DE3635216A1 - Elektrisch ansteuerbares ventil - Google Patents

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.