DE19813129A1 - Elektrisch ansteuerbares Ventil - Google Patents

Abstract

Das Ventil besteht aus einem Gehäuse, welches mindestens einen Fluidzufluß besitzt, der aus einem Dichtsitz in das Gehäuseinnere einmündet, und welches weiterhin einen Fluidabfluß aus dem Gehäuseinneren heraus aufweist. Ein Fluidstrom im Inneren des Gehäuses kann durch einen mit Dichtmitteln versehenen, einseitig gelagerten Schwenkarm gemäß einem ersten Wirkprinzip dahingehend beeinflußt werden, daß in Abhängigkeit von einer elektrischen Signalgabe auf den Schwenkarm dieser auf seiner der Lagerung gegenüberliegenden Seite im Bereich des Dichtsitzes eine Verschwenkung ausführt. Hierdurch werden die Dichtmittel von einer ersten, in unbestromtem Zustand den Dichtsitz verschließenden Position in eine zweite, den Dichtsitz öffnende Position gebracht. Außerdem wird der Schwenkarm in mindestens einer der zwei möglichen Endpositionen kräftemäßig gemäß einem vom ersten Wirkprinzip unabhängigen zweiten Wirkprinzip in seiner Endpositionskraft unterstützt. Eine zur Durchführung des zweiten Wirkprinzips vorgesehene Vorrichtung hat mindestens eine stationäre elektrisch ansteuerbare Spule zum Auf- oder Abbau eines elektromagnetischen Feldes und mindestens einen Hartmagneten, dessen Kraftfeld über mindestens eine mit dem Schwenkarm verbundene, magnetisch beeinflußte Schicht auf den Schwenkarm wirkt.

Description

Die Erfindung geht aus von einem elektrisch ansteuerbaren Ventil, bestehend aus einem Gehäuse, welches mindestens einen Fluidzufluß besitzt, der aus einem Dichtsitz in das Gehäuseinnere einmündet, und welches weiterhin einem Fluid­ abfluß aus dem Gehäuseinneren heraus aufweist, wobei ein Fluidstrom im Gehäus­ einneren durch einen mit Dichtmitteln versehenen, einseitig gelagerten Schwen­ karm gemäß einem ersten Wirkprinzip dahingehend beeinflußbar ist, daß, abhän­ gig von einer elektrischen Signalgabe auf den Schwenkarm, dieser Schwenkarm bei elektrischer Signalgabe auf seiner der Lagerung gegenüberliegenden Seite im Bereich des Dichtsitzes eine Verschwenkung ausführt, wodurch die Dichtmittel von einer ersten, in unbestromtem Zustand den Dichtsitz verschließenden Position in eine zweite, den Dichtsitz öffnende Position gebracht werden, wobei der Schwenkarm in mindestens einer von zwei möglichen Endpositionen kräftemäßig gemäß einem vom ersten Wirkprinzip unabhängigen zweiten Wirkprinzip in seiner Endpositionskraft unterstützt wird.

In der DE 38 14 150 A1 ist eine Ventilanordnung aus mikrostruktuierten Kompo­ nenten beschrieben. Hierbei geht man davon aus, daß bei einem ersten durch elektrische Ansteuerung auslösbaren Wirkprinzip mindestens eine Zuflußöffnung verschlossen oder geöffnet öffnet wird. Zum Erreichen des jeweils anderen Schalt­ zustandes muß ein Ventildichtmittel eine Wegstrecke zwischen zwei möglichen Endpositionen zurücklegen. Mit mikrostrukturierten Ventilen lassen sich bekann­ termaßen nur kleine Querschnitte und sehr geringe Drücke beeinflussen. Um eine relativ große Wegstrecke zurückzulegen, wird gemäß der genannten Druckschrift ein erstes Wirkprinzip vorgeschlagen, das speziell zur Überwindung solcher Wegstrecken vorgesehen ist, z. B. ein Biegepiezoelement bzw. ein Bimetall­ element mit entsprechenden Heizwiderständen. Sowohl das Biegepiezoelement wie auch das Bimetallelement lassen sich in mikrostrukturierter Bauweise nach bekannten Fertigungsverfahren dreidimensional ausformen.

Mit diesen Elementen läßt sich zwar einerseits ein verhältnismäßig großer Weg durchfahren, es stehen andererseits jedoch nur äußerst geringe Dichthaltekräfte zur Verfügung. Deshalb wird in der genannten Druckschrift vorgeschlagen, ein zweites Wirkprinzip anzuwenden, das von dem ersten Wirkprinzip unabhängig ist, um vorzugsweise im Bereich der zwei möglichen Endpositionen beim ersten Wirkprinzipes kraftunterstützend zu wirken. Es wird unter anderem ein elektro­ statisches Verfahren unter Verwendung von zwei sich gegenüberliegenden Kon­ densatorplatten beschrieben. Diese Ausführung weist den Nachteil auf, daß die beiden sich relativ zueinander bewegenden Kondensatorplatten gegeneinander elektrisch isoliert sein müssen. Um eine hohe Haltekraft zu erhalten, müssen beide Platten planparallel und möglichst großflächig sein und sich mit kleinstem Luft­ spalt, der meist durch die gegenseitige Isolierung der Kondensatorplatten gegeben ist, gegenüberstehen. Auch bei relativ großbauenden elektrostatischen Systemen ist eine hohe elektrische Spannung erforderlich, da, physikalisch bedingt, nur eine geringe Kraftdichte bezogen auf die Anzugsfläche zur Verfügung steht.

Weiterhin wird in der zitierten Schrift vorgeschlagen, eine die Fluidwege überdec­ kende Membrane einzusetzen. Hierbei ist die Membranfläche mit spiralenförmig gewundenen Leiterbahnen versehen. Diese Membran wird einem Magnetfeld mit diverdierenden Kraftlinienverlauf ausgesetzt. Wird durch die Leiterbahnen der Membrane ein elektrischer Strom geschickt, bildet sich in Folge des Ringstromes ein magnetischer Dipol aus, der je nach seiner Stellung zum Magnetfeld in die Kraftlinien hineingezogen bzw. abgestoßen wird.

Hierbei ist nachteilig, daß die ununterbrochene Leiterbahnspirale einerseits die Bewegung der Membrane mitvollziehen muß, daß andererseits die auf die Mem­ bran aufgedruckten Leiterbahnen relativ querschnittsarm sind, so daß auch hier nur eine sehr geringe Stromaufnahme möglich ist, wodurch sich wiederum eine relativ schwache Magnetfeldkraft ergibt. Prinzipbedingt ist der zitierte Stand der Technik für mikromechanische Ventile sinnvoll, jedoch nicht mehr für Ventile größerer fluidischer Leistung nutzbar.

Somit besteht die Aufgabe, den genannten Stand der Technik dahingehend zu verbessern, daß die fluidische Leistung gegenüber mikromechanischen Ventilen um ein Mehrfaches gesteigert werden kann.

Die Lösung der Aufgabe wird ausgehend vom einleitend erwähnten Ventil durch Verbesserung des zweiten Wirkprinzipes durch eine Vorrichtung erreicht, die
mindestens eine stationäre elektrisch ansteuerbare Spule zum Auf- oder Abbau eines elektromagnetischen Feldes und
mindestens einen Hartmagneten aufweist, dessen Kraftfeld über mindestens eine mit den Schwenkarm verbundene magnetisch beeinflußbare Schicht auf den Schwenkarm wirkt.

Die Vorrichtung ist weiterhin so gestaltet, daß das Kraftfeld des Hartmagneten durch das Kraftfeld der bestromten Spule - in Abhängigkeit von der Stromfluß­ richtung innerhalb der Spule - geschwächt, ganz aufgehoben oder, bei gegen­ sinniger Polung, verstärkt wird.

Der Schwenkarm ist beispielsweise einseitig gelagert und auf der dieser Lagerung gegenüberliegenden Seite mit Dichtmitteln versehen, die mit den Dichtsitzen z. B. des Fluidzuflusses bzw. des Fluidrückflusses zusammenwirken. Hier ist zweck­ mäßigerweise zu fordern, daß der Antrieb auf der Dichtmittelseite nach entspre­ chender elektrischer Ansteuerung eine möglichst große Wegstrecke zurücklegt, um die Fluiddurchflußfläche des Dichtsitzes strömungstechnisch nicht unnötig zu reduzieren. Als Antrieb für den Schwenkarm haben sich beispielsweise Biegepie­ zoelemente bewährt, ebenso auch mit Heizelementen beschichtete Bimetallelemen­ te. Gegenüber einem Bimetallelement weist das Prinzip des Biegepiezoelementes den Vorteil auf, daß hiermit sehr kurze Schaltzeiten erreicht werden, während bei der Bimetallausführung die jeweilige Aufheiz- und Abkühlphase bei der Betrach­ tung der Schaltzeiten mit berücksichtigt werden müssen. Andererseits weist ein Biegepiezo den Nachteil auf, daß nur eine sehr geringe Kraft abgegriffen werden kann. Die Kraft eines Biegepiezos ist ihrerseits nicht ausreichend, einem hohen Dichthaltedruck bei entsprechend großer Dichtfläche standzuhalten. Somit ist hier eine Kraftunterstützung erforderlich.

Im folgenden wird der Erfindungsgedanke anhand eines Ausführungsbeispieles mit einem als Biegepiezoelement ausgestalteten Schwenkarm erläutert. Analog ist auch beim Aufbau eines Ventiles mit einem Bimetall-Schwenkarm zu verfahren.

Es ist technologisch problemlos möglich, das Biegepiezoelement je nach gewähl­ tem Prinzip entweder mit einer weichmagnetischen oder einer hartmagnetischen Beschichtung zu versehen. Diese Schicht ist so ausgestaltet, daß sie den Biege­ vorgang des Biegepiezos im bestromten Zustand nicht nachteilig behindert. Im folgenden Beispiel wird davon ausgegangen, daß das Biegepiezo mit einer weich­ magnetischen Schicht kraftschlüssig verbunden ist, wobei die Schicht aufgesput­ tert, direkt oder über eine elastische Zwischenschicht aufgewalzt, aufgedruckt oder aufgeklebt sein kann.

Als Ausgangsposition dieses Ventiles sei angenommen, daß der Fluidzufluß durch den Dichtsitz hindurch durch ein Dichtmittel abgesperrt ist, das kraft- und/oder formschlüssig mit dem Biegepiezo an der der Lagerstelle gegenüberliegenden Seite verbunden ist. Es ist auch möglich, daß das Biegepiezoelement auch die Funktion des Dichtmittels mit übernimmt. Hierzu bedarf es üblicherweise einer entsprechen­ den Ausgestaltung des Biegepiezoelements an seiner verschwenkbaren Seite. Das Biegepiezo als solches übt bereits eine eigene Dichthaltekraft aus, die wie bereits erwähnt, jedoch nicht ausreichend ist, eine relativ große fluidische Leistung strömungstechnisch hinreichend zu beeinflußen. Deshalb ist erfindungsgemäß ein zusätzlicher Hartmagnet angeordnet, der in Verbindung mit der auf dem Biegepie­ zo aufgebrachten Schicht eine vielfache Kraftverstärkung bewirkt, so daß das Dichtmittel des Ventiles in unbestromten Zustand den Fluiddruck dichtend ab­ sperrt. Bei entsprechend polarisierter Bestromung des Piezoelementes ist dieses bestrebt, von der abgesperrten Dichtungsseite her eine Verschwenkung vorzuneh­ men, die diese ursprüngliche Dichtungsseite öffnet. Aufgrund der geringen zur Verfügung stehenden Piezokraft ist dieses jedoch nicht ohne weiteres möglich, da, wie auch beabsichtigt, die Hartmagnetkraft in Verbindung mit der auf das Biege­ piezoelement aufgebrachten Schicht die Piezokraft um ein Vielfaches überwiegt. Daher muß in diesem bestromten Zustand das Kraftfeld des Hartmagneten aufge­ hoben werden. Dieses läßt sich mit einfachen Mitteln dadurch erreichen, daß beispielsweise durch eine den Hartmagneten umgreifende elektrische Spule ein gegensätzliches Magnetfeld aufgebaut wird, welches das Magnetfeld des Hart­ magneten negativ überlagert, so daß die Hartmagnet- und die elektromagnetische Kraft gleich Null werden. In diesem Zustand ist die piezoelektrische Kraft wieder ausreichend, die erforderliche Schwenkbewegung auszuführen. Diese Schwenkbe­ wegung wird gleichzeitig auch durch die auf der ursprünglich dichtzuhaltenden Fläche wirkende Druckkraft des fluidischen Mediums unterstützt.

Wird davon ausgegangen, daß es sich bei dem Ventil nicht um ein einfaches Auf- Zu-Ventil, d. h. um ein 2/2-Wege-Ventil handelt, sondern um ein 3/2-Wege-Ventil, bei dem in bekannter Weise ein ansteuerbarer Entlüftungsanschluß vorzusehen ist, so muß in der bestromten Endposition des Biegepiezos das Dichtmittel den Dicht­ sitz des Entlüftungsanschlusses ebenfalls verschließen. Dieses wird in an sich bekannter Weise auch durch das Biegepiezoelement realisiert.

In Verbindung mit dem Biegepiezoelement hat es sich als sinnvoll erwiesen, die bestromte Spule nach einer gewissen Auslenkung bzw. am Ende der Verschwenkung des Biegepiezos aus der Grundposition wieder spannungsfrei zu schalten. Dieses bewirkt einerseits eine erhebliche Einsparung an elektrischer Energie, da im weiterhin geöffneten Zustand des Ventiles nur noch das Biegepiezo mit elektrischer Spannung versorgt werden muß. Da sich ein Piezoelement wie ein Kondensator verhält, wird im verschwenkten Zustand des Biegepiezos praktisch kein Strom mehr benötigt, lediglich die erforderliche Spannung muß anliegen. Durch das elektrische Abschalten der Spule bricht das elektromagnetische Gegen­ feld zusammen, und das Kraftfeld des Hartmagneten steht wieder zur Verfügung. Abhängig von dem Abstand der Schicht auf dem Biegepiezo zur wirksamen Austrittsfläche der Feldlinien des Hartmagneten wirkt hier eine magnetische Kraft, die bei Abschalten der Biegepiezospannung das Biegepiezo beschleunigt wieder in seine unbestromte Ausgangsposition bringt, wobei mit geringer werdendem Abstand der Schicht zur Feldlinienaustrittsfläche des Hartmagneten die magneti­ sche wirksame Kraft größer wird. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Schließ­ kraft auch dann ausreichend ist, wenn das Fluid strömt.

Um die Spannungsunterbrechung zu realisieren, kann beispielsweise parallel zum fluidischen Dichtmittel die betreffende Seite des Biegepiezos mit einem elek­ trischen Schaltkontakt versehen sein, der nach einer vorgegebenen Verschwenkung des Biegepiezoelementes aus seiner Ausgangsposition den Stromkreis für die Spule öffnet.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, das Dichtmittel an einem durch die Anlage am Dichtsitz vorgespannten Federmittel, z. B. einer Blattfeder zu befestigen, wobei das Federmittel mit der verschwenkbaren Seite des Biegepiezos fest verbunden ist. Durch eine derartige Anordnung, die auch beispielsweise gleichzeitig für den elektrischen Kontakt der Spulenunterbrechung vorgesehen werden kann, ergibt sich die vorteilhafte Lösungsmöglichkeit, daß die jeweilige Ventilschließkraft und Kontaktkraft nicht direkt durch die Anzugskraft des Hartmagneten beeinflußt werden, sondern durch die definierte, in engen Toleranzgrenzen vorgespannte Federkraft. Hierbei ist allerdings Voraussetzung, daß die Kraft des Hartmagneten größer ist als die erforderlich aufzubringende Federkraft für den Dichtsitz und/oder den Kontakt. Beide Kräfte, die Dichthaltekraft und die Kontaktkraft, können bedarfsorientiert unterschiedlich sein, so daß hier eine optimale technische An­ passung erreicht werden kann.

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn das Ventil so gestaltet ist, daß der Hartmagnet von der Spule umgriffen und in eine Kammer des Ventilgehäuses als Einheit eingebracht wird. Weiterhin hat sich bewährt, diese Kammer für das Magnetsystem so auszuformen, daß diese zum Bereich des Innenraumes, der von dem Fluid durchströmt wird und in welchem das Biegepiezo seine steuernden Bewegungen ausführt, durch eine dünne, magnetisch nichtleitende Wand getrennt ist. Hierdurch wird einerseits erreicht, daß das Fluid zum System des Haftmagne­ ten und der Spule hermetisch getrennt und abgedichtet ist, und andererseits bildet diese dünne Wandung einen vorgegebenen, definierten Abstand als magnetischen Luftspalt zwischen dem Haftmagneten und der Schicht. Hierdurch wird eine erhöhte Schaltsicherheit des Ventiles erreicht, wenn Biegepiezo und Spule ent­ sprechend polarisiert bestromt werden.

Die Stromunterbrechung der Spule muß nicht ausschließlich kontaktbehaftet vorgenommen werden. Es sind auch diesbezügliche elektronische Steuerungen einzusetzen, wie beispielsweise eine Zeitschaltung. Geht man davon aus, daß die tatsächliche Umschaltzeit des Ventiles angenommen 3 ms beträgt, so könnte die elektronische Schaltung so ausgelegt sein, daß nach 5 ms - jeweils gezählt vom Zeitpunkt des Einschaltens an - die elektronische Zeitschaltung den elektrischen Impuls für die Spule unterbricht.

Eine andere Möglichkeit der Stromunterbrechnung ist, z. B. die Stromaufnahme­ kurve der Spule zu messen und dieses Signal einer elektronischen Steuerschaltung zuzuführen, die nach Erreichen entsprechender Sollwerte der Stromaufnahme die Stromabfuhr abschaltet. Gegebenenfalls kann dieses auch mit einer zeitlichen Verzögerung geschehen.

Die elektromagnetische Kompensation des hartmagnetischen Kraftfeldes ist abhängig von der Stromdurchflußrichtung der Spule. Wird bespielsweise die Polarität an der Spule getauscht, baut sich ein elektromagnetisches Kraftfeld auf, das mit dem Kraftfeld des Hartmagneten gleichlaufend ist und dieses Kraftfeld positiv überlagert. Hierdurch kann die magnetisch wirkende Kraft auf die Schicht des Biegepiezos entsprechend bedarfsorientiert verstärkt werden. Dieser Effekt kann z. B. in Verbindung mit einer elektronischen Ansteuerung dann genutzt werden, wenn das gesamte Ventil spannungslos geschaltet wird und der Schwen­ karm wieder in die dichtende Position gebracht wird. Dieses läßt sich elektronisch beispielsweise dadurch erreichen, indem während der bestromten, d. h. geöffneten, Zeit des Ventiles ein Kondensator aufgeladen wird, dessen elektrischer Energie­ inhalt dann beim Abschalten des elektrischen Steuersignales entsprechend gepolt in die Spule eingebracht wird, so daß sich für wenige Millisekunden hier eine verstärkte magnetische Anziehungskraft ausbilden kann, die sich auch bei ent­ sprechend großem Luftspalt zwischen der Schicht und der Kraftaustrittsfläche des Magneten wirksam wird. Diese kurzzeitig erhöhte Anzugskraft während des elektrischen Abschaltvorganges wirkt auf die Schicht des Schwenkarmes und unterstützt die Schließbewegung des Schwenkarmes. Die zusätzliche elektro­ magnetische Anzugskraft reduziert sich jedoch innerhalb weniger Millisekunden nach Aufzehrung der im Kondensator gespeicherten Energie durch die Spule wieder auf die ausschließliche Haltekraft des Hartmagneten.

Es besteht auch die Möglichkeit, die auf den Schwenkarm aufgebrachte Schicht hartmagnetisch zu gestalten. Hierbei ist die Magnetisierungsrichtung vorzugeben, so daß sich z. B. die gegenüberliegenden Polflächen dieser hartmagnetischen Schicht und des Hartmagneten anziehen.

Um den Wirkungsgrad dieses Systemes zu erhöhen, kann es fernerhin zweckmäßig sein, die Spule außen durch ein weichmagnetisches Joch mindestens teilweise z. B. topfartig zu umgreifen, wobei ein Pol des Hartmagneten vorzugsweise flächig an diesem weichmagnetischen Teil zur Anlage kommt.

Dieses Ventilprinzip erlaubt auch einen dreidimensionalen mikromechanischen Aufbau, z. B. mit einer Planarspule, die ein Kraftfeld z. B. einer hartmagnetischen Schicht aufhebt. Diese Spule und Schicht können auch mehrschichtig, so z. B. auch übereinander, aufgebaut sein. Auch in mikromechanischer Ausbildung des Ventiles ergibt sich gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine erheblich höhere fluidische Schaltleistung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten finden sich in Unteransprüchen.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel eines Ventiles beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch das Ventil in unbestromten Zustand,

Fig. 2 ebenfalls einen Querschnitt durch das Ventil, jedoch in bestromten Zustand,

Fig. 3 eine mögliche Ausgestaltung des Schwenkarmes in der Draufsicht,

Fig. 4 eine Seitenansicht des Schwenkarmes und

Fig. 5 eine weitere Ausgestaltung des Schwenkarmes in bestromten Zustand.

Das Gehäuse 1 nimmt im Gehäuseinneren 14 einen Schwenkarm 2 auf, der z. B. als Biegepiezoelement ausbebildet ist und der an einer ortsfesten Lagerung 3 einseitig befestigt ist. Dieser Schwenkarm 2 weist seinerseits eine hiermit kraft­ schlüssig verbundene Schicht 4 auf, die mit einer Vorrichtung 9 zusammen wirkt. Der Schwenkarm 2 ist auf seiner der Lagerung 3 gegenüberliegenden Seite mit Dichtmitteln 5, 6 versehen, die ihrerseits mit Dichtsitzen 7, 8, die ortsfest mit dem Gehäuse verbunden sind, zusammenwirken. In das Gehäuse münden ferner Kanäle P, A, R ein, wobei die Kanäle P und R durch die Dichtsitze 7, 8 in das Gehäus­ einnere 14 einmünden. In Fig. 1 ist der Dichtsitz 7 durch das Dichtmittel 6 abge­ sperrt, so daß ein Fluidzufluß von P in das Gehäuseinnere 14 nicht stattfindet. Der Dichtsitz 8 ist nicht verschlossen, so daß eine fluidische Verbindung von R nach A gegeben ist.

Die Vorrichtung 9 besteht aus einem Hartmagneten 10, einer diesen radial umge­ benden Spule 11 und einem weichmagnetischen Joch 20, das den Hartmagneten 10 und die Spule 11 mindestens teilweise umgreift. Ein Pol des Hartmagneten 10 kommt flächig an dem Joch 20 zur Anlage, während das Joch 20 zur Schicht 4 hin begrenzt und offen ist. Die Schicht 4 kommt wahlweise direkt oder durch eine nicht dargestellte, magnetisch neutrale Gehäusewandung mit dem Joch 20 und einem Pol des Hartmagneten 10 in Wirkungskontakt, so daß die magnetischen Kraftlinien in diesem Beispiel vom Nordpol N des Hartmagneten 10 über die Schicht 4, das Joch 20 zum Südpol S des Hartmagneten 10 fließen. Hierdurch wirkt eine starke Anziehungskraft des Hartmagneten 10 auf die Schicht 4. Da diese, wie bereits gesagt, mit dem Schwenkarm kraftschlüssig verbunden ist, überträgt sich diese Anziehungskraft auch auf den Schwenkarm und wirkt somit über das Dichtmittel 6 auf den Dichtsitz 7. Die hartmagnetische Anziehungskraft ist selbstverständlich so gewählt, daß sie einen Kraftüberschuß gegenüber dem Druck-Flächen-Produkt an dem druckbeaufschlagten Dichtsitz 7 in der Weise bildet, daß eine sichere Dichtfunktion erreicht wird.

Geht man davon aus, daß der Schwenkarm 2 als Biegepiezoelement ausgestaltet ist, dessen Anschlüsse 12 und 13 bestromt werden können, so ist das Biegepiezo bei entsprechender Polarisierung der Stromrichtung bestrebt, von dem Dichtsitz 7 gegen den Dichtsitz 8 zu verschwenken. Wie erwähnt, läßt sich mit einem Biege­ piezo zwar eine relativ große Auslenkung als Wegstrecke an der der Lagerung 3 gegenüberliegenden Seite erreichen, jedoch ist die nutzbare Kraft an dieser ver­ schwenkten Seite äußerst gering. Somit ist es erforderlich, bei elektrischer Signal­ gabe gleichzeitig dieses elektrische Signal an die Kontakte 12 und 13 des Schwen­ karmes 2 und auf die Spule 11 zu geben. Hierbei ist die Polarität der Stromfluß­ richtung in der Weise zu beachten, daß einerseits der Schwenkarm 2 aus seiner ersten Position gegen den Dichtsitz 8 verschwenken kann, andererseits das magne­ tische Kraftfeld des Hartmagneten 10 durch das elektromagnetisches Kraftfeld der Spule 11 kompensiert wird, so daß die piezoelektrischen Kräfte des Schwenkarmes 2 ausreichend sind, den Schwenkarm in die zweite Position gegen den Dichtsitz 8 zu verschwenken.

Diese neu eingenommene zweite Endposition des Schwenkarmes, bei der das Dichtmittel 5 auf dem Dichtsitz 8 zur Anlage kommt, ist in Fig. 2 dargestellt. Es ist weiterhin ersichtlich, daß die mit dem Schwenkarm 2 kraftschlüssig verbundene Schicht 4 nicht mehr an der Haltevorrichtung 9 zur Anlage kommt. Der sich hier ausbildende Abstand zwischen der Schicht 4 und der Vorrichtung 9 wird als magnetischer Luftspalt bezeichnet und schwächt das anziehende Kraftfeld des Hartmagneten auf die Schicht 4 erheblich.

Nach den Fig. 1 und 2 sind die Dichtmittel 5 und 6 direkt auf dem Schwen­ karm angebracht.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit des Schwenkarmes in der Draufsicht dargestellt. Hier ist zu erkennen, daß an der der ortsfesten Lagerung 3 gegenüberliegenden Seite der Schwenkarm mit einem vorzugsweise federelasti­ schen Glied 15 in der Art fest verbunden ist, daß das federelastische Glied die ausführende Schwenkbewegung des Schwenkarmes 2 mit vollzieht.

Dieses federelastische Glied kann beispielsweise eine aus Bronze hergestellte Blattfeder sein, die außen federnde Kontaktzungen 16, 16.1 aufweist, die mit zugehörigen elektrischen Schaltkontakten 17, 17.1 versehen sind. In dem dar­ gestellten Beispiel nach Fig. 3 ist das federelastische Glied mit einer weiteren, federnd ausgebildeten Zunge 18 versehen, die ihrerseits Träger für die Dichtmittel 5 und 6 ist.

Die elektrischen Kontakte 17 und 17.1 schließen beispielsweise im elektrisch unbetätigten Zustand, wie nach Fig. 1 dargestellt, den Stromkreis für die Spule 11. Werden nun der Schwenkarm 2 und die Spule 11 entsprechend polarisiert be­ stromt, so daß sich einerseits das Kraftfeld des Hartmagneten 10 aufhebt, anderer­ seits der Schwenkarm 2 seine neue Sollposition einnehmen kann, werden hierdurch auch die elektrischen Schaltkontakte 17 und 17.1 aus ihrer Anfangsposition in ihre neue Position hin bewegt, wodurch sie von nicht dargestellten und mit den elek­ trischen Kontakten 17 und 17.1 korrespondierenden Gegenkontakten, die vorzugs­ weise ortsfest im Gehäuse 1 angeordnet sind, elektrisch getrennt werden. Die die Spule 11 wird nach einer gewissen Verschwenkungsstrecke des Schwenkarmes 2 stromlos geschaltet, und das hartmagnetische Kraftfeld tritt wieder aus der Vorri­ chung 9 aus.

Fig. 5 zeigt die Position des bestromten Schwenkarmes 2, bei der das Dichtmittel 5 an dem Dichtsitz 8 zur Anlage kommt. Hierbei ist die das hartmagnetische Feld beeinflussende Schicht nicht als eine einzelne homogene Schicht auf den Schwenkarm aufgetragen, sondern als quer zur Längsachse des Schwenkarmes angeordnete und voneinander beanstandete Stege 4.1 . . . 4.n. Hierdurch verringert sich die Biege-Gegenkraft der auf den Schwenkarm 2 aufgebrachten Schicht. Es ist auch ohne weiteres denkbar, daß diese Stege in ihrer Länge ebenfalls mehrfach unterbrochen sind, so daß die Beschichtung punktförmig oder in anderer Geome­ trie ausgestaltet ist. Bedarfsorientiert kann selbstverständlich über die gegenseiti­ gen Abstände der Stege bzw. Punkte und der Dicke der Beschichtung Einfluß auf die wirksam werdende permanentmagnetische Haltekraft genommen werden.

Durch das vorgeschlagene Ventil ergibt sich eine sehr kleine Bauweise bei gleich­ zeitig hoher fluidischer Leistung und geringer elektrischer Leistung.

Claims (37)

1. Elektrisch ansteuerbares Ventil, bestehend aus einem Gehäuse (1), welches mindestens einen Fluidzufluß (P) besitzt, der aus einem Dichtsitz (7) in das Ge­ häuseinnere (14) einmündet, und welches weiterhin einen Fluidabfluß (A) aus dem Gehäuseinneren (14) heraus aufweist, wobei ein Fluidstrom im Gehäuseinneren (14) durch einen mit Dichtmitteln (5, 6) versehenen, einseitig gelagerten Schwen­ karm (2) gemäß einem ersten Wirkprinzip dahingehend beeinflußbar ist, daß, abhängig von einer elektrischen Signalgabe auf den Schwenkarm (2), dieser Schwenkarm (2) bei elektrischer Signalgabe auf seiner der Lagerung (3) gegen­ überliegenden Seite im Bereich des Dichtsitzes (7) eine Verschwenkung ausführt, wodurch die Dichtmittel (5, 6) von einer ersten, in unbestromtem Zustand den Dichtsitz (7) verschließenden Position in eine zweite, den Dichtsitz (7) öffnende Position gebracht werden, wobei der Schwenkarm (2) in mindestens einer der zwei möglichen Endpositionen kräftemäßig gemäß einem vom ersten Wirkprinzip unabhängigen zweiten Wirkprinzip in seiner Endpositionskraft unterstützt wird und wobei eine Vorrichtung (9) zur Durchführung des zweiten Wirkprinzipes gekennzeichnet ist durch:

• a) mindestens eine stationäre elektrisch ansteuerbare Spule (11) zum Auf- oder Abbau eines elektromagnetischen Feldes und
• b) mindestens einen Hartmagneten (10), dessen Kraftfeld über minde­ stens eine mit dem Schwenkarm (2) verbundene, magnetisch beein­ flußbare Schicht (4) auf den Schwenkarm (2) wirkt.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftfeld des Hartmagneten (10) durch das Kraftfeld der bestromten Spule (11) - abhängig von der Stromflußrichtung in der Spule (11) - geschwächt oder verstärkt wird.

3. Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkarm (2) im Bereich des Zusammenwirkens mit der Vorrichtung (9) mit einer weichmagnetischen Schicht (4) versehen ist.

4. Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkarm (2) im Bereich des Zusammenwirkens mit der Vorrichtung (9) mit einer hartmagnetischen Schicht (4) versehen ist.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (4) aufgesputtert, direkt oder über eine elastische Zwischenschicht aufge­ dampft, aufgewalzt oder aufgedruckt ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (4) direkt oder über eine elastische Zwischenschicht aufgeklebt ist.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (4) bezogen auf die Längsachse des Schwenkarmes (2) aus aneinanderlie­ genden beabstandeten Querstegen und/oder aus gerasteten beabstandeten Punkten besteht.

8. Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkarm (2) mit einem federnden Mittel (15) versehen ist.

9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde Mittel (15) mit den Dichtmitteln (5, 6) versehen ist.

10. Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtmittel (5, 6) wechselweise ortsfesten Dichtsitzen (7, 8) zugeordnet sind und diese in Abhängigkeit der Schaltposition öffnen oder unter Vorspannkraft schließen.

11. Ventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkarm (2) nach Anlage der Dichtmittel (5, 6) an dem jeweils zugeordnetem ortsfesten Dichtsitz (7, 8) einen Überhub ausübt und hierdurch eine Vorspannkraft als Dicht­ kraft ausübt.

12. Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (9) einen Hartmagneten (10) aufweist und in Zusammenwirken mit der Schicht (4) eine permanentmagnetische Kraft als unterstützende Dichthaltekraft ausübt.

13. Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (9) eine elektrische Wicklung (11) aufweist.

14. Ventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (11) eine Planarspule ist.

15. Ventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (11) eine mehrschichtige Spule ist.

16. Ventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (11) dreidimensional nach in der Mikrotechnik bekannten Verfahren hergestellt ist.

17. Ventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (11) mindestens teilweise um einen Hartmagneten (10) angeordnet ist.

18. Ventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (11) von einem magnetisch leitendem Flußleitmittel (20) mindestens teilweise um­ griffen ist, an dem vorzugsweise ein Pol des Hartmagneten (10) flächig direkt oder unter Ausbildung eines Luftspaltes zur Anlage kommt und daß das Flußleitmittel und der andere Pol des Hartmagneten mit der Schicht (4) zusammenwirken.

19. Ventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (11) drahtgewickelt ist.

20. Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hartmagnet (10) der Vorrichtung (9) aus einer hartmagnetischen Schicht besteht.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die hartmagnetische Schicht als insbesondere mäanderförmige oder spiralförmige Wicklung ausgebildet ist und daß diese Wicklung und die Wicklung der Planarspule wenigstens annähernd parallel verlaufen.

22. Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hartmagnetische Schicht und die Planarspule wechselnd jeweils übereinander angeordnet sind.

23. Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekenn­ zeichnet, mindestens eine Vorrichtung (9) mit einer hartmagnetischen Schicht (4) auf dem Schwenkarm (2) zusammenwirkt.

24. Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der elektromagnetischen Vorrichtung (9) gemeinsam mit einem Hartmagneten (10) auf die Schicht (4) des Schwenkarmes (2) wirken.

25. Ventil nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das hartmagnetische Kraftfeld durch elektromagnetische Einflußnahme der Vor­ richtung (9) schwächend oder verstärkend beeinflußbar ist.

26. Ventil nacheinem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (9) eine elektrische Wicklung (11) aufweist, durch deren Bestro­ mung das Kraftfeld des Hartmagneten (10) und/oder der hartmagnetischen Schicht (4) beeinflußt wird.

27. Ventil nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Vorrichtung (9) zusammenwirkende Wicklung (11) durch eine Span­ nungsunterbrechungseinrichtung elektrisch an- oder abschaltbar ist.

28. Ventil nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs­ unterbrechungseinrichtung kontaktbehaftet ist (17, 17.1) und durch die Position des Schwenkarmes (2) gesteuert wird.

29. Ventil nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs­ unterbrechungseinrichtung durch die dem Gerät zugeführte elektrische Steuer­ spannung beeinflußt wird.

30. Ventil nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsunter­ brechungseinrichtung kontaktlos ist und ein elektronisches Zeitglied aufweist.

31. Ventil nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs­ unterbrechnungseinrichtung elektronisch ist und ein aus der Vorrichtung (9) zur Verfügung gestelltes Signal auswertet und hierauf zugeordnet reagiert.

32. Ventil nach einem der Ansprüche 10 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtkraft auf den anzusteuernden Dichtsitz (7, 8) durch Winkeländerung der Lagerung (3) für den Schwenkarm (2) einstellbar ist.

33. Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Ansteuerung des Ventiles derart ausgebildet ist, daß nach Ab­ schalten der Steuerspannung der Schwenkarm (2) seine erste, in nicht bestromten Zustand bestimmungsgemäße Position einnimmt.

34. Ventil nach einem der Ansprüche 10 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagekraft des Dichtmittels (6) auf dessen zugehörigem Dichtsitz (7) durch das Zusammenwirken des Kraftfeldes des Hartmagneten (10) mit der magnetisch beeinflußbaren Schicht (4) des Schwenkarmes (2) unterstützt wird.

35. Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abschalten der Steuerspannung die Ladung eines Piezoelementes des Schwenkarmes (2) durch die elektromagnetische Vorrichtung (9) aufgezehrt wird.

36. Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Schaltung vorgesehen ist, die während der elektrischen Ein­ schaltphase des Ventiles elektrische Energie speichert und diese beim Abschalten der elektrischen Steuerenergie der Spule (11) in der Weise zuführt, daß das hier­ durch durch die Spule (11) aufgebaute elektromagnetische Kraftfeld das Kraftfeld des Hartmagneten (10) kurzzeitig kraftverstärkend überlagert.

37. Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (9) gegenüber dem Gehäuseinneren (14) durch eine magnetisch neutrale, dünne, fluiddichte Wand getrennt ist.