-
Die Erfindung betrifft ein Fluidik-Bauteil.
-
Gattungsgemäße Fluidik-Bauteile sind in der Regel dazu vorgesehen, einen Fluidstrom zu steuern. Hierbei kommt es beim Verstellen des Stellglieds dazu, dass für einen kurzen Augenblick das Stellglied von beiden Ventilsitzen beabstandet ist, also an keinem der Ventilsitze anliegt, wodurch Fluid durch die den Ventilsitzen zugeordneten Fluidöffnungen strömen kann. Dies verursacht kurzzeitig einen undefinierten Medienfluss, eine sogenannte Kreuzkontamination, durch den bzw. die beispielsweise im Analyse-/Laborbereich Analysen erschwert werden können.
-
Zur Verhinderung von Kreuzkontaminationen werden daher üblicherweise zwei Fluidik-Bauteile verbaut, die getrennt voneinander geschaltet werden können. Dadurch kommt es allerdings zu einem hohen Platz-, Bauteil- und Kostenaufwand.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fluidik-Bauteil zu schaffen, bei dem es während des Schaltens zu keiner Kreuzkontamination kommt und das leicht gereinigt werden kann.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Fluidik-Bauteil gelöst, mit einem Gehäuse, das eine erste Fluidöffnung, eine zweite Fluidöffnung und eine zwischen der ersten Fluidöffnung und der zweiten Fluidöffnungen positionierte dritte Fluidöffnung aufweist, durch die Fluid strömen kann, wobei alle drei Fluidöffnungen in eine gemeinsame Fluidkammer münden,
einem ersten Ventilsitz und einem zweiten Ventilsitz, wobei der erste Ventilsitz der ersten Fluidöffnung und der zweite Ventilsitz der zweiten Fluidöffnung zugeordnet ist, und
einem elektrodynamischen Aktor, der ein Stellglied, das beiden Ventilsitzen zugeordnet ist und in verschiedene Stellungen verstellbar ist, und Permanentmagnete zur Erzeugung eines Magnetfelds aufweist, wobei das Stellglied relativ zu den Permanentmagneten beweglich ist,
wobei bei Anlegen eines Stroms das Stellglied in Abhängigkeit von der Polung aus einer stromlosen Ausgangsstellung in zwei entgegengesetzte Richtungen verstellbar ist, und
wobei bei einem strominduzierten Verstellen des Stellglieds ein im Bereich des ersten Ventilsitzes vorgesehener erster Abschnitt des Stellglieds vom ersten Ventilsitz wegbewegt wird, wodurch der erste Ventilsitz zur Fluiddurchströmung geöffnet wird, und gleichzeitig ein im Bereich des zweiten Ventilsitzes vorgesehener zweiter Abschnitt des Stellglieds zum zweiten Ventilsitz hinbewegt wird, wodurch der zweite Ventilsitz geschlossen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied so gelagert ist, dass es in einem stromlosen Zustand des Fluidik-Bauteils als Rückschlagventil dient und bei an das Stellglied über die erste Fluidöffnung, die zweite Fluidöffnung und/oder die dritte Fluidöffnung angelegtem, vorbestimmten Überdruck das Stellglied von den Ventilsitzen abhebt und in eine offene Überdruckstellung bewegbar ist, in der die erste, die zweite und die dritte Fluidöffnung offen sind.
-
Der Kern der vorliegenden Erfindung ist demnach ein Fluidik-Bauteil, das durch Anlegen von Strom und/oder Druck über eine der Fluidöffnungen in eine strominduzierte Stellung, in der, vorzugsweise genau zwei der drei Fluidöffnungen fluidisch verbunden sind, bzw. in eine Überdruckstellung bringbar ist, in der alle Fluidöffnung fluidisch verbunden sind. In der Überdruckstellung ist ein weiterer „Weg“ für das Fluid geschaffen. Folglich weist das Fluidik-Bauteil durch die Überdruckstellung eine zusätzliche Fluidsteuerungsmöglichkeit auf.
-
In der Überdruckstellung kann alternativ oder zusätzlich zur Fluidsteuerung eine Spülung des Fluidik-Bauteils erfolgen. Dadurch wird die Reinigung des Fluidik-Bauteils erheblich vereinfacht. Die Überdruckstellung kann somit eine Spülstellung darstellen, in der das Fluidik-Bauteil gereinigt werden kann. Die strominduzierte Stellung ist eine normale Stellung während des Schaltbetriebs.
-
Beispielsweise ist das Fluidik-Bauteil ein Ventil, insbesondere ein 3/3-Wegeventil, oder eine Pumpe. Durch ein Ventil kann ein Fluidstrom gesteuert werden und durch eine Pumpe kann ein Fluidstrom erzeugt werden.
-
Ein derartiges 3/3-Wege-Ventil kann zwei 2/2-Wege-Ventile ersetzen.
-
Insbesondere sind in der stromlosen Ausgangsstellung beide Ventilsitze durch das Stellglied geschlossen. So sind alle Fluidöffnungen fluidisch entkoppelt, wodurch eine Fluidströmung zuverlässig unterbunden ist. Bei Fluidik-Bauteilen, die die meiste Zeit geschlossen sind und nur kurz geöffnet werden sollen, kann auf diese Weise ein energieeffizienter Betrieb sichergestellt werden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das Stellglied so verstellbar gelagert ist, dass das Stellglied um eine Drehachse kippbar und gleichzeitig in Richtung quer zu Drehachse verschiebbar ist. Auf diese Weise ergeben sich mehr Bewegungsfreiheitsgrade, durch die ein dichteres Verschließen eines Ventilsitzes oder mehrerer Ventilsitze erreicht werden kann.
-
Das Stellglied kann so gelagert sein, dass zu jedem Zeitpunkt des strominduzierten Verstellens des Stellglieds, also des Normalbetriebs, zumindest ein Ventilsitz geschlossen ist, insbesondere wobei hierbei die dritte Fluidöffnung von einer der anderen beiden Fluidöffnungen oder von beiden Fluidöffnungen fluidisch entkoppelt ist. Durch ein derartiges eindeutiges Umschalten kann eine Kreuzkontamination zuverlässig verhindert werden. Dementsprechend müssen zur Verhinderung von Kreuzkontaminationen nicht zwei getrennt voneinander schaltbare Fluidik-Bauteile vorgesehen werden, sondern es reicht die Verwendung eines erfindungsgemäßen Fluidik-Bauteils.
-
Insbesondere ist das Stellglied in der stromlosen Ausgangsstellung in einer nicht-gekippten und nicht-verschobenen Mittelstellung zwischen den beiden Verstellpositionen. Dadurch können die Ventilsitze durch das Stellglied in der stromlosen Ausgangsstellung verschlossen werden. Die stromlose Ausgangsstellung entspricht demnach im Wesentlichen einer Gleichgewichts- oder Equilibriumstellung.
-
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Stellglied in Richtung zu den Ventilsitzen elastisch so vorgespannt ist und die Lagerung so ausgeführt ist, dass der Überdruck, bei dem das Stellglied in die Überdruckstellung bewegbar ist, größer als ein Arbeitsdruck ist, bei dem im bestromten Zustand des Fluidik-Bauteils das Stellglied stets einen Ventilsitz schließt. So kann verhindert werden, dass das Stellglied bei einem normalen Arbeitsfluiddruck auf das Stellglied, der beim normalen Betrieb des Fluidik-Bauteils durch die Fluidströmung auf das Stellglied wirkt, in seine Überdruckstellung bewegt wird. Dementsprechend kann es zu keinen ungewollten Kreuzkontaminationen kommen.
-
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass sich beim druckinduzierten Bewegen des Stellglieds aufgrund eines angelegten Überdrucks zumindest in Höhe des vorbestimmten Überdrucks das Stellglied translatorisch, insbesondere entlang einer zu einer Längsachse des Stellglieds in seiner Ausgangsstellung parallelen Achse von den Fluidöffnungen weg bewegt. Auf diese Weise sind sofort alle Fluidöffnungen gleichzeitig geöffnet und demnach in Strömungsverbindung, wodurch eine weitere Möglichkeit der Strömungssteuerung geschaffen sowie eine Spülung des Fluidik-Bauteils ermöglicht werden kann.
-
Gemäß einem Aspekt ist das Stellglied so ausgebildet, dass ausschließlich durch Anlegen von Überdruck über die dritte Fluidöffnung, der zum Verstellen des Stellglieds in die Überdruckstellung führt das Stellglied vom ersten und zweiten Ventilsitz abheben kann. So wird sichergestellt, dass bei normalem Fluiddruck, der im normalen Betrieb über die erste und zweite Fluidöffnung am Stellglied anliegt, keine Bewegung des Stellglieds in seine Überdruckstellung erfolgt. Dadurch kann eine ungewollte Kreuzkontamination zuverlässig unterbunden werden kann. Über die mittlere, dritte Fluidöffnung wird eine Spülung des Fluidik-Bauteils gewährleistet.
-
Insbesondere ist das Stellglied auch im bestromten Zustand durch Anlegen zumindest eines zweiten vorbestimmten Überdrucks in die Überdruckstellung bewegbar. Somit muss das Stellglied nicht zuerst in die stromlose Ausgangsstellung gebracht werden, bevor es in die Überdruckstellung bewegt werden kann. So kann die Reaktionsgeschwindigkeit des Fluidik-Bauteils erhöht werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Stellglied einen Spulenträger, der eine bestrombare Luftspule trägt, die im Magnetfeld angeordnet ist und fest an den Spulenträger gekoppelt ist. Eine Luftspule ist bekanntermaßen ein vielfach um ein nicht-weichmagnetisches Material (i.d.R. Luft) gewickelter Draht ohne einen weichmagnetischen Kern. Der, insbesondere nicht-magnetische, Spulenträger kann nicht-magnetisierbar sein und z.B. aus Kunststoff gebildet sein. Da der Spulenträger fest an die Luftspule gekoppelt ist, kann er bei entsprechender Gestaltung direkt zu einer Manipulation einer Membran, zur Auslenkung eines Dichtelements etc. benutzt werden. Ein Stromfluss durch die Windungen der Spule erzeugt eine Lorentzkraft, die eine Bewegung des Spulenträgers um die Drehachse zur Folge hat. Dieser Aufbau erlaubt eine kompakte und flache Bauform. Die Abmessungen des gesamten Fluidik-Bauteils lassen sich ggf. auf eine Größenordnung von nur wenigen Millimetern bis einigen Zentimetern reduzieren.
-
Der Aktor ist sehr leistungsstark. Seine Kraft hängt direkt von der Stromstärke des durch die Luftspule fließenden Stroms, dem Magnetfeld und dem Abstand zwischen Luftspule und Magnetfeld ab. Da der Abstand zwischen Luftspule und Magnetfeld konstant ist, ändert sich die Kraft nicht aufgrund einer Änderung des Hubs. Daher lassen sich große Hübe mit verhältnismäßig großer Kraftübertragung erreichen, während bei herkömmlichen Magnetventilen die zur Verfügung stehende Kraft mit dem Hub stark abnimmt.
-
Eine Magnetanordnung weist vorzugsweise mehrere Permanentmagnete auf. Deren Magnetfelder lassen sich am effektivsten nutzen, wenn die Permanentmagnete so angeordnet sind, dass ihre Längsachsen parallel zur Längsachse der Luftspule verlaufen, die quer durch den durch die Luftspule gebildeten Ring verläuft.
-
Außerdem sollten die Permanentmagnete so angeordnet sein, dass einander gegenüberliegenden Permanentmagneten immer entgegengesetzte Pole gegenüberliegen.
-
Insbesondere ist das Stellglied in einer zu den Hauptrichtungen der Magnetfelder senkrechten Richtung linear beweglich gelagert. Abhängig von der oder den Stromflussrichtungen in den zur Krafterzeugung genutzten Wicklungsabschnitten der Luftspule sollte die Richtung der linearen Lagerung zudem so gewählt werden, dass sie mit der (Haupt-)Richtung der Lorentzkraft übereinstimmt. So kann die Lorentzkraft ohne Verluste am effektivsten als Antriebskraft genutzt werden.
-
Alternativ oder zusätzlich kann das Stellglied um die zu den Hauptrichtungen der Magnetfelder parallele Drehachse schwenkbar gelagert sein. Hier wird die Lorentzkraft optimal als Antriebskraft für eine Schwenkbewegung genutzt.
-
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Stellglied einen Fortsatz aufweist, der wippenartig, mit entgegengesetzten Wippenarmen ausgebildet ist, und der die Drehachse aufweist, wobei die Wippenarme jeweils einem Ventilsitz zugeordnet sind. Durch die Wippenarme kann jeweils einer der Ventilsitze geöffnet werden, während der andere der Ventilsitze gleichzeitig geschlossen wird, beispielsweise durch ein Zusammenwirken des Fortsatzes mit einem Dichtelement.
-
Beispielsweise ist der Fortsatz einteilig am Stellglied angeformt. Auf diese Weise müssen keine separaten Bauteile vorgesehen werden.
-
Alternativ oder zusätzlich kann das Stellglied mehrteilig ausgebildet sein und ein separates Bauteil haben, das Wippenarme aufweist, die jeweils einem Ventilsitz zugeordnet sind, wobei die Drehachse an dem Bauteil vorgesehen ist. Aufgrund der mehrteiligen Ausführung des Stellglieds kann das separate Bauteil schnell und einfach montiert und demontiert werden. Hier kann das separate Bauteil mit einem Dichtelement zusammenwirken.
-
Ein Aspekt sieht vor, dass zwischen dem Stellglied und den Ventilsitzen zumindest ein flexibles, durch das Stellglied bewegliches Dichtelement, insbesondere eine Dichtmembran, angeordnet ist, durch das die Fluidkammer vom Stellglied fluidisch getrennt ist. Auf diese Weise können empfindliche Komponenten des Fluidik-Bauteils auf der dem Stellglied zugeordneten Seite des Dichtelements vor dem Fluid geschützt werden.
-
Alternativ oder zusätzlich liegt das Dichtelement in der strominduzierten Stellung des Stellglieds an einem der Ventilsitze, in der stromlosen Ausgangsstellung des Stellglieds an beiden Ventilsitzen und in der stromlosen, druckinduzierten Überdruckstellung an keinem der Ventilsitze dichtend an. Durch das Dichtelement wird ein zuverlässiges und dichtes Verschließen der ersten und/oder zweiten Fluidöffnung und damit eine zuverlässige und dichte Entkoppelung der ersten und/oder zweiten Fluidöffnung von der dritten Fluidöffnung sichergestellt. Beim dichtenden Anliegen der Dichtmembran an einem oder beiden Ventilsitzen wird die Dichtmembran elastisch verformt. Beim Verstellen des Stellglieds wird aufgrund der elastischen Verformung des Dichtelements eine gewisse Bewegungstoleranz zugelassen, durch die im Übergangsbereich zwischen der ersten strominduzierten Schwenkstellung und der zweiten strominduzierten Schwenkstellung beide Ventilsitze abgedichtet sind. So können Kreuzkontaminationen zuverlässig verhindert werden.
-
Es ist natürlich auch denkbar, dass anstatt eines Dichtelements mehrere Dichtelemente vorgesehen sind, die jeweils einem Ventilsitz zugeordnet sind. Diese können beispielsweise als Stößel gebildet sein.
-
Insbesondere ist das Dichtelement direkt am Fortsatz des Stellglieds oder direkt am separaten Bauteil befestigt. Demnach wird eine Bewegung des Fortsatzes oder des separaten Bauteils unmittelbar auf das Dichtelement übertragen, das heißt, es sind keine weiteren Bauteile zur Übertragung dazwischengeschaltet. Auf diese Weise wird ein einfacher Übertragungsmechanismus geschaffen, durch den Bauteile und Bauraum gespart werden können.
-
Optional ist das Dichtelement einteilig und/oder erstreckt sich das Dichtelement am Fortsatz des Stellglieds oder dem separaten Bauteil entlang vom ersten Ventilsitz bis zum zweiten Ventilsitz. Das Dichtelement bedeckt so eine komplette den Ventilsitzen zugewandte Stirnseite des Fortsatzes oder des separaten Bauteils.
-
Beispielsweise ist das Dichtelement zerstörungsfrei lösbar, insbesondere formschlüssig, am Fortsatz oder dem separaten Bauteil befestigt. Auf diese Weise gestaltet sich eine Montage und Demontage sehr einfach und es werden zudem keine separaten Bauteile zur Befestigung benötigt.
-
Insbesondere ist die Fluidkammer über das Dichtelement vom Stellglied fluidisch getrennt. Das Dichtelement erfüllt somit eine Doppelfunktion, zum einen als Dichtungswand zwischen Fluidkammer und Stellglied und zum anderen als Dichtung zwischen dem Stellglied und den Ventilsitzen. Das spart Platz und Bauteile.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das Stellglied über zumindest einen Zapfen, der in einem Lager mit Spiel aufgenommen ist, schwenkbar und seitlich verstellbar ist. Durch den Zapfen wird das Stellglied beim Verschwenken im Lager geführt. So wird die vom elektrodynamischen Aktor auf das Stellglied wirkende Kraft beim Verstellen in eine geführte Stellbewegung übertragen. Hierbei stellt der Zapfen die Drehachse dar.
-
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass das Lager einen die Überdruckstellung definierenden mittleren Anschlagsabschnitt hat, an dem der Zapfen in der Überdruckstellung anliegt und vom mittleren Anschlagsabschnitt schräg voneinander weg verlaufende Rampenflächen vorgesehen sind, entlang derer der Zapfen beim strominduzierten Bewegen entlangläuft, wobei jede Rampenfläche einem Ventilsitz zugeordnet ist und die Rampenflächen aufeinander zulaufen, um sich in einem Schnittpunkt zu treffen. Das Lager dient demnach als eine Art Kulissenführung, in der der Zapfen bei einem Verstellen des Stellglieds in seine Endstellungen geführt wird. Hierbei sind die Rampenflächen so angeordnet, dass sie sich mit zunehmender Beabstandung vom Schnittpunkt weiter von den jeweiligen Ventilsitzen entfernen.
-
Die Kontaktflächen für das Lager verlaufen zum Beispiel V- oder U-förmig.
-
Insbesondere bildet der Schnittpunkt einen die Ausgangsstellung definierenden mittleren Ausgangsstellabschnitt des Lagers, an dem der Zapfen in der Ausgangsstellung anliegt.
-
Der die Überdruckstellung definierende mittlere Anschlagsabschnitt und der die Ausgangsstellung definierende mittlere Ausgangsstellabschnitt können auf einer gemeinsamen Achse liegen, die parallel zu einer Längsachse des Fluidik-Bauteils ist.
-
Beispielsweise weist das Lager eine dreieckige, dreizackige oder kuchenstückförmige Aufnahme für den Zapfen auf, durch die das Stellglied um die Drehachse kippbar und gleichzeitig in Richtung quer zur Drehachse verschiebbar ist. Durch das simultane Kippen und Verschieben des Stellglieds kann sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt des strominduzierten Verstellprozesses des Stellglieds zumindest ein Ventilsitz geschlossen ist. Dabei sind der Zapfen und die Aufnahme so aufeinander abgestimmt, dass der Zapfen ausgehend von einer Stellung, in der er am nächsten zum Schnittpunkt liegt maximal von dem mittleren Anschlagsabschnitt beabstandet ist. Auf diese Weise ist das Stellglied in der Ausgangsstellung und in der Überdruckstellung in zwei örtlich voneinander beabstandeten Positionen angeordnet, sodass einerseits die Verschließung der ersten und zweiten Fluidöffnung und andererseits die Öffnung aller Fluidöffnungen ermöglicht werden kann.
-
Das Lager kann dabei so positioniert sein, dass sich beim strominduzierten Kippen des Stellglieds das Stellglied, insbesondere einer der Wippenarme, an einem Ventilsitz abstützt und sich dadurch aufgrund des Spiels im Lager translatorisch entlang der Rampenflächen bewegt. Erst durch die translatorische Bewegung wird der Ventilsitz, von dem sich das Stellglied wegbewegt, vollständig geöffnet. Davor sind beide Ventilsitze durch das Stellglied geschlossen. So können Kreuzkontaminationen zuverlässig verhindert werden.
-
Alternativ oder zusätzlich bewegt sich beim druckinduzierten Bewegen des Stellglieds das Stellglied aufgrund des Spiels im Lager translatorisch, insbesondere rein translatorisch, bis zum Anschlag an den mittleren Anschlagsabschnitt. So werden alle Fluidöffnung zur Fluiddurchströmung geöffnet, wodurch eine weitere Möglichkeit der Strömungssteuerung geschaffen sowie eine Spülung des Fluidik-Bauteils ermöglicht werden kann.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist das Stellglied den zumindest einen Zapfen auf, und das Lager ist im Gehäuse vorgesehen. Auf diese Weise kann das Stellglied einfach in das Gehäuse eingesetzt und drehbar und verschiebbar im Gehäuse befestigt werden.
-
Natürlich kann vorgesehen sein, dass das Stellglied das Lager aufweist und im Gehäuse der zumindest eine Zapfen angeordnet ist.
-
Gemäß einem Aspekt weist das Gehäuse einen Sockel, in dem die Ventilsitze und die Fluidöffnungen ausgebildet sind, und einen Topf auf, in dem der elektrodynamische Aktor angeordnet ist, wobei das Lager im Topf vorgesehen ist und der Topf durch den Sockel geschlossen ist. Durch diese Anordnung kann das Fluidik-Bauteil einfach montiert und demontiert werden. Dabei stellen der Topf und der Sockel Gehäuseteile des Gehäuses dar.
-
Insbesondere ist das Dichtelement zwischen dem Topf und dem Sockel eingespannt. So kann eine dichte Trennung zwischen dem Fluidraum und einem Aufnahmeraum für den Aktor ausgebildet werden. Hierbei ist der Fluidraum durch den Sockel und das Dichtelement begrenzt, und der Aufnahmeraum ist durch den Topf und das Dichtelement begrenzt.
-
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass eine Rückstellvorrichtung vorgesehen ist, die beim Schalten in einen stromlosen Zustand und/oder beim Abstellen des Überdrucks am Stellglied eine Bewegung des Stellglieds zurück in die stromlose Ausgangsstellung bewirkt, wobei die Rückstellvorrichtung zwischen dem Stellglied und dem Gehäuse angeordnet ist und eine Vorspannung auf das Stellglied in seine Ausgangsstellung ausübt. Durch die Rückstellvorrichtung kann, ohne Anlegen eines Stroms, gewährleistet werden, dass das Stellglied in die Ausgangstellung zurückgeführt wird und dass in der Ausgangstellung beide Ventilsitze dicht verschlossen sind. Zur Bewegung des Stellglieds in die Überdruckstellung muss dementsprechend der dazu am Stellglied wirkende Druck größer sein als die Vorspannung auf das Stellglied durch die Rückstellvorrichtung.
-
Insbesondere ist die Rückstellvorrichtung so ausgebildet, dass sie in einem gekippten und/oder verschobenen Zustand des Stellglieds eine horizontale und vertikale Kraftkomponente auf das Stellglied aufbringt und in der Ausgangsstellung lediglich eine vertikale Komponente auf das Stellglied aufbringt, durch die das Stellglied in Richtung der Ventilsitze beaufschlagt ist. So wird zum einen sichergestellt, dass in einem verstellten Zustand das Stellglied auf den jeweiligen Ventilsitz drückt und dadurch die zugeordnete Fluidöffnung dicht geschlossen wird. Zum anderen wird in der stromlosen Ausgangsstellung ein dichter Verschluss der beiden Ventilsitze gewährleistet.
-
Eine Längsachse der Rückstellvorrichtung und eine Symmetrieachse der Hohlspule können in der Ausgangsstellung auf einer gemeinsamen Achse liegen. Die Längsachse und die Symmetrieachse können an der Drehachse vorbei verlaufen, um ein definiertes Rückstellmoment zu erzeugen.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Fluidik-Bauteils,
- - 2 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Fluidik-Bauteils gemäß 1 mit einem Stellglied in einer stromlosen Ausgangsstellung,
- - 3 eine Detailansicht eines Bodenbereichs des erfindungsgemäßen Fluidik-Bauteils gemäß 2,
- - 4 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Fluidik-Bauteils gemäß 1 mit dem Stellglied in einer bestromten Schwenkstellung, und
- - 5 eine Detailansicht des Bodenbereichs des erfindungsgemäßen Fluidik-Bauteils gemäß 4,
- - 6 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Fluidik-Bauteils gemäß 1 mit dem Stellglied in einer druckinduzierten Überdruckstellung, und
- - 7 eine Detailansicht des Bodenbereichs des erfindungsgemäßen Fluidik-Bauteils gemäß 6.
-
In 1 ist ein Fluidik-Bauteil 10 dargestellt, das beispielsweise ein Ventil, insbesondere ein Mikroventil, oder eine Pumpe, insbesondere eine Mikropumpe, ist.
-
Im Folgenden beziehen sich die verwendeten Richtungsangaben auf eine ordnungsgemäße Montageposition des Fluidik-Bauteils 10. Dabei ist das Fluidik-Bauteil 10 an einer Hochrichtung H orientiert.
-
Das Fluidik-Bauteil 10 hat ein Gehäuse, das eine Stirnwand 12 als Teil eines mehrteiligen Topfes 14 und einen Sockel 16 umfasst. Der Topf 14 stellt ein topfförmiges Aktorgehäuse und der Sockel 16 eine plattenförmige Ventilsitzplatte dar.
-
Die Stirnwand 12 stellt das obere Ende des Topfs 14 dar.
-
Der Topf 14 ist auf dem Sockel 16 aufgesetzt, der den Topf 14 nach unten hin abschließt.
-
Der Topf 14 weist neben der Stirnwand 12 ein rohrförmiges Oberteil 18 und ein Unterteil 20 auf.
-
Innerhalb des Gehäuses sind ein Aktor 22 und ein separates, mit dem Aktor 22 unmittelbar gekoppeltes separates Bauteil 24 angeordnet.
-
Der Aktor 22 ist ein elektromagnetischer Aktor und umfasst mehrere Permanentmagnete 26, eine Rückstellvorrichtung 28 und ein Stellglied 30.
-
Die Permanentmagnete 26 sind ortsfest bezüglich des Topfs 14 angeordnet und erzeugen ein Magnetfeld, in dem sich das schwenkbar angeordnete Stellglied 30 relativ zu den Permanentmagneten 26 bewegen kann. Die Permanentmagnete 26 können direkt an einer Innenwand des Oberteils 18 fixiert sein, beispielsweise durch Kleben.
-
Zur Abschirmung der Magnetfelder der Permanentmagnete 26 kann der Topf 14 selbst als Abschirmungsgehäuse aus einem geeigneten Material gebildet sein.
-
Alternativ kann der Topf 14 beispielsweise aus Kunststoff gebildet sein, wenn darin Schirmbleche zur Abschirmung der Magnetfelder aufgenommen sind.
-
Am Stellglied 30 ist auf einem Spulenträger 32 eine bestrombare Luftspule 34 vorgesehen, die fest mit dem Stellglied 30 verbunden bzw. Teil desselben ist und sich zusammen mit diesem bewegt.
-
Der Spulenträger 32 ist aus einem nicht-weichmagnetischen Material gefertigt, insbesondere einem geeigneten Kunststoff.
-
Die Luftspule 34 umschließt hier einen länglichen Hohlraum 35 ringförmig. Der Hohlraum 35 könnte auch vom Material des Spulenträger 32 ganz oder teilweise ausgefüllt sein.
-
Die Luftspule 34 weist mehrere Wicklungen aus einem Kupferdraht auf und ist hier oval und bezüglich der Hochrichtung H des Fluidik-Bauteils 10 lang gestreckt. Dabei sind zwei parallele Abschnitte 36 der Luftspule 34 gebildet, die mit unterschiedlicher Stromrichtung durchflossen werden und die parallel zu einer Symmetrieachse 46 der Luftspule verlaufen.
-
Wird die Luftspule 34 bestromt, so erzeugen die sich durch die Wicklungen der Luftspule 34 bewegenden Ladungen im Magnetfeld der Permanentmagnete 26 eine Lorentzkraft, die zu einem Verschwenken des Stellglieds 30 um eine senkrecht zur Ebene der Luftspule 34 stehende Drehachse D führt. Diese Achse D kann auch als Schwenkachse bezeichnet werden.
-
Die Ebene, in der die Luftspule 34 liegt, ist orthogonal zur Drehachse D und liegt hier parallel zu einer breiten Seite des Oberteils 18, sodass auch eine Schwenkbewegung des Stellglieds 30 parallel zur breiten Seite erfolgt.
-
In diesem Beispiel sind vier Permanentmagnete 26 vorgesehen, die so angeordnet sind, dass jeweils zwei Permanentmagnete 26 beidseits des Stellglieds 30 in einer Ebene parallel zur Ebene der Luftspule 34 und der Ebene des Stellglieds 30 liegen. Somit sind zwei bezüglich der Hochrichtung H nebeneinander angeordnete Magnetpaare gebildet, die jeweils aus zwei auf beiden Seiten des Stellglieds 30 fixierten Permanentmagneten 26 bestehen.
-
Die Polung des einen Magnetpaars ist umgekehrt zu dem des anderen Magnetpaars gewählt.
-
Die beiden Magnetpaare sind in ihrer Größe und Position so gewählt, dass jeweils einer der Abschnitte 36 der Luftspule 34 im Wesentlichen nur im Magnetfeld eines der Magnetpaare liegt und sich ausschließlich in dessen Magnetfeld bewegt.
-
Die unterschiedliche Polung der beiden Magnetpaare sorgt dafür, dass die von den beiden Abschnitten 36 der Luftspule 34 erzeugte Lorentzkraft jeweils in dieselbe Richtung wirkt. Über die Polung der Magnetpaare lässt sich auch die Bewegungsrichtung des Stellglieds 30 bei Bestromen der Luftspule 34 festlegen.
-
Die Luftspule 34 ist elektrisch leitend über zwei Kontaktierungskomponenten 38 mit fest am Unterteil 20 angebrachten elektrischen Anschlüssen 40 verbunden.
-
Die Kontaktierungskomponenten 38 sind hier als Schraubenfedern ausgebildet und stützen sich jeweils am Unterteil 20 und am Stellglied 30 ab.
-
Dabei übernehmen die Kontaktierungskomponenten 38 keine oder nur eine vernachlässigbar geringe Stellfunktion. Die Kontaktierungskomponenten 38 sind notwendig für die Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung von den elektrischen Anschlüssen 40 zur Luftspule 34.
-
Die zwei elektrischen Anschlüsse 40 sind formschlüssig im Unterteil 20 aufgenommen und führen aus dem Unterteil 20 durch das Oberteil 18 zur Kontaktierung nach außen. Das Oberteil 18 ist von der Stirnwand 12 abgeschlossen, durch welchen die elektrischen Anschlüsse 40 zur Weiterkontaktierung nach außen geführt sind.
-
An einem dem Sockel 16 zugewandten Ende des Spulenträgers 32 ist ein hakenförmiger Fortsatz 42 einteilig angeformt, der zwei parallele, plattenförmige Teile umfasst, die zwischen sich einen Freiraum 43 bilden. Der Fortsatz 42 ist wippenartig ausgebildet und weist zwei Wippenarme 44 auf.
-
Die Wippenarme 44 haben eine gestufte Kontur.
-
Eine Durchgangsöffnung 45 verläuft orthogonal zur Ebene der Luftspule 34 durch den Fortsatz 42. Die Durchgangsöffnung 45 liegt hierbei koaxial zur Drehachse D.
-
Das Bauteil 24 wird über die Durchgangsöffnung 45 fest am Stellglied 30 befestigt.
-
Alternativ kann das Bauteil 24 ein einstückig in den Spulenträger 32 übergehender Abschnitt des Spulenträgers 32 sein.
-
Das Stellglied 30 ist durch die Rückstellvorrichtung 28 in eine stromlose Ausgangsstellung vorgespannt, in der die Symmetrieachse 46 des Stellglieds 30 im Wesentlichen leicht gewinkelt zur Hochachse H ist. Die Rückstellvorrichtung 28 ist an einem höchsten Punkt des Stellglieds 30 angeordnet und übt eine Vorspannung in vertikaler Richtung nach unten auf das Stellglied 30 aus, wobei die von der Rückstellvorrichtung 28 ausgeübte Kraft längs der Symmetrieachse 46 an der Drehachse D vorbeiläuft.
-
Die Rückstellvorrichtung 28 umfasst eine Rückstellfeder 48 und ein Führungselement 50.
-
Das Führungselement 50 wird durch die Rückstellfeder 48 gegen das Stellglied 30 beaufschlagt und verteilt so die Kraft der Rückstellfeder 48 einheitlich auf das Stellglied 30.
-
Die Rückstellfeder 48 ist in diesem Beispiel eine Spiralfeder, die sich zum einen an der Stirnwand 12 und zum anderen am Führungselement 50 abstützt.
-
An dem dem Sockel 16 zugewandten Ende des Spulenträgers 32 ist das separate Bauteil 24 angeordnet, das durch das Stellglied 30 in drei Stellungen gebracht werden kann (siehe Erläuterungen zu den 2 bis 5).
-
Das separate Bauteil 24 ist teilweise im Freiraum 43 des Fortsatzes 42 aufgenommen, wobei das separate Bauteil 24 Bereiche 52 aufweist, die eine zu den Wippenarmen 44 des Fortsatzes 42 komplementär ausgebildete Kontur aufweisen.
-
Des Weiteren sind an dem separaten Bauteil 24 seitlich von entgegengesetzten Seiten abstehende Zapfen 54 angeformt, die orthogonal vom separaten Bauteil 24, parallel zur Drehachse D nach außen abstehen. Insbesondere liegen die Zapfen 54 auf einer gemeinsamen Achse, die der Drehachse D entspricht.
-
Beidseits der Zapfen 54 erstreckt sich jeweils ein Wippenarm 56 des separaten Bauteils 24, wobei sich bei einem Verschwenken des Stellglieds 30 und somit des separaten Bauteils 24 jeweils einer der Wippenarme 56 bezüglich der Hochrichtung H hebt und sich der andere der Wippenarme 56 senkt.
-
Im zusammengesetzten Zustand liegen die Wippenarme 44 an den Abschnitten 52 des separaten Bauteils 24 an. Dabei erstrecken sich die Zapfen 54 des separaten Bauteils 24 durch die Durchgangsöffnung 45 des Fortsatzes 42 und sind in je einem zugeordneten Lager 60 schwenkbar und in Richtung quer zur Drehachse D verschiebbar mit Spiel gelagert.
-
Das Lager 60 ist im Wesentlichen dreieckig mit abgerundeten Ecken und an einer zur Ebene der Luftspule 34 parallelen Seite 62 des Unterteils 20 vorgesehen, siehe 3.
-
Das Lager 60 weist einen mittleren, tiefsten Ausgangsstellabschnitt 64 und einen mittleren Anschlagsabschnitt 65 auf, der vertikal über dem Ausgangsstellabschnitt 64 angeordnet ist.
-
Von dem Ausgangsstellabschnitt 64 aus verlaufen Rampenflächen 66 schräg seitlich voneinander weg zu den Enden des Anschlagabschnitts 65 nach oben hin V- oder U-förmig.
-
In Richtung zum Sockel 16 gesehen, laufen die Rampenflächen 66 auf einander zu, um sich in einem Schnittpunkt zu treffen. Der Schnittpunkt liegt dabei im Bereich des mittleren Ausgangsstellabschnitt 64.
-
Die mittleren Abschnitte 64, 65 und die durch die Rampenflächen 66 begrenzten zusammen die dreieckige Aufnahme des Lagers 60.
-
Je nach Stellung des Stellglieds 30 ist der Zapfen 54 in einem der mittleren Abschnitte 64, 65 oder an einer der Rampenflächen 66 positioniert, allgemeiner gesagt, in einem von der jeweiligen Rampenfläche 66 begrenzten Schlitz.
-
Auf der dem Stellglied 30 abgewandten Seite des separaten Bauteils 24 ist ein einteiliges, flexibles Dichtelement 58 angeordnet, das hier als Dichtmembran ausgebildet ist.
-
Das Dichtelement 58 ist direkt am separaten Bauteil 24, vorzugsweise vollflächig, befestigt und erstreckt sich über eine gesamte dem Sockel 16 zugewandte Stirnseite des separaten Bauteils 24.
-
Das Dichtelement 58 ist im zusammengesetzten Zustand des Fluidik-Bauteils 10 zwischen dem Unterteil 20 und dem Sockel 16 umfangsmäßig geklemmt.
-
Der Sockel 16 weist eine erste Fluidöffnung 68, eine zweite Fluidöffnung 72 und eine dritte Fluidöffnung 70 auf, die z. B. parallel zur Ebene der Luftspule 34 angeordnet sind. Dabei ist die dritte Fluidöffnung 70 mittig zwischen den beiden anderen Fluidöffnungen 68, 72 positioniert.
-
Den Fluidöffnungen 68, 72 ist jeweils ein Ventilsitz 74, 76 zugeordnet. Diese sind wiederrum jeweils einem Wippenarm 56 des separaten Bauteils 24 zugeordnet.
-
Abhängig von der Stellung des Stellglieds 30 liegt das Dichtelement 58 an zumindest einem der Ventilsitze 74, 76 dichtend an, wodurch die zugeordneten Fluidöffnungen 68, 72 verschlossen sind.
-
Das zwischen dem Unterteil 20 und dem Sockel 16 eingespannte Dichtelement 58 kann also mit Hilfe des Aktors 22 die den Wippenarmen 56 zugeordneten Ventilsitze 74, 76 wechselseitig öffnen oder schließen, wie in den 4 und 5 gezeigt ist, oder beide gleichzeitig schließen, wie in den 2 und 3 gezeigt ist.ln den 2 und 3 ist das Fluidik-Bauteil 10 gemäß 1 in einem zusammengesetzten Zustand dargestellt.
-
Hier lässt sich gut erkennen, wie das Dichtelement 58 zwischen dem Unterteil 20 und dem Sockel 16 geklemmt ist. Diese Klemmung erfolgt am gesamten Umfangsrand des Dichtelements 58.
-
So wird durch das Dichtelement 58 eine mit Fluid durchströmbare Fluidkammer 78 fluidisch von einem durch das Aktorgehäuse 14 und die Stirnwand 12 gebildeten Aufnahmeraum 80 getrennt. Mit anderen Worten ausgedrückt, begrenzen das Dichtelement 58 und der Sockel 16 die Fluidkammer 78, und der Stirnwand 12, das Aktorgehäuse 14 und das Dichtelement 58 begrenzen den Aufnahmeraum 80.
-
Im Aufnahmeraum 80 sind die Bauteile angeordnet, die nicht mit Fluid in Berührung kommen sollen, beispielsweise der Aktor 22.
-
Auch das Stellglied 30 ist im Aufnahmeraum 80 angeordnet.
-
In die Fluidkammer 78 münden die drei Fluidöffnungen 68, 70, 72.
-
Bei dem in den 2 und 3 gezeigten Fluidik-Bauteil 10 befindet sich das Stellglied 30 in der stromlosen Ausgangsstellung. Hierbei weist die Rückstellvorrichtung 28 oder genauer die Rückstellfeder 48 lediglich eine vertikale Kraftkomponente 82 auf, die entlang der Symmetrieachse 46 auf das Stellglied 30 einwirkt und an der Drehachse D vorbeiläuft.
-
Auf diese Weise wird das Stellglied 30 durch die Rückstellvorrichtung 28 in Richtung der Ventilsitze 74, 76 vorgespannt.
-
In der stromlosen Ausgangsstellung ist der Zapfen 54 des separaten Bauteils 24 im mittleren Ausgangsstellabschnitt 64 des Lagers 60 (in 3 gestrichelt angedeutet) aufgenommen, d.h. am niedrigst gelegenen Punkt des Lagers 60. So kann das Dichtelement 58 auf die Ventilsitze 74, 76 gepresst werden, wodurch die den Ventilsitzen 74, 76 zugeordneten Fluidöffnungen 68, 72 dicht verschlossen werden.
-
Bei einer Beaufschlagung der Luftspule 34 über die elektrischen Anschlüsse 40 mit Gleichstrom sind hier die Stromflussrichtungen in den linken und rechten Abschnitten 36 der Luftspule 34 genauso entgegengesetzt wie die Richtungen des linken und des rechten Magnetfelds. Je nach Polung der angelegten Spannung wirkt daher auf beide Luftspulenabschnitte 36 eine nach rechts bzw. links gerichtete Lorentzkraft. Dadurch wird das Stellglied 30 gegen die Vorspannung der Rückstellvorrichtung 28 im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn um die Drehachse D verschwenkt und aufgrund des Spiels im Lager 60 quer zur Drehachse D verschoben.
-
In der in den 4 und 5 gezeigten strominduzierten Schwenkstellung ist das Stellglied 30 gegen den Uhrzeigersinn verschwenkt und nach links oben verschoben.
-
Infolgedessen drücken nicht mehr beide Wippenarme 56 das Dichtelement 58 auf die Ventilsitze 74, 76, sondern lediglich der linke Wippenarm 56 drückt einen linken Teil des Dichtelements 58 gegen den Ventilsitz 74.
-
Dabei stützt sich der linke Wippenarm 56 über das Dichtelement 58 am linken Ventilsitz 74 auf, und aufgrund des Spiels im dreieckigen Lager 60 wird der Zapfen 54 entlang der Rampenfläche 66 nach links oben verschoben, wobei sich der Zapfen 54 an der oberen Rampenfläche 66 der linken Hälfte abstützt. Auf diese Weise wird das Stellglied 30 zum einen gegen den Uhrzeigersinn um die Drehachse D verschwenkt und gleichzeitig quer zur Drehachse D verschoben.
-
Nur durch das kombinierte Schwenken und Verschieben des Stellglieds 30 ist es möglich, den rechten Wippenarm 56 und dadurch einen rechten Teil des Dichtelements 58 vom rechten Ventilsitz 76 abzuheben und so den rechten Ventilsitz 76 und die zugeordnete Fluidöffnung 72 zu öffnen.
-
Somit wird der Ventilsitz 76 geöffnet und der Ventilsitz 74 verschlossen. Während des gesamten Schwenk- und Verschiebungsprozesses bleibt der linke Ventilsitz 74 dicht verschlossen.
-
Sobald der Strom abgeschaltet wird, entfällt die Lorentzkraft, und die Rückstellvorrichtung 28 drückt das Stellglied 30 aufgrund der vertikalen Kraftkomponente 82 und einer horizontal gerichteten Kraftkomponente 84 der Rückstellfeder 48 wieder zurück in den stromlosen Ausgangszustand.
-
Anstelle des Dichtelements 58 können auch mit den Wippenarmen 56 verbundene oder an diese gekoppelte einzelne, separate Dichtungselemente vorgesehen sein, die jeweils einen Ventilsitz 74, 76 verschließen oder öffnen. In diesem Fall können die Ventilsitze 74, 76 in einem einteiligen Fluidgehäuse gebildet sein.
-
Eine Verstellung des Stellglieds 30 nach rechts bzw. mit dem Uhrzeigersinn erfolgt analog zur oben beschriebenen Verstellung des Stellglieds 30 nach links bzw. gegen den Uhrzeigersinn nur entgegengesetzt. Das heißt, die Luftspule 34 wird mit einer entgegengesetzten Spannung bestromt, wodurch das Stellglied 30 im Uhrzeigersinn geschwenkt und entlang der rechten Rampenfläche 66 nach rechts oben im Lager 60 verschoben wird. Dadurch wird der linke Wippenarm 56 und dadurch der linke Teil des Dichtelements 58 vom linken Ventilsitz 74 abgehoben und so der linke Ventilsitz 74 und die zugeordnete Fluidöffnung 68 geöffnet.
-
Beim beschriebenen Fluidik-Bauteil 10 ist zu jedem Zeitpunkt des strominduzierten Verstellens des Stellglieds 30 zumindest ein Ventilsitz 74, 76 dicht geschlossen. Dies ermöglicht die Vermeidung einer Kreuzkontamination. Zudem ist durch das Fluidik-Bauteil 10 nicht nur wechselseitiges Öffnen und Schließen der Ventilsitze 74, 76 möglich, sondern auch eine Zwischenstellung (stromlose Ausgangsstellung), in der beide Ventilsitze 74, 76 dicht verschlossen sind.
-
Das Fluidik-Bauteil 10 kann auch eine - in den 6 und 7 gezeigte - weitere Stellung einnehmen, in der keiner der Ventilsitze 74, 76 geschlossen und demnach alle Fluidöffnungen 68, 70, 72 geöffnet sind.
-
Diese Stellung wird wie gesagt durch das Anlegen eines Fluiddrucks durch eine oder mehrere der Fluidöffnungen 68, 70, 72 gegen das Dichtelement 58 des separaten Bauteils 24 erreicht.
-
Der angelegte Fluiddruck muss dabei größer sein als ein normaler Arbeitsfluiddruck, der beim normalen Betrieb des Fluidik-Bauteils 10 am Dichtelement 58 angreift, also einen vorbestimmten Überdruck erreichen.
-
Die druckinduzierte Stellung kann somit auch als Überdruckstellung bezeichnet werden.
-
Insbesondere wird das Stellglied 30 durch ein Anlegen eines Fluiddrucks durch die mittlere Fluidöffnung 70 in die Überdruckstellung überführt.
-
Dazu kann das Stellglied aus der stromlosen Ausgangsstellung im Wesentlichen vertikal, parallel zur Symmetrieachse 46 durch Anlegen eines Fluiddrucks über die mittlere Fluidöffnung 70 oder gleichzeitig über die beiden seitlichen Fluidöffnungen 68, 72 in die Überdruckstellung gebracht werden.
-
Hierbei wird der Zapfen 54 im Lager 60 im Wesentlichen vertikal vom mittleren Ausgangsstellabschnitt 64 in den mittleren Anschlagsabschnitt 65 bewegt, an dem der Zapfen 54 anschlägt.
-
Der am Stellglied 30 aufgebrachte Fluiddruck muss dabei größer sein als die durch die Rückstellvorrichtung 28 aufgebrachte vertikale Kraftkomponente 82.
-
Alternativ kann das Stellglied 30 aus einer strominduzierten Verstellposition durch Anlegen eines Fluiddrucks mit mindestens dem vorbestimmten Überdruck über eine der seitlichen Fluidöffnungen 68, 72 in die Überdruckstellung gebracht werden.
-
Hierbei wird über diejenige Fluidöffnung 68, 72 der Fluiddruck aufgebracht, die vom Stellglied 30 in seiner Verstellposition dicht verschlossen ist. Dadurch wird der Zapfen 54 von der jeweiligen Endposition der entsprechenden Rampenfläche 66 im Wesentlichen horizontal in den mittleren Anschlagsabschnitt 65 bewegt.
-
Der am Stellglied 30 aufgebrachte Fluiddruck muss dabei größer sein als die durch die Rückstellvorrichtung 28 aufgebrachte vertikale Kraftkomponente 82 und die durch die Bestromung der Luftspule 34 erzeugte Lorentzkraft.
-
In der Überdruckstellung sind alle Fluidöffnung 68, 70, 72 in Strömungsverbindung.
-
Dadurch kann das Fluidik-Bauteil 10, oder genauer die Fluidkammer 78, gespült und so leicht gereinigt werden.
-
Die Überdruckstellung kann demnach eine Spülstellung darstellen. Das Ventil wirkt folglich wie ein Rückschlagventil, das in der Spülstellung offen ist.
-
Um eine symmetrische, lineare Verstellung des Bauteils 24 beim Spülen zu erreichen, wird vorzugsweise über die Fluidöffnung 70 gespült.
