren Offenbarungen hier unter Verweisnahme eingeschlossen
sind.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein verbessertes Mikroventilgerät zur
Steuerung einer Flüssigkeitsströmung in einem
hydraulischen oder pneumatischen System.
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Das
Mikroventilgerät enthält ein Mikroschieberventil,
das durch Differenzialdruck über das Ventil bewegbar ist.
Bei einer Ausführungsform enthält das Mikroschieberventil
einen Steuerkolben, der in einer Kammer angeordnet ist. Ein erstes
Flüssigkeitsvolumen unter Steuerdruck ist zwischen einem
ersten Schieberventil und einem ersten Kammerende angeordnet. Ein
zweites Flüssigkeitsvolumen unter Referenzdruck ist zwischen
einem zweiten Schieberventil und einem zweiten Kammerende angeordnet.
Aufgrund einer gleichlaufenden Drosselwirkung des Schieberventils
variiert der Referenzdruck bei einer Variation der Position des Schieberventils.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Mikroschieberventil
einen Steuerkolben, der sich als Reaktion auf einen durch ein Vorsteuerventil
eingestellten Führungsdruck bewegt. Ein Querschnitts-Strömungsbereich
einer Öffnung des Mikroschieberventils verändert
sich proportional zur Betätigung des Vorsteuerventils.
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Verschiedene
Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden dem Fachmann auf dem
Gebiet anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform angesichts der beigefügten Zeichnungen
ersichtlich.
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KURZDARSTELLUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht auf ein Mikroventilgerät gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine Querschnitts-Ansicht des Mikroventilgeräts entlang
der Linie 2-2 nach 1.
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3 ist
eine schematische Ansicht eines Flüssigkeitkreislauf-Schaltbilds,
einschließlich des Mikroventilgeräts nach 1;
das Mikroventilgerät ist in einer funktionellen schematischen
Ansicht dargestellt.
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4 ist
eine Draufsicht auf das Mikroventilgerät nach 1,
das in einer geöffneten Position dargestellt ist.
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5 ist
eine Draufsicht auf das Mikroventilgerät nach 1,
das in einer Zwischenposition dargestellt ist.
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6 ist
eine Draufsicht auf das Mikroventilgerät nach 1,
das in einer geschlossenen Position dargestellt ist.
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7 ist
eine Querschnitts-Ansicht entlang der Linie 7-7 des Mikroventilgeräts
nach 4.
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8 ist
eine Querschnitts-Ansicht entlang der Linie 8-8 des Mikroventilgeräts
nach 5.
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9 ist
eine Querschnitts-Ansicht entlang der Linie 9-9 des Mikroventilgeräts
nach 6.
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10 ist
eine schematische Ansicht eines Flüssigkeitskreislauf-Schaltbilds,
einschließlich des Mikroventilgeräts nach 4;
das Mikroventilgerät ist in einer funktionellen schematischen
Ansicht dargestellt.
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11 ist
eine schematische Ansicht eines Flüssigkeitskreislauf-Schaltbilds,
einschließlich des Mikroventilgeräts nach 5;
das Mikroventilgerät ist in einer funktionellen schematischen
Ansicht dargestellt.
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12 ist
eine schematische Ansicht eines Flüssigkeitskreislauf-Schaltbilds,
einschließlich des Mikroventilgeräts nach 6;
das Mikroventilgerät ist in einer funktionellen schematischen
Ansicht dargestellt.
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13 ist
eine Diagrammdarstellung des linearen Verhältnisses zwischen
dem Steuerweg und der angewandten Leistung.
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14 ist
eine Diagrammdarstellung des linearen Verhältnisses zwischen
dem Steuerkolbenweg und dem Steuerweg.
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15 ist
eine Diagrammdarstellung des linearen Verhältnisses zwischen
dem Hauptöffnungsbereich und dem Steuerkolbenweg bei einem
ausgerichteten, normal geöffneten Ventil.
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16 ist
eine Diagrammdarstellung des linearen Verhältnisses zwischen
dem Hauptöffnungsbereich und dem Steuerkolbenweg bei einem
ausgerichteten, normal geschlossenen Ventil.
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17 ist
eine Diagrammdarstellung des linearen Verhältnisses zwischen
dem Hauptöffnungsbereich und dem Steuerkolbenweg bei einem überlappten,
normal geöffneten Ventil.
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18 ist
eine Diagrammdarstellung des linearen Verhältnisses zwischen
dem Hauptöffnungsbereich und dem Steuerkolbenweg bei einem überlappten,
normal geschlossenen Ventil.
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19 ist
eine Diagrammdarstellung des linearen Verhältnisses zwischen
dem Hauptöffnungsbereich und dem Steuerkolbenweg bei einem
untergelegten, normal geöffneten Ventil.
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20 ist
eine Diagrammdarstellung des linearen Verhältnisses zwischen
dem Hauptöffnungsbereich und dem Steuerkolbenweg bei einem
untergelegten, normal geschlossenen Ventil.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter
Bezugnahme der Zeichnung wird in 1, 2 und 3 ein
allgemein mit 10 angezeigtes Mikroventilgerät
dargestellt gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Es sollte beachtet werden, dass Elemente
mit ähnlicher Struktur und Funktion in allen Figuren mit ähnlichen
Bezeichnungen (Referenznummern) markiert sind. Es wird darauf hingewiesen,
dass 3 keine Schnittansicht des Mikroventilgeräts 10 darstellt,
sondern eher eine funktionelle schematische Ansicht ist; wobei die
Kreuzschraffur zur Verdeutlichung der Zeichnung dient. Die nachfolgend
erörterten 10, 11 und 12 sind ähnliche
funktionelle schematische Ansichten und gelten nicht als Querschnitte
des physikalischen Geräts.
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Das
Gerät 10 umfasst ein allgemein mit 12 bezeichnetes
vorgesteuertes Mikroschieberventil. Wie am besten in 2 dargestellt,
enthält das Mikroschieberventil 12 eine Oberschicht 14,
eine Zwischenschicht 16 und eine Unterschicht 18,
die dermaßen miteinander wirken, um einen Körper 19 zu
bilden. Die Begriffe ”Ober-” und ”Unter-” werden
zu Zwecken der Einfachheit bei der Beschreibung der Figur verwendet,
in der diese zuerst verwendet werden (in diesem Fall 2)
und stellen keine Einschränkung der Orientierung der beanspruchten
Erfindung im Gebrauch dar. Obwohl nur drei Schichten 12, 14 und 16 dargestellt
sind, können ferner zusätzliche Schichten zum
Einsatz in einem MEMS-Gerät gemäß der
vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen werden.
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Die
Unterschicht 18 enthält eine Haupteingangsöffnung 20 und
eine Hauptausgangsöffnung 22. Die Unterschicht 18 enthält
ebenfalls eine Referenzeingangsöffnung 24 und
eine Referenzausgangsöffnung 26 (wie in 1 zu
sehen). Weiterhin enthält die Unterschicht 18 einen
Referenzkanal 28, der auf der Innenfläche der
Unterschicht 18 gebildet wird. Die Unterschicht 18 enthält
ebenfalls eine Führungsöffnung 30.
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Wie
am besten in 3 zu sehen ist, steht die Haupteingangsöffnung 20 mit
einer Zulieferungsquelle 32, wie z. B. einer Pumpe, einem
Akkumulator, oder einem anderen Gerät, das mit Druck beaufschlagte
Flüssigkeit bereitstellt, wie z. B. einer Hochdruckquelle,
in Flüssigkeitsverbindung. Die Referenzeingangsöffnung 24 steht
ebenfalls mit der Zulieferungsquelle 32 in Flüssigkeitsverbindung.
Wie dargestellt, stehen die Haupteingangsöffnung 20,
die Referenzeingangsöffnung 24 und die Zulieferungsquelle 32 miteinander über
eine Zulieferungsleitung 34 in Flüssigkeitsverbindung,
obwohl eine derartige herkömmliche Leitung nicht erforderlich ist
und die Haupteingangsöffnung 20, die Referenzeingangsöffnung 24 und
die Zulieferungs quelle 32 in jeder beliebigen Flüssigkeitsverbindungsanordnung
angeordnet sein können.
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Die
Hauptausgangsöffnung 22 steht mit einem bestimmungsgemäßen
Gerät 36 in Flüssigkeitsverbindung, wie
z. B. einem Flüssigkeitstank oder Flüssigkeitsakkumulator
oder jedem anderen beliebigen bestimmungsgemäßen
Gerät zur selektiven Steuerung einer mit Druck beaufschlagten
Flüssigkeit, wie z. B. einem bestimmungsgemäßen
Niedrigdruckgerät oder einem Niedrigdruckbereich. Es versteht
sich, dass das bestimmungsgemäße Gerät 36 auch
eine Rückführleitung zur Zulieferungsquelle 32 sein
kann. Die Referenzausgangsöffnung 26 steht ebenfalls
mit dem bestimmungsgemäßen Gerät 36 in
Flüssigkeitsverbindung. Wie dargestellt, stehen die Hauptausgangsöffnung 22,
die Referenzausgangsöffnung 26 und das bestimmungsgemäße
Gerät 36 miteinander über eine bestimmungsgemäße
Flüssigkeitsleitung 38 in Flüssigkeitsverbindung,
obwohl eine derartige herkömmliche Leitung nicht erforderlich
ist und die Hauptausgangsöffnung 22, die Referenzausgangsöffnung 26 und
das bestimmungsgemäße Gerät 36 in
jeder beliebigen Flüssigkeitsverbindungsanordnung angeordnet
sein können.
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Ein
oder mehrere Ladegeräte L sind in Flüssigkeitsverbindung
zwischen der Zulieferungsquelle 32 und der Haupteingangsöffnung 20 und/oder
der Hauptausgangsöffnung 22 und dem bestimmungsgemäßen
Gerät 36 platziert. Bei dem Ladegerät
L kann es sich um jegliches flüssigkeitsangetriebene oder
flüssigkeitsregulierte Gerät handeln, das geeignet
ist, eine Flüssigkeitsströmung aufzuweisen, die
durch das Schieberventil 12 gesteuert wird. Es versteht
sich, dass jedes beliebige Ladegerät L dem Schieberventil 12 wahlweise
entweder vor- oder nachgeschaltet sein kann.
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Während
die Unterschicht 18 des Mikroschieberventils 12 mit
einer einzigen Haupteingangsöffnung 20, einer
einzigen Ausgangsöffnung 22, einer einzigen Referenzeingangsöffnung 24 und
einer einzigen Referenzausgangsöffnung 26 dargestellt
ist, versteht es sich jedoch, dass das Mikroschieberventil 12 nach
Wunsch jede beliebige Anzahl an Haupt- und Referenzöffnungen
an jeder beliebigen geeigneten Stelle aufweisen kann. Es kann z.
B. wünschenswert sein, anstelle einer einzigen, größeren Öffnung
zu Zwecken einer vereinfachten, zuverlässigen Herstellung
oder zu Zwecken einer verbesserten Betriebsleistung eine Vielzahl
kleinerer Öffnungen zu bilden, die durch verschiedene Teile
des Mikroschieberventils 12 blockiert und freigegeben werden
können.
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Die
Führungsöffnung 30 steht mit einem Vorsteuerventil 40 (3)
das einen Führungsdruck liefert, in Flüssigkeitsverbindung.
Wie dargestellt, steht das Vorsteuerventil 40 mit der Zulieferungsquelle über
eine Führungszulieferungsleitung 42 in Verbindung.
Das Vorsteuerventil 40 steht ebenfalls mit dem bestimmungsgemäßen
Gerät 36 über eine Flüssigkeitsablass-Führungsleitung 44 in
Verbindung. Bevorzugt, obwohl nicht erforderlich, steht die vorgeschaltete
Seite des Vorsteuerventils 40 in direkter Flüssigkeitsverbindung
mit der nachgeschalteten Seite des Mikroschieberventils 12 und
die nachgeschaltete Seite des Vorsteuerventils 40 steht
in direkter Flüssigkeitsverbindung mit der nachgeschalteten
Seite des Mikroschieberventils 12. Bevorzugt kann das Vorsteuerventil 40 derart
betrieben werden, um der Führungsöffnung 30 eine
selektive Verbindung mit der Zulieferungsquelle 32 und
dem bestimmungsgemäßen Gerät 36 zu
ermöglichen, um alternativ Druckbeaufschlagung und Druckentlastung
bereitzustellen.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform liegt die Position des
Vorsteuerventils 40 proportional zur Leistung, die an einem
Betätigungsglied des Vorsteuerventils 40 anliegt.
Bevorzugt ist das Vorsteuerventil 40 derart angeordnet,
dass die Betätigung progressiv eine Führungszulieferungsöffnung 40a öffnet,
die in Verbindung mit der Führungszuleitungsleitung 42 steht,
während diese auf gleiche und umgekehrte Weise eine Führungsablassöffnung 40b schließt,
die in Flüssigkeitsverbindung mit der Flüssigkeitsablass-Führungsleitung 44 steht.
Eine Führungsentlüftungsöffnung 40c ist
bevorzugt zwischen dieser Führungszulieferungsöffnung 40a und
der Führungsablassöffnung 40b angeordnet.
Die Führungsentlüftungsöffnung 40c steht
mit der Führungsöffnung 30 in Verbindung
und stellt den Druck eines Führungsvolumens 48a als
eine Funktion der Differenz zwischen den vor- und nachgeschalteten
Drücken am Vorsteuerventil 40 ein und reguliert
diese durch Öffnen und Schließen der Führungszulieferungsöffnung 40a und
der Führungsablassöffnung 40b. Bevorzugt
hängt diese Funktion lediglich vom offenen Bereich der
Führungszulieferungsöffnung 40a und der
Führungsablassöffnung 40b und hängt
nicht von beliebigen Druck- oder Strömungsparametern des
Systems ab, obwohl ein solches nicht erforderlich ist.
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Deshalb
steht bei einer bevorzugten Ausführungsform der prozentuale
Bereich, der für die Eingangsreferenzöffnung 24 offen
ist, in direkter Relation zum prozentualen Bereich, der für
die Führungszulieferungsöffnung 40a offen
ist und der prozentuale Bereich, der für die Ausgangsreferenzöffnung 26 offen
ist steht in direkter Relation zum prozentualen Bereich, der für
die Führungsablassöffnung 40b offen ist.
Auf diese Weise wird das Mikroschieberventil 12 bei dieser
Ausführungsform nicht geregelt, um einen Druck oder eine
Strömung einzustellen. Das Mikroschieberventil 12 stellt
einen Querschnitts-Öffnungsbereich ein, der in direkter Relation
zur Position des Vorsteuerventils 40 steht.
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Die
Konfiguration des Mikroventilgeräts 10 ist derart
dargestellt, dass sich bei Einstellung des Führungsdruckvolumens 48a durch
das Vorsteuerventil 40 ein Steuerkolben 54 bewegt,
bis ein Referenzdruckvolumen 48b das Führungsdruckvolumen 48a ausbalanciert
und durch eine Feder 66 eine Kraft ausgeübt wird. Dies
führt zur prozentualen Änderung des offenen Querschnittsbereichs
der Referenzeingangsöffnung 24 und der Referenzausgangsöffnung 26,
die sich in einem direkten Verhältnis zur prozentualen Änderung
im offenen Querschnittsbereich der Steuerzulieferungsöffnung 40a und
der Steuerablassöffnung 40b ändern. Auf
diese Weise repliziert das Mikroschieberventil 12 daher
die Bewegungs- und Positionsänderung des Vorsteuerventils 40 bei
dieser Ausführungsform. Demzufolge bewegt sich das Mikroschieberventil 12 in
einem linearen Verhältnis mit dem Vorsteuerventil 40.
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13 zeigt
eine grafische Darstellung des linearen Verhältnisses zwischen
der Änderung der Position des Vorsteuerventils 40 und
der auf das Vorsteuerventil 40 ausgeübten Kraft.
In 14a stellt ein Diagramm das lineare
Verhältnis zwischen dem Arbeitsweg des Steuerkolbens 54 und
der Änderung der Position des Vorsteuerventils 40 dar. 15 zeigt
ein Diagramm, welches das lineare Verhältnis, im vorliegenden
Beispiel eines ausgerichteten, normal offenen Schieberventils, zwischen
dem Querschnittsbereich der Haupteingangsöffnung 20 und
dem Arbeitsweg des Steuerkolbens 54 dar.
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Weiterhin
versteht es sich, dass es nicht erforderlich ist, die Strömung
der Hauptöffnungen 20 und 22 mit der
Strömung durch die Referenzöffnungen 24 und 26 zu
synchronisieren. Es kann z. B. erwünscht sein, Öffnungen
einer oder mehrerer der Hauptöffnungen 20 und 22 derart
zu versetzen, dass dieses etwas vor oder nach der Steuerung schließt.
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Alternative
Ausführungsformen gemäß der vorliegenden
Erfindung sind normal offene Schieberventile, die sich überlappen
oder untergelegt sind, sowie normal geschlossene Schieberventile,
die miteinander ausgerichtet sind, überlappen oder untergelegt
sind. 16 stellt das lineare Verhältnis
zwischen dem Querschnittsbereich der Hauptöffnung und dem
Arbeitsweg des Steuerkolbens bei einem ausgerichteten, normal geschlossenen
Ventil dar. 17 zeigt ein Diagramm, welches
das lineare Verhältnis zwischen dem Querschnittsbereich
der Hauptöffnung und dem Arbeitsweg des Steuerkolbens bei
einem überlappten, normal offenen Ventil darstellt.
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In 18 stellt
ein Diagramm das lineare Verhältnis zwischen dem Querschnittsbereich
einer Hauptöffnung und dem Arbeitsweg des Steuerkolbens
bei einem überlappten, normal geschlossenen Ventil dar. 19 zeigt
das lineare Verhältnis zwischen dem Querschnittsbereich
einer Hauptöffnung und dem Arbeitsweg des Steuerkolbens
bei einem untergelegten, normal offenen Ventil. Schließlich
stellt 20 das lineare Verhältnis
zwischen dem Querschnittsbereich einer Hauptöffnung und
dem Arbeitsweg des Steuerkolbens bei einem untergelegten, normal
geschlossenen Ventil dar.
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Unter
wiederholter Bezugnahme von 1–3 definiert
die Mittelschicht 16 eine breite und bevorzugt rechtwinklige
Steuerkolbenkammer 48 und eine benachbarte, bevorzugt schmalere
und ebenfalls bevorzugt rechtwinklige Federkammer 49. Die
Steuerkolbenkammer 48 und die Federkammer 49 stehen
miteinander in Flüssigkeitsverbindung.
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Die
Steuerkolbenkammer 48 weist ein erstes benachbartes Ende 50 auf,
das in Flüssigkeitsverbindung zur Federkammer 49 steht.
Die Steuerkolbenkammer 48 weist ebenfalls ein dem ersten
Ende 50 gegenüberliegendes zweites Ende 51 auf.
Jede sich zwischen dem ersten Ende 50 und dem zweiten Ende 51 erstreckende
Wand der Steuerkolbenkammer 48 weist eine Vielzahl nach
außen gerichteter, darin gebildeter Ausnehmungen 52 auf,
deren Zweck nachfolgend beschrieben wird. Die Wand der Steuerkolbenkammer 48 am zweiten
Ende 51 weist eine nach außen gerichtete, daran
angeformte Ausnehmung 53 auf, deren Zweck nachfolgend beschrieben
wird.
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Der
mikrobearbeitete Steuerkolben 54 ist in der Steuerkolbenkammer 48 zwischen
dem ersten und zweiten Ende 50 und 51 der Steuerkolbenkammer 48 untergebracht.
Der Steuerkolben 54 ist zwischen einer ersten Position
benachbart zum ersten Ende 50 der Steuerkolbenkammer 48 (wie
in 4, 7 und 10 dargestellt)
sowie einer zweiten Position benachbart zum zweiten Ende 51 der
Steuerkolbenkammer 48 (wie in 6, 9 und 12 dargestellt)
beweglich.
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Der
Steuerkolben 54 ist im Allgemeinen rechtwinklig ausgeführt.
Der Steuerkolben 54 weist ein erstes Ende (Führungsende) 54a auf,
das dem ersten Ende 50 der Steuerkolbenkammer 48 nächstliegend
angeordnet ist. Das erste Ende 54a des Steuerkolbens 54 kooperiert
mit dem Körper 19, um das Führungsvolumen 48a einer
variablen Größenordnung zwischen dem ersten Ende 54a und
dem ersten Ende 50 der Steuerkolbenkammer 48 zu
definieren. Der Steuerkolben 54 weist ein zweites Ende
(Referenzende) 54b auf, das dem zweiten Ende 51 der
Steuerkolbenkammer 48 nächstliegend angeordnet
ist. Das zweite Ende 54b des Steuerkolbens 54 kooperiert
mit dem Körper 19, um das Referenzvolumen 48b einer
variablen Größenordung zwischen dem zweiten Ende 54b und
dem zweiten Ende 51 des Steuerkolbenkammer 48 zu
definieren. Der Steuerkolben 54 weist ebenfalls einen mittigen
Teilbereich 54c zwischen dem ersten Ende 54a und
dem zweiten Ende 54b auf. Der mittige Teilbereich 54c definiert
einen mittigen Ausschnitt 56, der bevorzugt rechtwinklig
ist. Der mittige Ausschnitt 56 verbleibt mit der Ausgangsöffnung 22 in
allen Positionen des Steuerkolbens 54 in Flüssigkeitsverbindung.
Eine oder mehrere druckausgleichende Mikroentlüftungen 60 des
Steuerkolbens 54 zwischen dem mittigen Ausschnitt 56 und
dem ersten Ende 54a unmittelbar benachbart zum mittigen
Ausschnitt 56 sind, wie dargestellt, definiert. Der Zweck
der Mikroentlüftungen 60 wird nachfolgend beschrieben. Der
Steuerkolben 54 enthält ebenfalls druckausgleichende
Mikroentlüftungen 70 und 72, die der
Referenzeingangsöffnung 24 und der Referenzausgangsöffnung 26 zugeordnet
sind.
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Der
Steuerkolben 54 definiert ebenfalls ein Referenzfenster 68 zwischen
dem mittigen Ausschnitt 56 und dem zweiten Ende 54b des
Steuerkolbens 54. Das Referenzfenster 68 ermöglicht
die selektive Verbindung zwischen der Referenzeingangsöffnung 24,
der Referenzausgangsöffnung 26 und dem Referenzkanal 28.
Speziell ausgedrückt ist das Referenzfenster 68 derart
gelegen, dass das Referenzfenster 68 sowohl mit der Referenzausgangsöffnung 26 als
auch dem Referenzkanal 28 in Flüssigkeitsverbindung
steht und das Referenzfenster 68 steht in keiner Flüssigkeitsverbindung
mit der Referenzeingangsöffnung 24, wenn sich
der Steuerkolben 54 in seiner ersten Position befindet,
wie in 4, 7 und 10 dargestellt.
Das Referenzfenster 68 steht sowohl mit der Referenzeingangsöffnung 24 als
auch dem Referenzkanal 28 in Flüssigkeitsverbindung
und das Referenzfenster 68 steht in keiner Flüssigkeitsverbindung
mit der Referenzausgangsöffnung 26, wenn sich
der Steuerkolben 54 in seiner zweiten Position befindet,
wie in 6, 9 und 12 optimal
dargestellt. Wenn sich der Steuerkolben 54 in einer Zwischenposition
zwischen der ersten und zweiten Position wie in 5, 8 und 11 dargestellt
befindet, steht das Referenzfenster 68 gleichzeitig mit
der Referenzeingangsöffnung 24, der Referenzausgangsöffnung
und dem Referenzkanal 28 in Flüssigkeitsverbindung.
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Der
Steuerkolben 54 weist weiterhin eine Vielzahl von Erhebungen 64 auf,
die an dessen seitlich nach außen gerichteten Wänden
definiert sind, die sich zwischen dem ersten Ende 54a und
dem zweiten Ende 64b erstrecken, wobei jede der Erhebungen 64 mit
einer der korrespondierenden Ausnehmungen 52 ausgerichtet ist,
die in den Wänden der Steuerkolbenaussparung 48 gebildet
sind, wenn sich der Steuerkolben 54 in der ersten Position
befindet. Die Erhebungen 64 sind ausreichend flach, um
den Arbeitsweg des Steuerkolbens 54 innerhalb der Steuerkolbenkammer 48 nicht
zu behindern. Wenn sich der Steuerkolben 54 jedoch außerhalb
der ersten Position befindet, sind die sich nach außen
erstreckenden Erhebungen 64 an des Steuerkolbens 54 nicht
mehr neben den korrespondierenden nach außen erstreckenden
Ausnehmungen 52 angeordnet und weisen deshalb einen verminderten
Abstand gegenüber den restlichen nicht ausgenommenen Innenwänden
der Steuerkolbenkammer 48 auf. Diese Anordnung beschränkt
einen Leckagenweg, der zwischen den seitlichen Außenwänden
des Steuerkolbens 54 und den benachbarten Wänden
der Steuerkolbenaussparung 48 existiert, durch welche Flüssigkeit
zwischen dem ersten Ende 50 und dem zweiten Ende 51 der
Steuerkolbenaussparung 48 strömen könnte,
falls sich der Steuerkolben 54 nicht in seiner zweiten
Position befinden würde.
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Die
Mittelschicht 16 enthält ebenfalls ein Spannelement
in Form einer Feder 66, die in der Federkammer 49 angeordnet
ist. Die Feder 66 verbindet den fixierten Teil der Mittelschicht 16 beweglich
an den Steuerkolbens 54. Die Feder 66 hält
den Steuerkolben 54 in der Steuerkolbenkammer 48 durch
einfaches Handhaben der Mittelschicht 16 während
der Herstellung zurück. Bei einem bevorzugten Arbeitsgang
der Herstellung ist der Steuerkolben 54 und die Feder 66 derart
an der Platte angeformt, welche die Mittelschicht 16 bildet
und die Steuerkolbenkammer 48 sowie die Federkammer 49 definiert.
Bevorzugt wird der Steuerkolben 54 von der Feder 66 zur
ersten Position hin vorgespannt.
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Die
Mikroentlüftungen
60,
70 und
72,
die alle bevorzugt den jeweiligen korrespondierenden Mikrodurchgängen
60a,
70a und
72a zugeordnet
sind, welche die Oberschicht
14.
US-Patent Nr. 6,540,203 mit dem Titel ”Vorgesteuertes
Mikroventilgerät” bilden, dessen Offenbarungen
hierin unter Bezugnahme inkorporiert sind, beschreibt eine ähnliche
Entlüftungs- und Durchgangsanordnung, die zur Verwendung
bei einem Mikroventil geeignet ist, und erläutert den Zweck
des Druckausgleichs von Mikroentlüftungen und Mikrodurchgängen,
die im Allgemeinen beim Ausgleichen der statischen Flüssigkeitsdrücke
zwischen den oberen und unteren Oberflächen des Steuerkolbens
54 im
Bereich der Flüssigkeitsöffnungen behilflich sind,
wenn die Öffnungen durch den Steuerkolben
54 blockiert
werden. Anstelle von Mikrodurchgängen wird für
jede durch die Unterschicht
18 gebildete Öffnung,
die durch den Steuerkolben
54 sein könnte, bei
einer alternativen Ausführungsform eine Flüssigkeitsöffnung
durch die Oberschicht
14 gegenüber der Stelle,
und parallel verbunden mit der korrespondierenden Öffnung
gebildet, die durch die Unterschicht gebildet wird. Bei einer solchen
Anordnung können die durch den Steuerkolben
54 reichenden
Mikroentlüf tungen zwar eliminiert werden, es ist sogar bei
einer solchen Anordnung jedoch möglich, dass Druckunausgeglichenheiten
zeitweilig zwischen einer Öffnung durch die Oberschicht
14 und
die korrespondierende Öffnung in der Unterschicht bestehen,
sodass es von Vorteil sein kann, die durch den Steuerkolben reichenden
Mikroentlüftungen beizubehalten, um dabei behilflich zu
sein, solche Druckunausgeglichenheiten wieder auszugleichen.
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Beim
beispielhaften Gerät 10 handelt es sich beim Mikroschieberventil 12 um
ein vorgesteuertes Mikroschieberventil. Dabei versteht es sich,
dass das Mikroschieberventil 12 auch anders als dargestellt
und beschrieben ausgebildet sein kann. Das in einem illustrativen
Beispiel in 3 dargestellte Mikroschieberventil 12 wird
verwendet, um die Strömung der Flüssigkeit zwischen
der Zulieferungsquelle 32 und dem bestimmungsgemäßen
Gerät 36 zu steuern. Es versteht sich jedoch,
dass das Mikroschieberventil 12 mit anderen beliebigen
Geräten verwendet werden kann, zwischen denen dasselbe
zum Steuern der Strömung der Flüssigkeit durch
Anwendung eines Mikroschieberventils 12 eingesetzt werden
kann.
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Im
illustrierten Beispiel werden die Haupteingangs- und Ausgangsöffnungen 20 und 22 bereitgestellt, um
eine Strömung jeweils in und aus der Kammer 48 durch
den in des Steuerkolbens 54 gebildeten Ausschnitt 56 zu
ermöglichen. Es ist denkbar, dass das Mikroschieberventil 12 auch
mit zusätzlichen Öffnungen gebildet werden kann,
um mehrfache Öffnungen zur Strömung in und aus
der Kammer 48 durch den Ausschnitt 56, oder jeweilige
in des Steuerkolbens 54 gebildete, zusätzliche
Ausschnitte ähnlich der Funktion des Ausschnitts 56 zu
ermöglichen.
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Im
illustrierten Beispiel ist das Mikroschieberventil 12 unter
Anwendung einer ”U-Strömungs-”Anordnung
an der Stelle konfiguriert, an der die Strömung durch die Öffnungen 20, 22, 24 und 26 an
derselben Seite des Ventils 12 auftritt, d. h. durch die
gesamte Unterschicht 18. Die Strömung verläuft
nach oben durch die Eingangsöffnung 20, im Allgemeinen
horizontal durch den Ausschnitt 56 und dann nach unten
durch die Ausgangsöffnung 22, womit diese im Allgemeinen
eine seitenverkehrte U-Form beschreibt. Es versteht sich jedoch,
dass das Mikroschieberventil 12 nach Wunsch unter Anwendung
einer anderen Strömungsanordnung konfiguriert werden kann.
Eine der Eingangs- und Ausgangsöffnungen kann z. B. in
der Oberschicht 14 angeordnet sein, während die
anderen Eingangs- und Ausgangsöffnungen in der Unterschicht 18 angeordnet
sein können, um eine ”Strömungsdurchgangs-”Anordnung
zu bilden. Zusätzlich hierzu kann das Mikroschieberventil 12 mit Öffnun gen
in der Mittelschicht 14 konfiguriert sein, um eine ”Kreuzströmungs-”Anordnung
einzusetzen.
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Beim
Betrieb wird im Referenzfenster 68 gemäß der
Position des Steuerkolbens 54 ein Referenzdruck erzeugt.
Wenn sich der Steuerkolben 54 in der ersten Position (in 4, 7 und 10 dargestellt)
befindet, wird die Referenzeingangsöffnung 24 vollständig
durch den Steuerkolben 54 blockiert und die Referenzausgangsöffnung 26 wird
aus der Verbindung mit dem Referenzfenster 68 vollständig
freigegeben. Dies erzeugt den Referenzdruck im Referenzfenster 68,
um mit dem in der Referenzausgangsöffnung 26 gleichzukommen,
welcher ein Niederdruck ist, da die Referenzausgangsöffnung 26 mit
dem bestimmungsgemäßen Gerät 36 verbunden
ist. Wenn sich der Steuerkolben 54 in der zweiten Position
(in 6, 9 und 12 dargestellt)
befindet, wird die Referenzeingangsöffnung 24 vollständig
vom Steuerkolben 54 freigegeben und die Referenzausgangsöffnung 26 wird
vollständig von der Verbindung mit dem Referenzfenster 68 blockiert. Dies
führt dazu, dass der Referenzdruck im Referenzfenster 68 sich
an den der Referenzeingangsöffnung 24 anpasst,
welcher ein hoher Druck ist, da die Referenzeingangsöffnung 24 mit
der Zulieferungsquelle 32 verbunden ist. Wenn sich der
Steuerkolben 54 zwischen der ersten Position und der zweiten
Position (wie in 5, 8 und 11)
befindet, wird die Referenzeingangsöffnung 24 teilweise
durch den Steuerkolben 54 freigegeben und die Referenzausgangsöffnung 26 wird
teilweise von der Verbindung mit dem Referenzfenster 68 freigegeben.
Dies führt dazu, dass der Referenzdruck im Referenzfenster 68 zwischen
dem der Zulieferungsquelle 42 und dem bestimmungsgemäßen
Gerät 36 proportional zur Anzahl der Bewegungen
aus der ersten Position zur zweiten Position liegt, während
die Eingangsöffnung 24 progressiv freigegeben
und die Referenzausgangsöffnung 26 progressiv
blockiert wird. Während der Steuerkolben 54 von
der ersten Position zu seiner zweiten Position bewegt wird, steigt
daher der Referenzdruck vom Druck des bestimmungsgemäßen Geräts 36 auf
den der Zulieferungsquelle 32 an; während der
Steuerkolben 54 aus der zweiten Position zu seiner ersten
Position bewegt wird, fällt der Referenzdruck auf den Druck
der Zulieferungsquelle 32 auf den des bestimmungsgemäßen
Geräts 36 ab.
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Das
Referenzfenster 68 steht über den Referenzkanal 28 in
ständiger Verbindung mit einer Referenzseite des Steuerkolbens 54 (der
axialen Endfläche des zweiten Endes 54b des Steuerkolbens 54),
sodass der Referenzdruck ständig auf die Referenzseite
des Steuerkolbens 54 ausgeübt wird.
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Vom
Vorsteuerventil 40 wird der Führungsöffnung 30 des
Mikroventilgeräts 10 ein Führungsdruck
bereitgestellt. Die Führungsöffnung 30 steht über
die Federkammer 49 mit dem ersten Ende 50 der
Steuerkolbensausaussparung 48 derart in Verbindung, dass
der Führungsdruck auf die axiale Fläche des ersten
Endes 54a des Steuerkolbens 54 (der ”Führungsseite” des
Steuerkolbens 54) ausgeübt wird. Falls ein durch
das Vorsteuerventil 40 an die Führungsseite des
Steuerkolbens 54 bereitgestellter Führungsdruck
eine Kraft auf den Steuerkolben 54 ausübt, die
höher liegt, als die durch die Feder 66 ausgeübte
Gesamtkraft und die durch den Referenzdruck, der auf die Referenzseite
des Steuerkolbens 54 einwirkt, erzeugte Kraft, bewegt sich
der Steuerkolben 54 weg vom ersten Ende 50 zum
zweiten Ende 51 der Steuerkolbenaussparung 48 hin,
wodurch die Referenzeingangsöffnung 24 geöffnet
und die Referenzausgangsöffnung 26 geschlossen
wird, was zu einem Anstieg des Referenzdrucks führt. Typischerweise übt
die Feder 66 eine relative unerhebliche Kraft aus, sodass
diese praktisch ignoriert werden kann. Bei weiterer Erörterung
wird deshalb auf weitere Bezugnahme auf die von der Feder 66 ausgeübte
Kraft abgesehen. Es ist jedoch festzustellen, dass der Beitrag der
Feder 66 bei bestimmten Anwendungen unter relativ niedrigen
Druckverhältnissen und einer relative starken Feder 66 erheblich
sein könnte und deshalb bei der Steuerung des Mikroventilgeräts 10 evtl.
berücksichtigt werden muss.
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Der
Steuerkolben 54 fährt seinen Arbeitsweg zu seiner
zweiten Position fort, bis die zweite Position erreicht worden ist
oder bis der Referenzdruck auf den gleichen Wert des ausgeübten
Führungsdrucks ansteigt.
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Falls
der Führungsdruck unter dem Referenzdruck liegt, bewegt
sich der Steuerkolben 54 zum ersten Ende 50 der
Steuerkolbenaussparung 48, bis der Steuerkolben 54 seine
erste Position erreicht hat, oder bis der Referenzdruck auf den
gleichen Wert des ausgeübten Führungsdruck abfällt.
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Der
Druck des Steuerkolbens 54 wird ausgeglichen, wenn der
Führungsdruck und der Referenzdruck der Zulieferungsquelle 32 und
des bestimmungsgemäßen Geräts 36 gleichwertig
ist. Der Steuerkolben 54 neigt dazu, in dieser Position
zu verbleiben. Falls der Steuerkolben 54 in eine Position
bewegt wird, die näher an der ersten Position liegt, z.
B. durch Vibration, fällt der Referenzdruck wie oben erwähnt
ab, während der Führungsdruck konstant bleibt.
Dies verursacht eine Druckunausgeglichenheit, welche den Steuerkolben 54 zurück
zur zweiten Position bewegt, bis der Steuerkolben 54 zur
Position des Druckausgleichs zurückkehrt. Offensichtlicherweise
hängt die Position des Druckausgleichs vom Führungsdruck
ab und liegt proportional zu diesem.
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Es
sei angemerkt, dass obwohl das Mikroschieberventil 12 gemäß der
Darstellung in den Zeichnungen derart angeordnet ist, dass die Haupteinlassöffnung 20 stets
geöffnet ist, während die Hauptauslassöffnung 22 proportional
zur Bewegung des Steuerkolbens 54 selektiv geöffnet
und geschlossen ist, das Mikroschieberventil 12 auch derart
angeordnet sein kann, dass die Hauptauslassöffnung 22 stets
geöffnet ist, während die Haupteinlassöffnung 20 proportional
zur Bewegung des Steuerkolbens 54 selektiv geöffnet
und geschlossen ist, oder dass die Haupteinlassöffnung 20 und
die Hauptauslassöffnung 22 beide proportional
zur Bewegung des Steuerkolbens 54 selektiv geöffnet
und geschlossen sein können. Es versteht sich weiterhin,
dass obwohl es im Allgemeinen bevorzugt ist, dass die Haupteinlassöffnung 20 und
die Hauptauslassöffnung 22 beide eine höhere
Breite als die Referenzeinlassöffnung 24 und die
Referenzauslassöffnung 26 aufweisen, die spezifische
Geometrie der Öffnungen je nach bestimmter Anwendung und
nach Bedarf nicht unbedingt gemäß der Darstellung
und Beschreibung gewählt werden können.
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Bei
der illustrierten Ausführungsform des Mikroventilgeräts 10 ist
das Mikroventilgerät 10 ein normalerweise geöffnetes
Ventil. Wenn sich der Steuerkolben 54 in seiner unbetätigten
ersten Position befindet, tritt mit Druck beaufschlagte Flüssigkeit
aus der Zulieferungsquelle 32 in die Eingangsöffnung 20 ein,
strömt durch den Ausschnitt 56 in den Steuerkolben 54,
und strömt dann aus der Ausgangsöffnung 22 zum
bestimmungsgemäßen Gerät 36.
Wird eine reduzierte Strömung gewünscht, führt
das Vorsteuerventil 40 hohen Druck von der Zulieferungsquelle 32 in
die Führungsöffnung 30 des Mikroschieberventils 12.
Dies bewegt den Steuerkolben 54 aus der ersten Position
heraus, wodurch der Steuerkolben 54 damit beginnt, die
Eingangsöffnung 20 progressiv zu bedecken und
die Flüssigkeitsverbindung zwischen der Eingangsöffnung 20 und
dem Ausschnitt 56 zu beschränken, wodurch die
Strömung aus der Zulieferungsquelle 32 zum bestimmungsgemäßen
Gerät 36 reduziert wird. Während sich
die Strömung erhöht, steigt der Referenzdruck
am entgegengesetzten Ende des Steuerkolbens 54 an, während
sich die Referenzeingangsöffnung 24 öffnet
und sich die Referenzausgangsöffnung 26 schließt,
wodurch der zum Fortfahren der Bewegung des Steuerkolbens 54 erforderliche
Führungsdruck erhöht wird. Der Steuerkolben 54 kommt
dabei in einer Position zum Stillstand, bei welcher der eingestellte
Referenzdruck dem neu eingestellten Führungsdruck entspricht.
Ein ähnliches Verfahren kann eingesetzt werden, um die
Strömung dadurch zu erhöhen, dass das Vorsteuerventil 40 den
Führungsdruck durch Ablassen der Flüssigkeit an
das bestimmungsgemäße Gerät 36 reduziert.
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Während
die bevorzugte Ausführungsform in Bezug auf ein normal
geöffnetes Mikroschieberventil in Zusammenhang mit einem
normal geschlossenen Vorsteuerventil beschrieben worden ist, versteht
es sich, dass andere Ausführungsformen der Erfindung ein
normal geschlossenes Mikroschieberventil umfassen kann und eine
Vielzahl von Ausführungsformen entweder ein normal geöffnetes
Mikroschieberventil oder das normal geschlossene Mikroschieberventil
allein oder in Zusammenhang mit einer Vielzahl von Vorsteuerventilen, einschließlich
einem normal geöffneten Vorsteuerventil umfassen können.
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Bevorzugt
ist das Mikroschieberventil 12 ein MEMS-Geräteventil
mit zwei Hauptöffnungen und einem beweglichen Steuerkolben
zum selektiven Blockieren und Ermöglichen einer Verbindung
zwischen den beiden Hauptöffnungen zum Steuern der Strömung
zwischen einer Zulieferungsquelle und einem Ladegerät,
obwohl dies nicht zwingend erforderlich ist. Bevorzugt ist das Mikroschieberventil 12 ein
normal geöffnetes Gerät, wobei sich der Steuerkolben 42 zu
seiner ersten Position bewegt, wenn dieser nicht zu einer anderen
Position dirigiert wird, um den Flüssigkeitsweg durch das
Mikroschieberventil 12 vollständig zu öffnen
und eine Flüssigkeitsverbindung zwischen der Zulieferungsquelle 32 und
dem bestimmungsgemäßen Gerät 36 zu
ermöglichen. Es versteht sich jedoch, dass das Mikroschieberventil 12 auch
anderweitig angeordnet sein kann, wie z. B. als ein normal geschlossenes
Ventil. Das Mikroschieberventil 12 könnte in jeder
beliebigen Weise als ein normal geschlossenes Ventil gebildet sein,
z. B. durch das Versetzen der Eingangsöffnung 20 zwischen
der Ausgangsöffnung 22 und der Referenzausgangsöffnung 26 sodass
die Eingangsöffnung 20 durch den Steuerkolben 54 blockiert
ist, wenn sich der Steuerkolben 54 in seiner ersten Position
befindet und die Eingangsöffnung 20 über
den Ausschnitt 56 in Flüssigkeitsverbindung mit
der Ausgangsöffnung 22 steht, wenn sich der Steuerkolben
in einer anderen als seiner ersten Position befindet.
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Beim
beispielhaften Gerät 10 ist das Vorsteuerventil 40 bevorzugt
ein Proportionalventil, d. h. in einer unbetätigten Position öffnet
das Vorsteuerventil 40 den Arbeitsweg zwischen der Steueröffnung 30 und
dem bestimmungsgemäßen Gerät 36 vollständig
und schließt den Arbeitsweg zwischen der Steueröffnung 30 und der
Zulieferungsquelle 32 vollständig, um den Druck
aus dem ersten Ende 50 der Steuerkolbenaussparung 48 zu
entlasten, wodurch der Referenzdruck den Steuerkolben 54 in
seine erste Position schieben kann. Bei einer vollständig
aktivierten Position öffnet das Vorsteuerventil 40 den
Arbeitsweg zwischen der Steueröffnung 30 und der
Zulieferungsquelle 32 vollständig und schließt
den Arbeitsweg zwischen der Steueröffnung 30 und dem
bestimmungsgemäßen Gerät 36 vollständig,
um den Druck am ersten Ende 50 der Steuerkolbenaussparung 48 zu
erhöhen, wodurch der Steuerkolben 54 aus seiner
ersten Position heraus bewegt wird. Bei einer Position zwischen
den beiden extremen Beträgen an Druck, die dem ersten Ende 50 vom
Vorsteuerventil 40 zugeleitet werden, sind diese proportional
zu dem Signal, das dem Vorsteuerventil 40 zugeführt
wird und zur daraus resultierenden Menge an Betätigung
des Vorsteuerventils 40. Es versteht sich, dass auch andere
Vorsteuerventilanordnungen verwendet werden können, einschließlich
einer ”digitalen” Art von Ventil, wobei die Strömung
an das jeweilige Gerät zwischen an und aus oder geschlossen
und geöffnet geschaltet werden kann.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform haben die Haupteingangöffnung 20,
die Hauptauslassöffnung 22, die Referenzeinlassöffnung 24 und
die Referenzauslassöffnung 26 alle eine gemeinsame
Länge entlang der Richtung, in der sich der Steuerkolben 54 bewegt.
Bevorzugt haben die Referenzeinlassöffnung 24 und
die Referenzauslassöffnung 26 relativ kleine Breiten
im Vergleich zur Haupteinlassöffnung 20 und der
Hauptauslassöffnung 22. Bei dieser bevorzugten
Geometrie ist eine Änderung des Führungsdrucks
durch das Vorsteuerventil 40 ungefähr linear zum
Längenversatz des Steuerkolbens 54 und die Änderung
der Öffnungsgröße der Haupteinlassöffnung 20,
der Hauptauslassöffnung 22, der Referenzeinlassöffnung 24 und
der Referenzauslassöffnung 26 ist ungefähr
linear zur Änderung der Strömung zwischen der
Zulieferungsquelle 32 und des bestimmungsgemäßen
Geräts 36.
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Bei
einem bevorzugten Arbeitsverfahren wird das Vorsteuerventil 40 in
linearer Proportion zur gewünschten Änderung der
Position des Ventils 12 betätigt. Beim bevorzugten
Ablauf wird die Position des Mikroschieberventils 12 derart
eingestellt, um den Querschnittsbereich der Strömungseinschränkung
zu steuern und nicht ein Strömungsvolumen oder einen Druck
direkt zu steuern. Beim bevorzugten Ablauf steht die Bewegung des
Mikroschieberventils 12 in direktem und linearem Zusammenhang
mit der Bewegung des Vorsteuerventils 40. Bei diesem Beispiel
liegt der Zweck des Mikroschieberventils 12 nicht darin,
eine Strömungsrate oder einen Systemdruck einzustellen,
sondern einem Flüssigkeitssystem eine Öffnung
selektierter Größe bereitzustellen. Bei einem
solchen System stellt ein anderes Gerät, wie z. B. ein
verstellbarer Druckspeicher oder eine verstellbare Volumenpumpe,
erwartungsgemäß die Strömungsrate und/oder
den Systemdruck ein, obwohl dies nicht zwingend erforderlich ist.
Der Zweck ist derselbe Zweck, wie bei vielen herkömmlichen
Vorsteuerventi len. Herkömmliche Vorsteuerventile sind jedoch
für viele Anwendungen zu klein. Deshalb ist ein Gerät oder
ein System gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft,
indem bei einem Aspekt ein Verfahren und ein Gerät zum
proportionalen Replizieren der Bewegung eines Steuerstufenventils
in einem Mikroventil mit einer größeren, verstellbaren Öffnung
in Betracht gezogen wird. Es sei ebenfalls bemerkt, dass bei wenigstens
einer Ausführungsform die zur Positionierung des Mikroschieberventils
erforderliche Leistung einzig durch das Flüssigkeitssystem
bereitgestellt wird.
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Die
Verhältnisse zwischen den Strömungsbereichen der
Querschnittsöffnung und dem Systemdruck können
durch die nachfolgenden mathematischen Gleichungen 1 und 3 dargestellt
werden.
wobei P2 der Druck des Führungsvolumens
48a ist,
das durch das Vorsteuerventil
40 eingestellt wird (der Druck
des Referenzvolumens
48b ist ebenfalls P2, plus oder minus
der durch die Feder
66 ausgeübten Kraft, P1 der
Druck der durch die Zulieferungsquelle
32 zur Verfügung
gestellte Flüssigkeit ist, A1 der Querschnitts-Strömungsbereich
der Steuerzulieferungsöffnung
40a ist und A2 der
Querschnittsbereich oder die Steuerablassöffnung
40b ist.
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Die
nachfolgende Gleichung 2 wird durch Umordnung der Gleichung 1 erreicht.
wobei A3 der Querschnitts-Strömungsbereich
der Referenzeinlassöffnung
24 ist und A4 der Querschnittsbereich
oder die Referenzauslassöffnung
26 ist.
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Die
nachfolgende Gleichung 4 wird durch Umordnung der Gleichung 3 erreicht.
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Gleichung
5 zeigt, dass das Verhältnis der Querschnitts-Strömungsbereiche
der Steuerzulieferungsöffnung 40a und der Steuerablassöffnung 40b mit
dem Anteil der Querschnitts-Strömungsbereiche der Referenzeinlassöffnung 24 und
der Referenzauslassöffnung 26 gleichwertig ist.
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung bei wenigstens einem Aspekt ein Mikroventilgerät
zum Steuern einer Flüssigkeitsströmung, einschließlich
eines Körpers, der eine Kammer mit ersten und zweiten Enden definiert.
Der Körper weist eine Einlassöffnung zur Flüssigkeitsverbindung
in die Kammer hinein und eine Auslassöffnung zur Flüssigkeitsverbindung
aus der Kammer heraus auf. Das Mikroventilgerät enthält
ebenfalls ein mikrobearbeitetes Schieberventil mit ersten und zweiten
Enden, die in der Kammer zur Gleitbewegung zwischen einer ersten
Position, welche die Flüssigkeitsströmung von
der Einlassöffnung zur Auslassöffnung ermöglicht
sowie einer zweiten Position, welche die Flüssigkeitsströmung
von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung beschränkt,
angeordnet. Das Schieberventil wird durch Differenzialdruck über
dem Schieberventil zwischen einem ersten Volumen der Flüssigkeit
bei einem Steuerdruck positioniert, der sich zwischen dem ersten Ventilende
und dem ersten Ende der Kammer befindet, sowie einem zweiten Volumen
der Flüssigkeit bei einem Referenzdruck, der sich zwischen
dem zweiten Ventilende und dem zweiten Ende der Kammer befindet, wobei
der Referenzdruck durch die Änderung der Position des Schieberventils
verändert wird.
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Diese
Erfindung betrifft ebenfalls ein normal geöffnetes Mikroventilgerät,
einschließlich einem Körper, der eine Steuerkolbenaussparung
mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, einer Einlassöffnung,
die mit der Steuerkolbenaussparung in Verbindung steht, einer Auslassöffnung,
einer Führungsöffnung, die derart angepasst ist,
um ein Führungsdrucksignal zu empfangen, eine Referenzeinlassöffnung,
die derart angepasst ist, um mit einer Quelle der Flüssigkeit
bei einem ersten Druck verbunden zu werden sowie eine Referenzauslassöffnung
definiert, die derart angepasst ist, um mit einem Bereich der Flüssigkeit
bei einem zweiten Druck verbunden zu werden, der geringer als der
erste Druck ist. Das Mikroventilgerät umfasst ebenfalls
einen Steuerkolben mit einer Führungsseite und einer Referenzseite,
die in der Steuerkolbenaussparung angeordnet sind, wobei sich die
Führungsseite neben dem ersten Ende der Steuerkolbenaussparung
befindet. Das Führungsende kooperiert mit dem Körper,
um ein Führungsvolumen variabler Größenordnung
zwischen der Führungsseite und dem ersten Ende der Steuerkolbenaussparung
zu definieren. Das Führungsvolumen steht in ständiger
Flüssigkeitsverbindung zur Führungsöffnung.
Die Referenzseite des Steuerkolbens kooperiert mit dem Körper,
um ein Referenzvolumen variabler Größenordnung
zwischen der Referenzseite des Steuerkolbens und dem zweiten Ende
der Steuerkolbenaussparung zu definieren. Der Steuerkolben ist zwischen
einer ersten Position benachbart zum ersten Ende der Steuerkolbenaussparung
und einer zweiten Position benachbart zum zweiten Ende der Steuerkolbenaussparung
beweglich, während dieser im Wesentlichen ein Lecken der
Flüssigkeit durch die Steuerkolbenaussparung zwischen dem
Führungsvolumen und dem Referenzvolumen verhindert. Der
Steuerkolben ermöglicht eine Flüssigkeitsverbindung
zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung,
wenn sich der Steuerkolben in der ersten Position befindet und blockiert
die Flüssigkeitsverbindung zwischen der Einlassöffnung
und der Auslassöffnung, wenn sich der Steuerkolben in der
zweiten Position befindet. Der Steuerkolben reduziert die Flüssigkeitsverbindung
zwischen der Referenzauslassöffnung und dem Führungsvolumen
progressiv, und erhöht die Flüssigkeitsverbindung
zwischen der Referenzeinlassöffnung und dem Führungsvolumen
progressiv, während der Steuerkolben von seiner ersten
Position zu seiner zweiten Position bewegt wird, wodurch sich der
Druck im Referenzvolumen erhöht während der Steuerkolben
von der ersten Position zu seiner zweiten Position bewegt wird.
Der Steuerkolben wird durch eine Differenz der Drücke zwischen
dem Führungsvolumen und dem Referenzvolumen bewegt.
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Diese
Erfindung betrifft ebenfalls ein normal geschlossenes Mikroventilgerät,
einschließlich einem Körper, der eine Steuerkolbenaussparung
mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, einer Einlassöffnung,
die mit der Steuerkolbenaussparung in Verbindung steht, einer Auslassöffnung,
einer Führungsöffnung, die derart angepasst ist,
um ein Führungsdrucksignal zu empfangen, eine Referenzeinlassöffnung,
die derart angepasst ist, um mit einer Quelle der Flüssigkeit
bei einem ersten Druck verbunden zu werden sowie eine Referenzauslassöffnung
definiert, die derart angepasst ist, um mit einem Bereich der Flüssigkeit
bei einem zweiten Druck verbunden zu werden, der geringer als der
erste Druck ist. Das Mikroventilgerät umfasst eben falls
einen Steuerkolben mit einer Führungsseite und einer Referenzseite,
die in der Steuerkolbenaussparung angeordnet sind, wobei sich die
Führungsseite neben dem ersten Ende der Steuerkolbenaussparung
befindet. Das Führungsende kooperiert mit dem Körper,
um ein Führungsvolumen variabler Größenordnung
zwischen der Führungsseite und dem ersten Ende der Steuerkolbenaussparung
zu definieren. Das Führungsvolumen steht in ständiger
Flüssigkeitsverbindung zur Führungsöffnung.
Die Referenzseite des Steuerkolbens kooperiert mit dem Körper,
um ein Referenzvolumen variabler Größenordnung
zwischen der Referenzseite des Steuerkolbens und dem zweiten Ende
der Steuerkolbenaussparung zu definieren. Der Steuerkolben ist zwischen einer
ersten Position benachbart zum ersten Ende der Steuerkolbenaussparung
und einer zweiten Position benachbart zum zweiten Ende der Steuerkolbenaussparung
beweglich, während dieser im Wesentlichen ein Lecken der
Flüssigkeit durch die Steuerkolbenaussparung zwischen dem
Führungsvolumen und dem Referenzvolumen verhindert. Der
Steuerkolben blockiert eine Flüssigkeitsverbindung zwischen
der Einlassöffnung und der Auslassöffnung, wenn
sich der Steuerkolben in der ersten Position befindet und ermöglicht
die Flüssigkeitsverbindung zwischen der Einlassöffnung
und der Auslassöffnung, wenn sich der Steuerkolben in der
zweiten Position befindet. Der Steuerkolben reduziert die Flüssigkeitsverbindung
zwischen der Referenzauslassöffnung und dem Führungsvolumen
progressiv, und erhöht die Flüssigkeitsverbindung
zwischen der Referenzeinlassöffnung und dem Führungsvolumen
progressiv, während der Steuerkolben von seiner ersten
Position zu seiner zweiten Position bewegt wird, wodurch sich der
Druck im Referenzvolumen erhöht während der Steuerkolben
von der ersten Position zu seiner zweiten Position bewegt wird.
Der Steuerkolben wird durch eine Differenz der Drücke zwischen
dem Führungsvolumen und dem Referenzvolumen bewegt.
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Obwohl
das Prinzip und die Arbeitsweise dieser Erfindung in Bezug auf bestimmte
Ausführungsformen erläutert und dargestellt worden
sind, versteht es sich jedoch, dass diese Erfindung auch auf andere
Weise als hier spezifisch erläutert und dargestellt praktiziert
werden kann ohne vom Sinn und Geltungsbereich abzuweichen.
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Zusammenfassung
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Vorgesteuertes Mikroschieberventil
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Eine
Schieberventilbaugruppe umfasst ein Mikroschieberventil, das durch
Differenzialdruck über das Ventil bewegbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6494804 [0012]
- - US 6540203 [0012, 0058]
- - US 6647722 [0012]
- - US 6694998 [0012]
- - US 6755761 [0012]
- - US 6845962 [0012]
- - US 6994115 [0012]
