DE3635216A1 - Elektrisch ansteuerbares ventil - Google Patents
Elektrisch ansteuerbares ventilInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisch ansteuerbares
Ventil, insbesondere für gasförmige Medien, bei dem
ein Ventilelement gegenüber einer mit
einer Mehrzahl von Durchbrechungen versehenen Ven
tilplatte angeordnet und das Ventilelement und die
Ventilplatte durch einen Kurzhubantrieb relativ zu
einander unter Freigabe von mehreren Dichtlinien
senkrecht zu ihrer Fläche verschiebbar sind.
An Ventile werden, insbesondere soweit sie zur
Steuerung des Flusses gasförmiger Medien in der Me
dizintechnik eingesetzt werden, sehr hohe Anforderungen
gestellt. Im geöffneten Zustand soll einerseits der
Strömungswiderstand möglichst gering sein. Andererseits
wird auf eine vollständige Abdichtung im ge
schlossenen Zustand Wert gelegt. Weiterhin soll
die zur Betätigung des Ventils erforderliche Lei
stung gering sein. Um die Aufprallkräfte bei der
Bewegung des Ventils und den erzeugten Schall mög
lichst gering zu halten, sollen die bewegten Massen
möglichst klein gehalten werden.
Insbesondere im Hinblick auf die letztgenannte Be
dingung sind Ventiltypen eingeführt worden, bei
denen sich zwei im wesentlichen plattenförmige Ven
tilbauteile, die man als Ventilplatte und als Ventil
element bezeichnen kann, in relativ kurzem Abstand
gegenüber stehen. Die Ventilplatte weist Durchbrechungen
auf, welche im geschlossenen Zustand des Ventils von
dem Ventilelement abgedeckt werden. Die Dichtlinien
werden also im wesentlichen von den Umfangslinien
der Durchbrechungen gebildet.
Zur Betätigung des Ventils ist ein Kurzhubantrieb
vorgesehen, der das Ventilelement und die Ventil
platte relativ zueinander bewegt. Üblicherweise ist
die Ventilplatte fest eingebaut, und der Kurzhuban
trieb, dessen Hubhöhe lediglich einen Bruchteil des
Plattendurchmessers beträgt, bewegt das Ventilele
ment in einer Richtung senkrecht zur Plattenfläche.
Ein derartiges Ventil ist beispielsweise aus der
deutschen Offenlegungsschrift 30 06 298 bekannt.
Dort weist die feststehende Ventilplatte zwei
Ringstege auf, zwischen denen ein Ringkanal be
steht, in den das zu steuernde Medium über eine ent
sprechende ringförmige Leitung eintreten kann. Das
Ventilelement hat zwei den Ringstegen der Ventil
platte gegenüberliegende Ringstege, so daß die Ring
stege des Ventilelements und der Ventilplatte im
geschlossenen Zustand gegeneinanderdrücken und die
Dichtlinien bilden. Das Ventilelement wird von ei
nem piezo-elektrischen Antrieb bewegt.
Bei den bekannten Ventilen werden durch die geringe
Hubhöhe eine geringe Betätigungsleistung und eine
geräuscharme Bewegung erreicht. Durch die verhältnis
mäßig große Querschnittsfläche der Ventilplatte und
der darin enthaltenen Durchbrechungen ist der Strö
mungswiderstand trotz dieser geringen Hubhöhe ver
hältnismäßig gering. Es ist jedoch ein erheblicher
Aufwand erforderlich, um in Anbetracht der notwendi
gerweise langen Dichtlinien eine ausreichende Dich
tigkeit zu erzielen. Insbesondere für Ventile klei
ner Bauart haben sich deshalb derartige Plattenventile
bisher nicht durchsetzen können.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein
Ventil der eingangs bezeichneten Art dahingehend
zu verbessern, daß einerseits ein geringer Strömungs
widerstand und andererseits eine sehr gute Abdichtwir
kung mit einem verhältnismäßig geringem Fertigungs
aufwand erreicht wird. Insbesondere soll es möglich
werden, auch verhältnismäßig kleine Ventile, wie sie
vielfach für medizintechnische Zwecke benötigt
werden, als Plattenventile herzustellen.
Die Aufgabe wird bei einem Ventil der eingangs be
zeichneten Art dadurch gelöst, daß die Ventilplatte
mit einer Vielzahl von Durchbrechungen in einer sol
chen Oberflächenstruktur gestaltet ist, bei der
zwischen erhabenen, Auflageflächen für das Ventil
element bildenden Teilstücken nach der Seite des
Ventilelements hin offene Strömungskanäle vorhan
den sind, welche am Rand der Ventilplatte münden,
wobei die Durchbrechungen innerhalb dieser erhabenen
Teilstücke liegen, und daß das Ventilelement zumindest
in den den Durchbrechungen gegenüberliegenden Bereichen
ebene Auflageflächen gegenüber der Ventilplatte auf
weist.
Die Ventilplatte des erfindungsgemäßen Ventils läßt
sich leicht herstellen. Die Durchbrechungen sind dabei
zweckmäßig konisch und zwar kegelstumpf- oder pyramiden
stumpfförmig gestaltet. Sie lassen sich in der Ventil
platte beispielsweise durch Bohren oder Stanzen erzeugen.
Die Strömungskanäle sind vorteilhaft durch bekannte ma
terialabtragende Verfahren gebildet.
Bevorzugt wird zur Herstellung der Ventilplatte eine
Masken-Ätztechnik eingesetzt, wie sie von der Herstel
lung von Halbleitern bekannt ist. Dadurch können insbe
sondere verhältnismäßig kleine Ventilplatten mit sehr
hoher Präzision in großen Stückzahlen und verhältnismäßig
kostengünstig hergestellt werden. Eine derartige Ventil
platte besteht bevorzugt aus einem Halbleiterwerkstoff,
insbesondere aus Silizium.
Die erhabenen Teilstücke, die die Auflageflächen
für das Ventilelement bilden und in denen die Durch
brechungen liegen, können verschiedene Formen haben.
Die Gestaltung wird einerseits nach den Bedürfnissen
eines möglichst günstigen Strömungsverlaufs und an
dererseits im Hinblick auf eine einfache Herstellung
ausgerichtet. Besonders geeignet sind langgestreckte,
erhabene Teilstücke, in denen jeweils mehrere Unter
brechungen liegen, und zwischen denen ebenfalls lang
gestreckte Strömungskanäle angeordnet sind. Derartige
erhabene Teilstücke können insbesondere die Form lang
gestreckter Leisten haben.
Für die Dichtigkeit des erfindungsgemäßen Ventils ist
es wichtig, daß die Ventilplatte und das Ventilelement
über ihre gesamte Fläche im geschlossenen Zustand
plan aufeinander liegen. Aus diesem Grunde ist der
Kurzhubantrieb bevorzugt über ein Verbindungsteil mit
dem Ventilelement (bzw. falls die Ventilplatte bewegt
wird mit dieser) verbunden, welcher eine Anpassung
der Lage der bewegten Platte gegenüber der festen
Platte ermöglicht. Das Verbindungsteil hat bevorzugt
die Charakteristik eines Kugelgelenkes, wobei sich
praktisch ein Federgelenk besonders bewährt hat.
Der Kurzhubantrieb kann in verschiedener Weise, bei
spielsweise durch piezo-elektrische oder magnetostrik
tive Längenänderung erreicht werden. Besonders bevorzugt
ist jedoch ein Kurzhubantrieb, der auf Wärmeausdehnung
basiert. Er weist zu diesem Zweck ein elektrisch be
heizbares Längungsteil auf, welches mit der entsprechen
den Platte des Ventils einseitig verbunden ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfin
dung schematisch dargestellt; es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Eck
ventils,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Teil
des Ventilelementes und der Ventil
platte,
Fig. 3 und 4 eine Ausführungsform der Ventilplatte
in Draufsicht auf Unter- und Oberseite,
Fig. 5 und 6 Schnittdarstellung weiterer Ausfüh
rungsformen der Erfindung.
Das in Fig. 1 dargestellte Ventil hat ein im wesent
lichen rohrförmiges Gehäuse 1 mit einem seitlich ange
setzten Anschlußstutzen 2, der ebenfalls rohrförmig aus
gebildet ist. Am unteren Ende des Gehäuses 1 befindet
sich eine Einlaßausnehmung 3 und in dem Anschlußstutzen
2 ist eine Auslaßausnehmung 4 vorgesehen.
Am unteren Ende des Gehäuses 1 ist ein rohrförmiger Hal
teteil 5 beispielsweise mit Hilfe einer Lötnaht 6 gas
dicht eingesetzt. Eine Ventilplatte 7 bildet den oberen
Abschluß des Halteteils 5. Der Halteteil 5 ist entlang
der Lötnaht 6 als ein rundes Rohr ausgebildet, welches
zur Ventilplatte 7 hin zu einem Vierkantrohr verformt
ist. Dadurch ist eine bündige Verlötung des Halteteils 5
mit dem Lötrand 45 der Ventilplatte 7 möglich. Oberhalb
dieser Ventilplatte 7 ist ein bewegbares Ventilelement 8
vorgesehen, welches aus einer ebenflächigen Dichtungs
platte 9 und einem mit dieser verbundenen Stützelement 10
zusammengesetzt ist und im geschlossenen Zustand auf der
Ventilplatte 7 aufliegt.
Das Ventilelement 8 ist über ein Kugelgelenk 11 mit
einer unteren Endplatte 12 eines Kurzhubantriebs 13
verbunden. Die untere Endplatte 12 dient gleichzei
tig als Führungsteil in der Gehäuseausnehmung. Der
Kurzhubantrieb 13 enthält als Längungsteil ein dünn
wandiges Rohr 14, an dem eine obere Endplatte 15 be
festigt ist. An die untere Endplatte 12 und die obe
re Endplatte 15 sind jeweils Zuleitungen 16 bzw. 17
angeschlossen, mit denen aus einer nicht dargestell
ten Spannungsversorgungsquelle eine Heizspannung an
das dünnwandige Rohr 14 angelegt werden kann.
Die obere Endplatte 15 ist mit Hilfe von zwei aus
elektrisch isolierendem Werkstoff bestehenden Schalen
teilen 18, 19 gegen eine Druckfeder 20 abgestützt. Da
bei stützt sich diese Druckfeder 20 einseitig über
den Schalenteil 19 an einem Schraubdeckel 21 ab, der
auf das Gehäuse 1 aufgeschraubt ist. Die obere End
platte 15 ist in dem unteren Schalenteil 18 gegen
Federvorspannung verschiebbar. Durch diese Lagerung
der oberen Endplatte ergibt sich einerseits eine gute
Fixierung des Kurzhubantriebs 13 bei geöffnetem Ven
til und andererseits wird in der Schließstellung durch
Ausweichen der oberen Endplatte 15 eine Überlastsiche
rung erreicht.
In der stark vergrößerten Ausschnittsdarstellung nach
Fig. 2 ist die Struktur der Ventilplatte 7 und der
Dichtungsplatte 9 erkennbar. Man erkennt in der Ventil
platte 7 Dichtflächen bildende erhabene Teilstücke 22
und als Strömungskanäle dienende Nutenausnehmungen 23,
welche bis an den Rand der Auflagefläche der Ven
tilplatte 7 reichen. Innerhalb der erhabenen Teil
stücke 22 befinden sich konische Durch
brechungen 24.
Die untere der Ventilplatte 7 zugewandte Oberfläche 25
der Dichtungsplatte 9 ist ebenflächig ausgebildet. Für
besondere Anwendungsfälle kann es jedoch zweckmäßig
sein, nicht nur die Ventilplatte 7, sondern auch das
Ventilelement 8, d.h. dessen Dichtungsplatte 9 an
seiner Oberfläche 25 strukturiert auszubilden. Hier
durch lassen sich in der Öffnungsstellung vergrößer
te Strömungswege erzielen. In diesem Falle sind jedoch
ebenfalls die Oberflächenbereiche des Ventilelements 8,
die den Oberflächen der erhabenen Teilstücke 22 der Ven
tilplatte gegenüber angeordnet sind, ebenflächig, um
gegenüber diesen erhabenen Bereichen in der Schließ
stellung abzudichten.
Die Fig. 3 zeigt die der Einlaßausnehmung 3 zugewandte
Unterseite der Ventilplatte 7. Die konischen Durch
brechungen haben einen etwa quadratischen Querschnitt.
Ein galvanisch aufgetragener Lötrand 45 ermöglicht die
Lötverbindung zwischen Ventilplatte 7 und Halteteil 5.
Die in Fig. 4 dargestellte, der Dichtungsplatte 9 zuge
wandten Oberseite der Ventilplatte 7 hat leistenförmige
erhabene Teilstücke 26 mit jeweils mehreren Durch
brechungen 24. Die Nutenausnehmungen 23 verlaufen hier
zwischen den leistenförmigen erhabenen Teilstücken und
liegen zu diesen parallel.
Die Ventilplatte wird zweckmäßig in einer Masken-Ätz
technik hergestellt. Dabei entstehen Durchbrechungen
24 und die Nutenausnehmungen 23 jeweils in ihrem
Querschnitt konisch bzw. keilförmig. Die Nutenausneh
mungen 23 sind von der einen Seite der Platte einge
ätzt, während die Durchbrechungen von der anderen Sei
te her eingeätzt wurden. Da die beim Ätzvorgang er
zeugten Strukturen parallel zueinander verlaufen, er
gibt sich eine Ventilplatte von verhältnismäßig ge
ringer Masse bei hinreichender Stabilität. Als Material
für die Ventilplatte 7 wird zweckmäßig Silizium ver
wendet. Gegebenenfalls lassen sich aber auch andere ätz
fähige Halbleiterwerkstoffe wie photochemisch aktivier
bares Glas, Siliziumcarbid oder Siliciumnitrid benutzen.
Das in Fig. 1 dargestellte mit einer Ventilplatte nach
Fig. 2-4 versehenen Eckventil ist in stromlosem Zustand,
d.h. wenn das Rohr 27 nicht beheizt wird, durch Spalt
bildung zwischen dem Ventilelement 8 und der Ventil
platte 7 geöffnet. In der Praxis hat es sich gezeigt,
daß bereits ein Ventilhub von nur 0,05 mm ausreicht,
um in geöffnetem Zustand durch die Strukturierung der
Ventilplatte Strömungswege freizulegen, welche einen aus
reichend geringen Strömungswiderstand des geöffneten
Ventils ergeben. Bei Stromdurchgang und Erwärmung des
Rohres 14 wird das Ventilelement 8 gegen die Ventil
platte 7 gedrückt und dadurch das Ventil geschlossen.
Das Kugelgelenk 11 ermöglicht die völlige Planlage
zwischen den Oberflächen des Ventilelements 8 und der
Ventilplatte 7 in der Schließstellung.
Wenn das erfindungsgemäße Ventil mit flexibler Ventil
platte 7 ausgebildet ist, sollte die Ventilplatte je
weils auf der mit dem Druck des bei geschlossenem
Ventil anstehenden Mediums beaufschlagten Seite an
gebracht sein. Bei der Öffnung wird die Ventilplatte
7 in Richtung des strömenden Mediums geringfügig
aufgewölbt. In geschlossenem Zustand ist diese Wöl
bung durch den Anpreßdruck des ebenflächigen Ventil
elements 8 ausgeglichen, und es hat sich gezeigt,
daß in dieser Anordnung eine besonders gute Abdichtwir
kung erreicht wird.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ventil ist das Ven
tilelement 8 an eine Ringmembran 27 befestigt. Die
Ringmembran ist mit ihrem Außenrand dicht an der In
nenwand des Gehäuses 1 befestigt. Dadurch unterteilt
sie den Innenraum des Gehäuses in zwei Teilräume, den
Strömungsraum 28 und den Steuerraum 29. Der Steuerraum
29 kann über eine Öffnung 30 mit einer pneumatischen
Steuereinrichtung verbunden sein, so daß das Ventil zu
sätzlich pneumatisch gesteuert werden kann. Um den strom
führenden oberen Gehäuseteil vom unteren Gehäuseteil
elektrisch zu trennen, ist ein Isolationsring 32
zwischengeschaltet.
Als Längungsteil des Kurzhubantriebs dient ein kegel
förmiges Speichenrad 31, welches aus einer dünnen Me
tallplatte hergestellt ist und eine zentrale Nabe, eine
an dem Gehäuse befestigte Felge und Speichen zwischen
Nabe und Felge aufweist. Wird über die Leitungen 16
und 17 Spannung zwischen Nabe und Felge angelegt, so
führt die Erwärmung der Speichen zu einer Ausdehnung
in Richtung der Kegelspitze.
Die Bewegung der Nabe 31 a des Speichenrades wird
mittels eines kraftschlüssig angeordneten Über
tragungsstifts 33 auf das Ventilelement 8 über
tragen, so daß dieses unter der Wirkung der Membran
vorspannung von der Ventilplatte 7 abhebt, wenn das
Speichenrad 31 vom Strom durchflossen wird und sich
infolgedessen das Ventil öffnet.
Fig. 6 zeigt ein Durchgangsventil, dessen Auslaß
stutzen 34 koaxial zum rohrförmigen Gehäuse 1 ange
ordnet ist. Das Ventilelement 8 wird mittels einer
konischen Druckfeder 35 in Richtung auf die Ventil
platte 7 vorgespannt. Als Längungsteil wird ein etwa
V-förmig gebogener Heizdraht 36 verwendet, dessen
Mitte durch eine Öse 37 des Ventilelements 8 geführt
ist. Die beiden Schenkel des Heizdrahtes 36 sind mit
Hilfe von Würgehülsen 38 und 39 in einen Deckelteil
40 aus isolierendem Material eingesetzt.
Die Länge des Heizdrahtes 36 ist so gewählt, daß er
bei normaler Temperatur das Ventil gegen die Vor
spannung der Druckfeder 35 offen hält. Das Anlegen
der Heizspannung an den Heizdraht 36 führt zu einer
Ausdehnung des Drahtes, wobei sich das Ventil schließt.
Bei einem solchen Ventil, insbesondere bei der in
Fig. 6 dargestellten Ausführungsform, ist eine kapa
zitive Wegmessung möglich, um den Öffnungsweg
zwischen Ventilelement 8 und Ventilplatte 7 zu be
stimmen. Zu diesem Zweck ist in der Ausführungsform
nach Fig. 6 eine mit dem Ventilelement 8 bewegbare
Führungsscheibe 41 aus Isolierstoff vorgesehen,
welche das Ventilelement 8 gegenüber dem Gehäuse 1
isoliert und Durchtrittsausnehmungen 42 aufweist.
Die Dichtungsplatte 9 des Ventilelements 8 besteht
ebenfalls aus isolierendem Material, beispiels
weise aus Keramik. Die metallenen Teile des Ventil
elements 8 sind mit dem Heizdraht 36 leitend ver
bunden. Auf diese Weise kann die Kapazität des Kon
densators gebildet aus dem Ventilelement 8 und der
auf Massepotential liegenden Ventilplatte 7 be
stimmt werden. Zur Messung dient eine für Kapazitäts
messungen bekannte Meßvorrichtung 43. Der Kapazitäts-
Meßwert ist ein Maß für den Abstand zwischen dem
Ventilelement 8 und der Ventilplatte 7.
Claims (15)
1. Elektrisch ansteuerbares Ventil, insbesondere
für gasförmige Medien, bei dem ein Ventilele
ment (8) gegenüber einer mit einer Mehrzahl von
Durchbrechungen (24) versehenen Ventilplatte
(7) angeordnet und das Ventilelement und die
Ventilplatte durch einen Kurzhubantrieb rela
tiv zueinander, unter Freigabe von mehreren
Dichtlinien senkrecht zu ihrer Fläche verschieb
bar sind, dadurch gekennzeich
net, daß die Ventilplatte (7) mit einer Viel
zahl von Durchbrechungen (24) in einer solchen
Oberflächenstruktur gestaltet ist, bei der
zwischen erhabenen, Auflageflächen für das Ven
tilelement bildenden Teilstücken (22) nach der
Seite des Ventilelements (8) hin offene Strömungs
kanäle (23) vorhanden sind, welche am Rand der
Ventilplatte (7) münden, wobei die Durchbrechungen
(24) innerhalb dieser erhabenen Teilstücke (22)
liegen, und daß das Ventilelement (8) zumindest
in den den Durchbrechungen (24) gegenüberliegen
den Bereichen eine ebene Auflagefläche gegenüber
der Ventilplatte aufweist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ventilplatte (7)
durch Masken-Ätztechnik erzeugte Durchbrechungen
aufweist.
3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ventilplatte (7)
aus einem Halbleiterwerkstoff besteht.
4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Halbleiterwerk
stoff Silizium ist.
5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß in jedem erhabenen
Teilstück (22) eine Durchbrechung (24) angeord
net ist.
6. Ventil nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die erhabenen Teil
stücke (26) leistenförmig ausgebildet sind, eine
Mehrzahl von in Längsrichtung der Teilstücke hin
tereinander liegenden Durchbrechungen (24) aufwei
sen und zwischen benachbarten Teilstücken Strö
mungskanäle (23) bilden.
7. Ventil nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Durchbrechungen
(24) in der Ventilplatte (7) konisch
ausgebildet sind.
8. Ventil nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Ventilelement (8)
oder die Ventilplatte (7) einen Verbindungs
teil (11, 33, 37) zum Kurzhubantrieb aufweist, wel
cher eine Lageorientierung gegenüber der Ventil
platte ermöglicht.
9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Verbindungs
teil Kugelgelenkcharakteristik hat.
10. Ventil nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Kurzhubantrieb
einen durch elektrische Widerstandsheizung be
heizbaren Längungsteil (14, 31, 36) aufweist, wel
cher mit dem Ventilelement (8) oder der Ventil
platte (7) einseitig verbunden ist.
11. Ventil nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Längungsteil (14)
rohrförmig gestaltet ist.
12. Ventil nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Längungsteil (36)
drahtförmig gestaltet ist, und daß das Ventilele
ment unter der Vorspannung eines Federelementes
(35) angeordnet ist, welches das Ventilelement (8)
in die Absperrlage drängt.
13. Ventil nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß der rohrförmige
Längungsteil (14) einseitig in einer federela
stischen Ausweichhalterung (18, 19, 20) ge
häusefest gelagert ist.
14. Ventil nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Ventilelement
an einer Ringmembran (27) angeordnet ist, und
daß zwischen dieser Ringmembran (27) und einem
speichenradförmigen Längungsteil (31) ein Über
tragungsstift (33) kraftschlüssig angeordnet
ist.
15. Ventil nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Meßvorrichtung (42)
zur kapazitiven Wegmessung zwischen Ventilele
ment (8) und Ventilplatte (7) vorgesehen ist.
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