DE4422942B4

DE4422942B4 - Vorrichtung für den Antrieb eines Mikroventils

Info

Publication number: DE4422942B4
Application number: DE19944422942
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Dr. Mettner; Gerhard Dipl.-Ing. Stokmaier; Armin Dipl.-Ing. Schuelke; Thanh-Hung Dipl.-Ing. Dr. Nguyen-Schaefer; Hans-Peter Dipl.-Min. Dr. Trah; Christian Dipl.-Ing. Doering; Thomas Dipl.-Phys. Dr. Schittny; Peter Dipl.-Ing. Deuble; Werner Dipl.-Phys. Dr. Uhler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2014-07-01
Also published as: DE4422942A1

Abstract

Vorrichtung für den Antrieb eines Mikroventils, bei der
– ein Ventilschließglied (2) derart bewegbar ist, dass es zwischen zwei mit Druckmittel beaufschlagbaren Räumen (3, 4) über einem Ventilsitz (5) an eine gemeinsame Wand der Räume (3, 4) dichtend anlegbar ist, wobei die Kraftübertragung vom Antrieb (13) zur Bewegung des Ventilschließgliedes (2) und/oder von Dichtlippen (17) am Ventilsitz (5) über einen Hebelmechanismus (18, 19) erfolgt, und wobei die Wirkung der Kraft (F₁) des Antriebs (13) gleichsinnig mit der Bewegungsrichtung (x₂) des Ventilschließgliedes (2) ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den Antrieb eines Mikroventils, bei der ein Ventilschließglied derart bewegbar ist, daß es zwischen zwei mit Druckmittel beaufschlagbaren Räumen über einem Ventilsitz an eine gemeinsame Wand der Räume dichtend anlegbar ist.

Aus der DE 39 19 876 A1 ist bereits ein Mikroventil bekannt, bei dem ein Ventilschließglied mittels eines elektrostatischen Antriebs von einem dichtenden Ventilsitz wegbewegt werden kann. Die dichtende Ausgangsstellung wird hierbei durch eine sich in der Ruhestellung befindliche Membran, an der das Ventilschließglied gehalten ist, und einen durch ein Druckmittel erzeugten, auf den Ventilsitz wirkenden Innendruck bewirkt. Die Membran trennt einen Eingangsdruckraum von einer geschlossenen Druckausgleichskammer. Die Drücke im Eingangsraum, im Ausgangsdruckraum und in der Druckausgleichskammer sind hierbei unabhängig voneinander ausgeglichen. Zur Öffnung des Ventils muß eine ausreichende Kraft aufgebracht werden, um insbesondere eine Auslenkung der Membran zu bewerkstelligen, die zu einer entsprechenden Bewegung des Ventilschließgliedes führt. Der erreichbare Öffnungshub des Ventilschließgliedes ist durch die Antriebskraftdichte des elektrostatischen Antriebs, die mit zunehmendem Plattenabstand des durch die Elektroden gebildeten Kondensators abnimmt begrenzt. Größere Öffnungshübe können beispielsweise mit großen Antriebsflächen, d. h. mit großen lateralen Ventilabmessungen und den damit verbundenen Herstellungsproblemen erreicht werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung für den Antrieb eines Mikroventils so weiterzuentwickeln, daß auch bei relativ kleinen Ventilabmessungen große Öffnungshübe des Ventilschließgliedes erhalten werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 2 für den Antrieb eines Mikroventils sind insofern vorteilhaft, als durch die besondere Ausgestaltungen der Hebelübersetzung vom Betätigungsorgan (Antrieb) auf die Arbeitsmembran große Öffnungshübe realisiert werden können. Unter Ausnutzung der Hebelwirkungen eines oder mehrerer Hebel bei der Kraftübertragung auf das Ventilschließglied ist es möglich, mit einer großen Antriebskraftdichte zu arbeiten, so daß die Ventilabmessungen relativ klein bleiben.

Besonders vorteilhaft sind die Ausführungsformen gemäß der Unteransprüche, wenn sich der Öffnungshub des Ventilschließgliedes und eine Bewegung der Dichtlippen des Ventilsitzes addieren, ohne daß eine Änderung des bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen vorhandenen Übersetzungsverhältnisses vorzunehmen wäre. Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn die Rückstellfederkraft der Membranen am Kraftarm des Ventilschließgliedes angreift. Auch kann die erforderliche Antriebskraft zur Bewältigung des erforderlichen Öffnungshubs relativ klein gehalten werden.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtungen für den Antrieb eines Mikroventils werden anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
1 einen Schnitt durch eine druckausgeglichenes Mikroventil ohne Hebelübersetzung;
2 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikroventils mit einer Hebelübersetzung;
3 eine schematische Darstellung der Kraftübersetzung beim Ausführungsbeispiel nach 2;
4 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikroventil mit einer Hubvergrößerung bei der Hebelübersetzung;
5 eine schematische Darstellung der Kraftübersetzung beim Ausführungsbeispiel nach 4;
6 einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikroventil mit relativ kleinen erforderlichen Stellkräften und
7 eine schematische Darstellung der Kraftübersetzung beim Ausführungsbeispiel nach 6.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 1 ist ein Schnitt durch ein druckausgeglichenes Mikroventil 1 ohne Hebelübersetzung dargestellt, bei dem im Inneren ein Ventilschließglied 2 zwischen zwei druckbeaufschlagbaren Räumen 3 und 4 angeordnet ist. In dem inneren Eingangsdruckraum 3 ist ein Druck P_i _n aufgebaut, wobei als Druckmittel vorzugsweise eine Flüssigkeit dient, die durch einen Zulauf 6 einbringbar ist. In dem äußeren Raum 4 herrscht ein Druck P_out (Saugdruck), der vorzugsweise mittels Luft erzeugt wird. In dieser Ausführungsform ist das Mikroventil beispielsweise als Kraftstoff-Einspritzventil einsetzbar. Die Abdichtung zwischen den Räumen 3 und 4 erfolgt über einen hier ringförmigen Ventilsitz 5, der in der hier dargestellten druckausgeglichenen Ruhestellung geschlossen ist. Durch Pfeile 7 ist die ausgleichende Kraftwirkung des Innendrucks P_i _n auf das Ventilschließglied 2 verdeutlicht, durch die ein konstantes Dichtverhalten des Ventilsitzes 5 auch bei Schwankungen des Innendrucks Pin gewährleistet ist.
Im Inneren des Mikroventils 1 befindet sich eine Druckausgleichskammer 8 (Kavität) mit einem Druck P₀, wobei die Drücke in den Räumen 3 und 4 sowie in der Druckausgleichskammer 8 unabhängig voneinander ausgeglichen sind. Die Arbeitsmembran 9 ist am Membraninnen- und Membranaußenrand am Ventilgehäuse bzw. am Ventilschließglied 2 gehalten. Der äußere Raum 4, mit dem Druck P_out, ist derart in den Bereich der Druckausgleichskammer 8 gezogen, daß auch hier eine Druckausgleichsmembran 11 gebildet ist, die einen Druckausgleich bezüglich des äußeren Drucks P_out bewirkt. Die Wirkung dieses Druckausgleichs ist mit Pfeilen 12 gekennzeichnet.
Zur Betätigung des Ventilschließgliedes 2 , d.h. zur Öffnung des Ventilsitzes 5, ist ein elektrostatischer Antrieb 13 vorhanden, der die Arbeitsmembran 9 als Gegenelektrode besitzt und durch elektrostatische Kraftwirkung eine Bewegung der Arbeitsmembran 9 und damit des Ventilschließgliedes 2 bewirkt. Dieser elektrostatische Antrieb 13 ist fest am Ventilgehäuse gehalten. Um eine einfache Montage der, vorzugsweise in einer mikromechanischen Schichtbauweise hergestellten Mikroventilteile, zu erreichen sind eine Vielzahl von Fügestellen vorhanden, an denen die separat hergestellten Schichten elektrisch isoliert zusammengefügt (beispielsweise geklebt oder gebondet) werden. Die Fügestellen sind in den Figuren jeweils durch eine Änderung der Richtung der Schraffur zu erkennen.
Beim ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antriebs nach 2 ist, wie bei allen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen, nur eine Hälfte des weitgehend rotationssymmetrisch aufgebauten Mikroventils 1 dargestellt. Der elektrostatische Antrieb 13 erzeugt hier eine Kraftwirkung in Bezug auf die Arbeitsmembranen 9a und 9b, wobei die Arbeitsmembran 9a als Hebel ausgebildet ist und mit elastischen Lagern 20 und 21 am Membranaußen- und am Membraninnenrand gehalten wird. Eine bewegliche Kondensatorplatte 22 ist über einen Hebel 23 (elastisches Lager) mit dem oben beschriebenen Teil der Arbeitsmembran 9 verbunden und bewirkt so, daß eine relativ kleine Bewegung der Kondensatorplatte 22 zu einer Öffnung des Ventilschließgliedes 2 am Ventilsitz 5 führt.
Die Wirkungen der im Ausführungsbeispiel nach 2 wirkenden Kräfte sind in der 3 gezeigt, in der der Antrieb 13 die Kraft F₁, zur Bewegung der Arbeitsmembranen 9a und 9b in der Richtung x₁, erzeugt. Am äußeren Ende eines Hebels 14 wirkt somit eine gleichsinnige Kraft F₂ mit einem entsprechend größeren Weg x₂, die gegen eine Rückstellkraft (Feder 15 bzw. Arbeitsmembran 9a und 9b) arbeitet. Der Hebel 14 ist an einem Punkt 16 am Ventilgehäuse gehalten.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach 4 wird der Ventilsitz 5 mit einer Dichtlippe 17 über eine Hebelübersetzung 18 an das Ventilschließglied 2 durch eine Bewegung des Ventilschließgliedes 2 herangedrückt. Der Antrieb 13 arbeitet somit auch gegen die Dichtlippe 17, deren Federkraft auf die Kraftwirkung der Antriebsseite übersetzt wird. Hierbei wird die Dichtlippe 17, die einen größeren Hub als die Membranen 9 und 11 auszuführen hat, mit einer wesentlich kleineren Federkonstante als die Federkonstante der Membranen 9 und 11 ausgelegt.
Die Wirkung der Kräfte beim zweiten Ausführungsbeispiel nach der 4 sind schematisch in der 5 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel greift die Rückstellkraft der Membranen 9 und 11 (Feder 15a) direkt am Ventilschließglied 2 (in 5: Schicht 24) und die Federkraft der Dichtlippe 17 (in 5: Feder 15a) am Lastarm an; somit wirken diese Kräfte der Antriebskraft F₁ entgegen. Die mittels der Hebelübersetzung 18 erwirkte Bewegung x₂ der Dichtlippe 17, relativ zum Ventilschließglied 2, addiert sich hierbei zum Hub des direkt angetriebenen Ventilschließgliedes 2 und führt zu einer optimalen Hubvergrößerung beim Mikroventil 1.
Das in der 6 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel weist in Abwandlung von den vorher beschriebenen Mikroventilen einen Hebelmechanismus 19 auf, mit dem die Bewegung der Arbeitsmembran 9 auf das Ventilschließglied 2 übertragen wird. In 7 ist der entsprechende Mechanismus der Kraftübertragung skizziert. Die Antriebskraft F₁ (Richtung x₁) des Antriebs 13 wirkt auf die Arbeitsmembran 9 und direkt gegen die Rückstellkraft der Arbeitsmembran 9 (Feder 15). Dadurch, daß die Rückstellkraft der Feder 15 nicht übersetzt wird und der Hub auf der Antriebsseite kleiner ist als auf der Seite des Ventilschließgliedes 2, reichen bei einer vorgegebenen Mindestfederkonstanten kleinere erforderliche Stellkräfte aus. Die Bewegungsrichtung x₂ auf der Seite des Ventilschließgliedes 2 ist durch die Umlenkung am Angriffspunkt 16 gegensinnig zur Bewegungsrichtung x₁ auf der Antriebsseite, wobei die Hebeldrehlager (Angriffspunkt 16) durch elastische Gelenke gebildet sind.
Das Mikroventil 1 nach 6 ist sowohl hinsichtlich des Eingangsdrucks P_i _n als auch hinsichtlich des Ausgangsdrucks P_ou _t druckausgeglichen. Hierzu wird der Druck P_out über die schlaffe Membrane 11 in die Druckausgleichskammer 8 (Kavität) übertragen, sodaß P₀ gleich P_out ist und unter Berücksichtigung des Hebelübersetzungsverhältnisses können die Flächen der Membranen 9 und 11 sowie die Oberfläche 10 des Ventilschließgliedes 2 so dimemsioniert werden, daß der oben erwähnte Druckausgleich immer gewährleistet ist.

Claims

Vorrichtung für den Antrieb eines Mikroventils, bei der – ein Ventilschließglied (2) derart bewegbar ist, dass es zwischen zwei mit Druckmittel beaufschlagbaren Räumen (3, 4) über einem Ventilsitz (5) an eine gemeinsame Wand der Räume (3, 4) dichtend anlegbar ist, wobei die Kraftübertragung vom Antrieb (13) zur Bewegung des Ventilschließgliedes (2) und/oder von Dichtlippen (17) am Ventilsitz (5) über einen Hebelmechanismus (18, 19) erfolgt, und wobei die Wirkung der Kraft (F₁) des Antriebs (13) gleichsinnig mit der Bewegungsrichtung (x₂) des Ventilschließgliedes (2) ist.
Vorrichtung für den Antrieb eines Mikroventils, bei der – ein Ventilschließglied (2) derart bewegbar ist, dass es zwischen zwei mit Druckmittel beausschlagbaren Räumen (3, 4) über einem Ventilsitz (5) an eine gemeinsame Wand der Räume (3, 4) dichtend anlegbar ist, wobei die Kraftübertragung vom Antrieb (13) zur Bewegung des Ventilschließgliedes (2) und/oder von Dichtlippen (17) am Ventilsitz (5) über einen Hebelmechanismus (18, 19) erfolgt, und wobei die Wirkung der Kraft (F₁) des Antriebs (13) gegensinnig zu der Bewegungsrichtung (x₂) des Ventilschließgliedes (2) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Rückstellkraft einer Arbeitsmembran (9) (Feder (15), die eine am Ventilsitz (5) dichtende Ruhestellung gewährleistet wird, direkt gegen die Antriebskraft (F₁) des Antriebs (13) wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Rückstellkraft der mindestens einen Arbeitsmembran (9; 9a; 9b) (Feder 15), die eine am Ventilsitz (5) dichtende Ruhestellung gewährleistet, über mindestens einen Hebelarm gegen die Antriebskraft (F₁) des Antriebs (13) wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Arbeitsmembran (9) über elastische Lager (20, 21) am Membranaußen- und am Membraninnenrand im Mikroventil (1) gehalten ist und dass – die Antriebskraft (F₁) des Antriebs (13) über eine, an einem elastischen Lager (13) gehaltene, Kondensatorplatte (22) auf die Arbeitsmembran (9) übertragen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Dichtlippe (17) am Ventilsitz (5) über einen Hebelmechanismus (18) (Hebelarm 14) derart auslenkbar ist, dass bei einer Bewegung des Ventilschließgliedes (2) eine gegensinnige Bewegung der Dichtlippe (17) erfolgt und dass – die Rückstellkraft einer Arbeitsmembran (9) (Feder 15), sowohl direkt als auch über den Hebelmechanismus (18) gegen die Antriebskraft (F₁) des Antriebs (13) wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Arbeitsmembran (9) direkt auf einen Hebelmechanismus (19) (Hebelarm 14) einwirkt, mit dem über ein elastisches Gelenk (16) die Antriebskraft des Antriebs (13) gegensinnig auf das Ventilschließglied (2) zur Öffnung des Ventilsitzes (5) übertragbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Mikroventil (1) mit Mehrschichtenstruktur in einer Silizium-, Dünnschicht- oder Dickschicht-Technologie hergestellt ist.