-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Flusssteuer-Ventilvorrichtung
und insbesondere auf eine Flusssteuer-Ventilvorrichtung, die den
Fluss in Abhängigkeit
von einer linearen Verlagerung eines Permanentmagnet-Ventilelements unter
Einsatz von Strom steuern kann, und einen Wärmetauscher, der ein solches
Flusssteuerventil aufweist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung
einer Flusssteuer-Ventilvorrichtung.
-
Beschreibung des Standes
der Technik
-
Da
Flusssteuer-Ventilvorrichtungen zur Steuerung eines durch einen
Flusskanal strömenden Flusses
auf vielen industriellen Gebieten angewandt werden, (z.B. bei Kühlapparaten
usw.) wurde in neuerer Zeit die Forschung von denselben intensiv
betrieben.
-
Im
Allgemeinen steuert eine Flusssteuer-Ventilvorrichtung die Strömung dadurch,
dass sich eine stiftförmige
Ventilstange von einer Ausflussöffnung
um einen vorgegebenen Abstand wegbewegt, um den geöffneten
Bereich der Ausflussöffnung
linear zu steuern. Mit anderen Worten ist im Stand der Technik bei
einer Flusssteuer-Ventilvorrichtung
eine Ventilstange mit einer Einrichtung verbunden, die mit der Welle
eines Schrittmotors verbunden ist, wobei die Verlagerung der Ventilstange
proportional zu der Anzahl von Stromstößen der Antriebskraft verändert werden
kann.
-
Eine
derartige Flusssteuer-Ventilvorrichtung weist indessen wegen des
hohen Preises von Schrittmotoren hohe Produktionkosten auf, wobei
es schwierig ist, eine hermetische Abdichtung zwischen der Welle
des Schrittmotors und dem Flusskanal dort zu erreichen, wo die Ventilstange
angeordnet ist.
-
Eine
andere Flusssteuer-Ventilvorrichtung weist ein Diaphragma oder eine
Membran auf, die in einem Teil der Ventilstange angeordnet ist und
einen zusammendrückbaren
Raum auf einer Rückseite
des Diaphragmas oder der Membran aufweist und das Diaphragma unter
Einsatz eines Expansionsdruckes verformt, der durch das Erhitzen
einer Flüssigkeit entsteht,
die in den zusammendrückbaren
Raum eingefüllt
ist, wodurch die Verlagerung der Ventilstange gesteuert wird. Diese
Flusssteuer-Ventilvorrichtung ist indessen durch das Hinzufügen des
separaten zusammendrückbaren
Raumes schwierig zu miniaturisieren. Außerdem wird die Ansprechgeschwindigkeit des
Ventils bei einem linearen Arbeitsvorgang durch den Einsatz des
Expansionsdruckes und auf Grund der Erhitzung des zusammendrückbaren
Raumes verringert, so dass der Kraftaufwand durch die Hitzeabstrahlung
vergrößert wird.
-
Ein
Flusssteuer-Ventil mit einer Magnetspule weist bei der linearen
Steuerung der Flüssigkeit
wegen der instabilen Ventilstange Schwierigkeiten auf und hat Probleme,
die durch komplizierte Teile und durch eine erhebliche Geräuschentwicklung
während des Öffnungs-
und Schließvorganges
entstehen.
-
US-A-4744543
bezieht sich auf eine elektromagnetisch betätigte Ventilanordnung für ein Fluid, die
folgende Teile aufweist: Ein Einlassventil und ein Auslassventil,
die beide einen Ventilsitz aufweisen; eine Laufbüchse, die ein gemeinsames magnetisches
Spulenelement bildet, in dem das genannte Einlass- und Auslassventil
montiert sind, wobei deren Ventilsitze einander zugewandt sind;
einen Permanentmagnet, der axial verschiebbar in dieser Laufbüchse zwischen
den genannten Ventilsitzen dieser Einlass- und Auslassventile angeordnet
ist; dieser Permanentmagnet ist in einem Rohr montiert, das sich
jenseits der Enden dieses Magneten und in der Bewegungsrichtung
dieses Permanentmagneten erstreckt, wobei es über diese Ventilsitze hinausgeht; dabei
ist die Strömung
des Fluids von dem Einlassventil zu dem Auslassventil durch diesen
Permanentmagneten steuerbar. Die Magnetspulen sind so angeordnet,
dass sie mit einem Wechselfeld gespeist werden können, das eine sich ständig ändernde
Amplitude aufweist. Im Ergebnis ist es möglich, den Permanentmagnet
derart zu steuern, dass er um eine erwünschte Stellung zwischen den
Ventilsitzen oszilliert. Obwohl die Stellung des Ventils auf der
Basis der aufeinanderfolgenden Mittel gesteuert werden kann, ist
sie noch immer einer oszillierenden Bewegung unterworfen.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Dementsprechend
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Flusssteuer-Ventilvorrichtung,
einen Wärmetauscher
und ein Herstellungsverfahren hierfür, das im wesentlichen ein
oder mehrere Probleme, die auf Grund der Beschränkungen und Nachteile des einschlägigen Standes
der Technik vorhanden sind, vermeidet.
-
Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Flusssteuer-Ventilvorrichtung
zur Verfügung
zu stellen, die einen offenen Bereich einer Ausflussöffnung linear
und ständig
dadurch steuern kann, dass durch die Höhe des auf eine Spule einwirkenden Stromes
gesteuert wird.
-
Ein
anderes Ziel der Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren
für eine
Flusssteuer-Ventilvorrichtung vorzusehen, bei dem ein Trägermittel zum
Tragen eines Permanentmagnet-Ventilelements genau und in großen Stückzahlen
zu einem niedrigen Preis hergestellt werden kann, um es bei der
Flusssteuer-Ventilvorrichtung einzusetzen, wobei ein Halbleiterschichtverfahren
und eine Mikrobearbeitungs-Technologie
derart eingesetzt werden, dass seine Einzelteile miniaturisiert
und vereinfacht werden können.
-
Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Wärmetauscher
vorzusehen, der eine einfache Steuerung der Kühl- (oder Gefrier-) funktion
dadurch ermöglicht,
dass man die Flusssteuer-Ventilvorrichtung als das lineare Ausdehnungsventil
des Wärmetauschers
einsetzt.
-
Weitere
Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung werden teilweise in der
folgenden Beschreibung dargestellt und werden teilweise für den auf
diesem Gebiet tätigen
Durchschnittsfachmann beim Studium der folgenden Ausführungen
verständlich, oder
können
aus der Anwendung der Erfindung gelernt werden. Die Zielsetzungen
und andere Vorteile der Erfindung können durch den Aufbau verwirklicht und
erreicht werden, die insbesondere in der Beschreibung und in den Ansprüchen und
ebenso in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt werden.
-
Um
dieses Ziel und andere Vorteile zu erreichen und in Übereinstimmung
mit dem Zweck der Erfindung, wie sie hier dargestellt und ausführlich beschrieben
wird, wird eine Flusssteuer-Ventilvorrichtung mit folgenden Teilen
vorgesehen: Ein Flusskanal, der eine longitudinale Achse mit einem
oberen Flusskanal und einem unteren Flusskanal zum Führen eines
Fluides aufweist;
ein Dichtungsteil, das in dem Flusskanal
eingerichtet ist und eine Ausflussöffnung, durch welche das Fluid passiert;
ein
Permanentmagnet-Ventilelement zum Öffnen/Schließen der
Ausflussöffnung;
ein
Trägerelement
zum Aufhängen
des Permanentmagnet-Ventilelements; und
eine Magnetspule, die
entlang eines äußeren Umfangs
des Flusskanals zum linearen Variieren eines Versatzes des Permanentmagnet-Ventilelements, wenn
daran ein Strom angelegt wird, angeordnet ist;
Gemäß der Erfindung
weist das Trägerelement
folgende Teile auf:
Eine Nabe, die ein Durchführungsloch
aufweist, durch welches das Permanentmagnet-Ventilelement einsetzbar
und an dem das Permanentmagnet-Ventilelement
fixierbar ist;
ein elastisches Biegeelement, das das Permanentmagnet-Ventilelement
trägt,
um eine elastische Rückstellkraft
in eine Gegenrichtung zu einer Verlagerung des Permanentmagnet-Ventilelements
bereitzustellen; und
ein Befestigungsteil, dessen eines Ende
entlang eines inneren Umfangs des unteren Flusskanals befestigt
ist und dessen anderes Ende mit dem elastischen Biegeelement verbunden
ist.
-
Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Herstellen einer Flusssteuer-Ventilvorrichtung mit folgenden Schritten
vorgesehen: Bilden eines Trägerelements, das
aus einer Nabe, die ein Durchführungsloch,
ein elastisches Biegeelement und eine Befestigungsteil aufweist, durch
Verwendung eines Ätzmasken-Musters,
das an einer oberen und einer unteren Oberfläche eines Siliziumsubstrats
als eine Ätzmaske
strukturiert ist; Einsetzen und Fixieren eines Permanentmagnet-Ventilelements
in das Durchführungsloch; Bonden
des Trägerelements,
an dem das Permanentmagnet-Ventilelement an einem inneren Umfang eines
Flusskanals befestigt ist; und Einrichten mindestens einer Magnetspule
entlang eines äußeren Umfangs
des Flusskanals.
-
Es
ist klar, dass sowohl die vorausgehende allgemeine Beschreibung
als auch die folgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden
Erfindung beispielhaft und zur Erklärung dienen und die Erfindung,
so wie sie beansprucht wird, weiter erläutern soll.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
-
Die
beigefügten
Zeichnungen, die zum weiteren Verständnis der Erfindung beigefügt wurden, sind
einbezogen und stellen einen Teil dieser Anmeldung dar, illustrieren
Ausführungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die
Prinzipien der Erfindung zu erklären.
-
In
den Zeichnungen zeigen:
-
1 Eine
perspektivische Ansicht eines weggeschnittenen Teils der Flusssteuer-Ventilvorrichtung
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung;
-
2 eine
schematische Teilansicht der in 1 gezeigten
Flusssteuer-Ventilvorrichtung;
-
3 eine
perspektivische Explosionsdarstellung der in 1 gezeigten
Flusssteuer-Ventilvorrichtung;
-
4A und 4B schematische
Ansichten, die ein Prinzip der Arbeitsweise des Flusssteuer-Ventils
zeigt, das gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
mit einer einzigen Spule versehen ist;
-
5A und 5B schematische
Ansichten, die ein Prinzip der Arbeitsweise des Flusssteuer-Ventils
zeigen, das gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
mit zwei Spulen versehen ist;
-
6A bis 6G Ansichten
zur Veranschaulichung eines Herstellungsverfahrens eines Trägerelements,
das zum Tragen eines Permanentmagnet-Ventilelements in einer Flusssteuer-Ventilvorrichtung
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird; und
-
7 eine
schematische Ansicht eines Wärmetauschers,
der gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit einer Flusssteuer-Ventilvorrichtung ausgerüstet ist.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Es
wird nun detailliert auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung Bezug genommen, deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt sind.
-
Wie
in 1 gezeigt, weist eine erfindungsgemäße Flusssteuer-Ventilvorrichtung 100 einen Flusskanal
mit einer longitudinalen Achse 120 zur Führung eines
Fluids und ein Dichtungsteil 108 auf, das in dem Flusskanal
angebracht ist. Das Dichtungsteil ist in einer Ebene angeordnet,
die rechtwinklig zu der longitudinalen Achse des Flusskanals 120 verläuft und
eine Ausflussöffnung 105 aufweist, durch
die das Fluid strömt;
weiter ist ein Permanentmagnet-Ventilelement 101 zum Öffnen/Schließen der Ausflussöffnung 105 vorgesehen,
weiter ein Trägerelement 102 zum
Tragen des Permanentmagnet-Ventilelements 101 und eine
Magnetspule 107, auf die ein Strom zur Steuerung der Verlagerung
des Permanentmagnet-Ventilelements 101 einwirkt.
-
Der
Flusskanal 120 weist einen oberen Flusskanal 121 und
einen unteren Flusskanal 122 auf. Vorzugsweise ist der
untere Flusskanal 122 so hergestellt, dass er einen Durchmesser
aufweist, der kleiner ist als derjenige des oberen Flusskanals 121. Der
untere Flusskanal 122 kann ein Montageteil (siehe 112a in 3)
aufweisen, auf dem der obere Flusskanal 121 montiert ist.
Wenn der obere Flusskanal 121 auf dem Montageteil des unteren
Flusskanals 122 montiert ist, dann ist der Außenumfang
des oberen Flusskanals 121 dichtend mit derjenigen Oberfläche des
unteren Flusskanals 122 verbunden, die dem Außenumfang
des oberen Flusskanals 121 zugewandt ist.
-
Das
Dichtungsteil 108 ist in einer Ebene angeordnet, die rechtwinklig
zu der Richtung der longitudinalen Achse des Flusskanals 120 und
in einer vorbestimmten Stellung in dem unteren Flusskanal 122 liegt
und weist eine Ausflussöffnung 105 auf, durch
die ein Fluid strömt.
Mit anderen Worten ist das Dichtungsteil 108 vorzugsweise
an dem unteren Flusskanal 122 und entlang dem Innenumfang
des unteren Flusskanals 122 befestigt. Das heißt, dass der
Durchmesser der Ausflussöffnung 105 kleiner
als der Durchmesser des Dichtungsteils 108 ist. Es ist wünschenswert,
eine Ausflussöffnung
mit einem kleinen Öffnungsdurchmesser
zu haben, da dann, wenn ein Fluid mit hohem Druck durch die Ausflussöffnung 105 strömt, sich
die Temperatur und die Dichte des Fluids gemäß dem adiabatischen Expansionsprinzip stark
verringert, so dass die unter hohem Druck stehende Flüssigkeit
bis zu einem teilchenförmigen
Zustand verdampfen kann. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Flusssteuer-Ventil
als ein lineares Ausdehnungsventil eingesetzt werden, indem man das
adiabatische Expansionsprinzip anwendet.
-
Das
Permanentmagnet-Ventilelement 101 weist dann, wenn es magnetisiert
ist, ein magnetisches Dipolmoment in einer vorbestimmten Richtung auf.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter der Annahme beschrieben wird,
dass das magnetische Dipolmoment aus der Richtung des unteren Flusskanals 122 zu
der Richtung des oberen Flusskanals 121 ausgebildet wird,
kann das magnetische Dipolmoment auch in jeder anderen Richtung
ausgebildet werden. Beispielsweise kann das Permanentmagnet-Ventilelement 101 in
Form eines Zylinders ausgebildet sein, dessen eines Ende spitz zuläuft, so dass
durch diese sich verjüngende
Form die Ausflussöffnung 105 geöffnet oder
geschlossen werden kann.
-
Das
Permanentmagnet-Ventilelement 101 kann dadurch hergestellt
werden, dass man ein Magnetmaterial aus einer seltenen Erde schmilzt,
dieses geschmolzene Material aus seltener Erde in einer Gießform formt
und die Oberfläche
des gegossenen halbfertigen Produktes schleift. Alternativ kann das
Permanentmagnet- Ventilelement 101 auch
dadurch hergestellt werden, dass man ein zylindrisches, stangenförmiges,
magnetisches Material derart bearbeitet, dass dessen eines Ende
von einer Drehbank spitz zulaufend bearbeitet wird, das Außenmaß des magnetischen
Materials genau bearbeitet wird, dieses bearbeitete magnetische
Material mit einem Durchgangsloch 102d des Trägerelements 102 ausgerichtet
und montiert wird und dann in dessen axialer Richtung ein magnetisches
Feld angewandt wird, um das bearbeitete magnetische Material zu
magnetisieren.
-
Das
Trägerelement 102 wird
eingesetzt, um das Permanentmagnet-Ventilelement 101 zu tragen und
ist so ausgebildet, dass ein Befestigungsteil 102c, ein
elastisches Biegeelement 102a und eine Nabe 102b vorhanden
sind. Beispielsweise sind das Befestigungsteil 102c, das
elastische Biegeelement 102a und die Nabe vorzugsweise
aus dem gleichen Material hergestellt. Die Nabe 102b weist
das Durchgangsloch 102d auf, in das das Permanentmagnet-Ventilelement 101 eingesetzt
und in dem es befestigt wird. Das elastische Biegeelement 102a wirkt als
Feder, die die Nabe 102b trägt und erzeugt eine Rückstellkraft,
die in der der Verlagerung des Permanentmagnet-Ventilelements entgegengesetzten Richtung
wirkt und proportional zu der Verlagerung des Permanentmagnet-Ventilelements
ist. Ein Ende des elastischen Biegeelements 102a ist mit
der Nabe 102b verbunden und das andere Ende ist mit dem Befestigungsteil 102c.
Ein Ende des Befestigungsteils 102c ist mit dem Flusskanal 120 verbunden,
genauer gesagt, mit einer Innenfläche des unteren Flusskanals 122 und
das andere Ende mit dem elastischen Biegeelement 102a,
um so die Nabe 102b über
das elastische Biegeelement 102a abzustützen.
-
Um
ein Lecken von Flüssigkeit
zwischen dem oberen Flusskanal 121 und dem unteren Flusskanal 122 zu
vermeiden, ist hier eine erste Dichtung 131 auf einem Montageteil 112a des
unteren Flusskanals 122 montiert und befestigt, sowie eine
zweite Dichtung 132, die auf dem Befestigungsteil 102c montiert
ist, wobei der obere Flusskanal 121 auf der zweiten Dichtung 132 befestigt
ist. Mit anderen Worten dient die erste und die zweite Dichtung 131 und 132 dazu,
ein Lecken des Fluids auf die oberen und unteren Seiten des Befestigungsteils 102c zu
vermeiden.
-
Die
Magnetspule 107 kann als Bündel ausgebildet und um den Außenumfang
des Flusskanals 120 derart angebracht sein, dass das Permanentmagnet-Ventilelement 101 die
Ausflussöffnung 105 öffnen oder
schließen
kann. Die Magnetspule ist beispielsweise und vorzugsweise mit einem
Magnetjoch 109 derart abgedeckt, dass der magnetische Fluss, der
durch den durch die Magnetspule 107 fließenden Strom
erzeugt wird, so weit wie möglich
innerhalb des Flusskanals 120 erzeugt wird.
-
Alternativ
können
mehr als eine Magnetspule auf der Außenfläche des Flusskanals 120 installiert werden.
Beispielsweise kann dann, wenn eine Magnetspule eingesetzt wird,
diese Magnetspule vorzugsweise auf dem Außenumfang des Flusskanals 120 und
entsprechend der Stellung des Trägerelements 102 installiert
werden. Wenn zwei Magnetspulen verwendet werden, können sie
auf dem Außenumfang
des Flusskanals 120 entsprechend der oberen und unteren
Lage des Trägerelements 102 installiert
werden.
-
Ein
Fluid, das durch den Flusskanal 120 fließt, kann
aus der Gruppe ausgewählt
werden, die einen gasförmigen
Zustand, einen flüssigen
Zustand und einen superkritischen Zustand aufweisen können, bei
dem ein gemischter gasförmiger
und flüssiger
Zustand vorhanden ist.
-
Die 4A und 4B sind
schematische Ansichten, die das Prinzip der Arbeitsweise eines Flusssteuer-Ventils
zeigen, das gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
mit einer einzigen Spule versehen ist. Insbesondere 4A zeigt,
dass die Auslassöffnung
offen ist und 4B zeigt, dass die Auslassöffnung geschlossen
ist. Ein Mittelpunkt des Permanentmagnet-Ventilelements 101 kann
an der oberen oder unteren Seite eines Mittelpunktes der Magnetspule 107 derart
angeordnet sein, dass das Permanentmagnet-Ventilelement 101 von
der Auslassöffnung 105 wegbewegt
wird. Im Falle der 4A und 4B wird
angenommen, dass der Mittelpunkt des Permanentmagnet-Ventilelements 101 tiefer
angeordnet ist als der Mittelpunkt der Magnetspule 107,
wobei das Permanentmagnet-Ventilelement 101 in
einer nach oben gerichteten Richtung und entlang einer Achse des
Flusskanals 120 magnetisiert wird; dabei ist die Intensität der Magnetisierung
des Permanentmagnet-Ventilelements M.
-
Wie
in 4A dargestellt ist, wird dann, wenn der durch
die auf dem Außenumfang
des Flusskanals 120 angebrachte Spule 107 fließende Strom
in einer Richtung im Uhrzeigersinn, zentriert zu der Mittelachse
des Flusskanals 120, aufgebracht wird, eine magnetische
Flussdichte Bu, die eine nach oben gerichtete Richtung aufweist,
innerhalb des Flusskanals 120 durch das magnetische Induktionsgesetz
induziert. Dabei ist die magnetische Flussdichte proportional zu
der Stromstärke,
die auf die Spule 107 aufgebracht wird. Mit anderen Worten, wenn
die Stromstärke
klein ist, ist die magnetische Flussdichte klein. Im Gegensatz hierzu
nimmt dann, wenn die Stromstärke
zunimmt, die magnetische Flussdichte ebenfalls zu.
-
Dabei
ist das Permanentmagnet-Ventilelement 101 in einer nach
oben gerichteten Richtung magnetisiert, wobei die magnetische Flussdichte ebenfalls
in der nach oben gerichteten Richtung induziert wird, wobei beide
Enden des Permanentmagnet-Ventilelements 101 einer abstoßenden Kraft
unterworfen sind. Da indessen der Mittelpunkt des Permanentmagnet-Ventilelements 101 tiefer
angeordnet ist als der Mittelpunkt der Magnetspule 107,
wirkt auf das untere Ende des Permanentmagnet-Ventilelements 101 im
Vergleich zu dem oberen Ende des Permanentmagnet-Ventilelements
eine stärkere
abstoßende
Kraft ein, so dass das Permanentmagnet-Ventilelement 101 in
einer nach oben gerichteten Richtung einer Antriebskraft Fu ausgesetzt
ist, dabei nach oben bewegt wird, so dass dementsprechend die Ausflussöffnung geöffnet wird.
-
In
der Zwischenzeit werden dann, wenn das Permanentmagnet-Ventilelement 101 bewegt
wird, die Nabe 102b des Trägerelements und das elastische
Biegeelement 102a zusammen mit den Permanentmagnet-Ventilelement 101 bewegt,
so dass eine Biegeverformung und eine Rückstellkraft entsteht, die
proportional zu der Verformung ist und in einer zu der Bewegungsrichtung
des Permanentmagnet-Ventilelements 101 entgegengesetzten
Richtung wirkt (d.h. in einer Richtung auf die Auslassöffnung 101 zu).
Dabei wächst
die Rückstellkraft
proportional zu der Verlagerung des Permanentmagnet-Ventilelements 101.
Auch dann, wenn das Fluid bei geöffneter Ausflussöffnung strömt, wird
in der Bewegungsrichtung des Fluids ein Druckabfall erzeugt, so
dass eine vorbestimmte Kraft in einer der Bewegungsrichtung des
Permanentmagnet-Ventilelements 101 entgegengesetzten Richtung
aufgebracht wird.
-
Dementsprechend
wird die Verlagerung des Permanentmagnet-Ventilelements 101 als ein
Punkt festgelegt, an dem die Antriebskraft Fu des induzierten magnetischen
Feldes, die durch das elastische Biegeelement 102a erzeugte
Rückstellkraft
und eine durch den Druckabfall des Fluids erzeugte Kraft im Gleichgewicht
sind. Schließlich
ergibt sich der Wert der Verlagerung des Permanentmagnet-Ventilelements 101 dadurch,
dass die durch das elastische Biegeelement 102a erzeugte
Rückstellkraft
und die durch den Druckabfall des Fluids erzeugt Kraft von der Antriebskraft
des induzierten magentischen Feldes subtrahiert werden. Dementsprechend
wird deshalb, weil die Rückstellkraft
des elastischen Biegeelements 102a und die Kraft des durch
das Fluid erzeugten Druckabfalls feste Werte sind, das Ausmaß der Verlagerung
des Permanentmagnet-Ventilelements 101 durch die Antriebskraft
des induzierten magnetischen Feldes bestimmt. Außerdem kann deshalb, weil die
von dem magnetischen Feld erzeugte Antriebskraft proportional zu
der Stärke
des auf die Magnetspule 107 einwirkenden Stromes ist, die
Verlagerung des Permanentmagnet-Ventilelements 101 willkürlich durch
Anpassung der Stromstärke
variiert werden. Außerdem
wird dann, wenn die Verlagerung des Permanentmagnet-Ventilelements 101 verändert wird,
der wirksame Bereich der Auslassöffnung,
durch die das Fluid strömt,
ebenfalls angepasst, wodurch eine ungehinderte Steuerung der erwünschten
Strömungsmenge
ermöglicht
wird.
-
Wie
in 4B gezeigt, wird dann, wenn der Strom, der durch
die auf dem Außenumfang
des Flusskanals 120 angebrachten Spule 107 im
Gegenuhrzeigersinn, zentriert auf die Mittelachse des Flusskanals 120,
fließt,
innerhalb des Flusskanals 120 durch das Gesetz der magnetischen
Induktion eine magnetische Flussdichte Bd erzeugt, die eine nach
unten gerichtete Richtung aufweist.
-
Dabei
wird das Permanentmagnet-Ventilelement 101 in der nach
oben gerichteten Richtung magnetisiert und die Dichte des magnetischen
Flusses wird in der nach unten gerichteten Richtung induziert, so
dass beide Enden des Permanentmagnet-Ventilelements 101 einer
anziehenden Kraft ausgesetzt sind. Da indessen der Mittelpunkt des
Permanentmagnet-Ventilelements 101 tiefer angeordnet ist
als der Mittelpunkt der Spule 107, wirkt auf das untere
Ende des Permanentmagnet-Ventilelements 101 eine stärker anziehende
Kraft ein, verglichen mit dem oberen Ende des Permanentmagnet-Ventilelements 101,
so dass das Permanentmagnet-Ventilelement einer Antriebskraft Fd
in der nach unten gerichteten Richtung ausgesetzt ist, dabei nach
unten bewegt wird, wobei die Ausflussöffnung dementsprechend 105 geschlossen
wird.
-
Auch
in dem oben beschriebenen Fall übt
die Rückstellkraft
des elastischen Biegeelements 102a eine Rückstellkraft
aus, die der Bewegungsrichtung des Permanentmagnet-Ventilelements 101 entgegengesetzt
ist, so dass die Kraft, die durch den Druckabfall des Fluids innerhalb
des Flusskanals 120 entsteht, ebenso auf das Permanentmagnet-Ventilelement 101 einwirkt.
-
Dabei
wird das Ausmaß der
Bewegung des Permanentmagnet-Ventilelements 101 nach
unten durch die Stromstärke
bestimmt, die auf die Magnetspule 107 einwirkt.
-
Wahlweise
kann dann, wenn man den Druck des in den Flusskanal 120 eingespritzten
Fluids erhöht,
das Permanentmagnet-Ventilelement 101 die Ausflussöffnung 105 wegen
eines ausreichend hohen Fluiddruckes schließen, obwohl anfangs kein Strom
aufgebracht wird. Indessen kann auch in dem oben beschriebenen Fall
dadurch, dass man die auf die Magnetspule 107 aufgebrachte
Stromstärke
allmählich
derart verringert, dass das Permanentmagnet-Ventilelement 101 die
Ausflussöffnung 105 allmählich schließt, die
Möglichkeit
eines Bruches des Permanentmagnet-Ventilelements 101 und
die Entstehung eines Geräusches,
das durch ein plötzliches Auftreffen
des Permanentmagnet-Ventilelements 101 auf die Ausflussöffnung entstehen
kann, vorzugsweise verhindert werden.
-
die 5A und 5B sind
schematische Ansichten, die das Prinzip der Arbeitsweise eines Flusssteuer-Ventils
aufzeigen, das gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
mit zwei Spulen versehen ist. Insbesondere 5A zeigt,
dass die Ausflussöffnung
geöffnet
ist und 5B zeigt, dass die Ausflussöffnung geschlossen ist.
In den 5A und 5B wird
angenommen, dass das Permanentmagnet-Ventilelement 101 in der nach
oben gerichteten Richtung und entlang der Achse des Flusskanals 120 magnetisiert
ist und dass die Stärke
der Magnetisierung des Permanentmagnet-Ventilelements 101 M ist.
-
Wenn
somit zwei Magnetspulen 110a und 110b installiert
werden, kann die Linearität
und die Stabilität
der Antriebskraft weiter erhöht
werden.
-
Die
Konstruktion der Flusssteuer-Ventilvorrichtung, die in den 5A und 5B dargestellt ist,
ist die gleiche wie die Flusssteuer-Ventilvorrichtung, die, wie
in den 4A und 4B gezeigt
ist, eine Magnetspule aufweisen. Sie sind nur insoweit verschieden,
als zwei Magnetspulen 110a und 110b in den 5A bzw. 5B auf
dem Außenumfang des
Flusskanals entsprechend der oberen und unteren Stellung des Trägerelements 102 installiert
sind.
-
Dabei
ist es wünschenswert,
dass die Stellungen der Magnetspulen 110a und 110b derart
angeordnet sind, dass die Antriebskraft, die durch das induzierte
Magnetfeld, das in dem auf der Mittelachse des Flusskanals 120 angebrachten
Permanentmagnet-Ventilelement 101 entsteht, maximiert wird.
-
Wie
in 5A dargestellt ist, wird auf die obere Magnetspule 110a ein
im Uhrzeigersinn verlaufender Strom aufgebracht, während in
der unteren Magnetspule 110b ein im Gegenuhrzeigersinn
verlaufender Strom aufgebracht wird.
-
Zuerst
wird eine magnetische Flussdichte B1u in der nach oben gerichteten
Richtung durch den Strom induziert, der auf die obere Magnetspule 110a einwirkt,
wobei die Intensität
der magnetischen Flussdichte B1u proportional zu der Stromstärke, die auf
die obere Magnetspule 110a aufgebracht wird, gesteigert
werden kann. Dementsprechend wirkt die auf das Permanentmagnet-Ventilelement 101 nach oben
gerichtete Antriebskraft durch eine abstoßende Kraft zwischen der magnetischen
Flussdichte B1u und einem Magnetpol, der in dem Permanentmagnet-Ventilelement 101 ausgebildet
wird.
-
Auch
wenn eine magnetische Flussdichte B2d durch einen auf die untere
Magnetspule 110b einwirkenden Strom induziert wird, kann
die Stärke der
magnetischen Flussdichte B2d proportional zu der Stromstärke erhöht werden,
die auf die untere Magnetspule 110b einwirkt. Dementsprechend
wird die Antriebskraft in der nach oben gerichteten Richtung, die
auf das Permanentmagnet-Ventilelement 101 ausgeübt wird,
durch eine anziehende Kraft zwischen der magnetischen Flussdichte
B2d und einem magnetischen Pol erzeugt, der in dem Permanentmagnet-Ventilelement 101 ausgebildet
wird. Mit anderen Worten, da die untere Magnetspule 110b um einen
vorbestimmten Abstand tiefer angeordnet ist als das Permanentmagnet-Ventilelement 101,
ist die Anziehungskraft am oberen Ende des Permanentmagnet- Ventilelements 101 größer als
die an dem unteren Ende des Permanentmagnet-Ventilelements 101,
so dass das Permanentmagnet-Ventilelement 101 einer Antriebskraft
in einer Richtung unterworfen ist, die eine größere abstoßende Kraft aufweist, d.h. in
der nach oben gerichteten Richtung.
-
Somit
summiert sich die Antriebskraft der unteren Magnetspule 110b in
der nach oben gerichteten Richtung mit der nach oben gerichteten
Richtung der Antriebskraft der oberen Magnetspule 110a und
bildet eine Antriebskraftsumme Fu, wobei die Antriebskraftsumme
Fu es dem Permanentmagnet-Ventilelement 101 ermöglicht,
durch eine höhere
Antriebskraft in der nach oben gerichteten Richtung bewegt zu werden.
-
Wenn
eine einzige Magnetspule eingesetzt wird, dann erfolgt die Verlagerung
des Permanentmagnet-Ventilelements 101 bis an einen Punkt,
an dem die Antriebskraft Fu, die durch das magnetische Feld erzeugt
wird, die Rückstellkraft,
die durch das elastische Biegeelement 102a erzeugt wird,
und eine Kraft, die durch den Druckabfall des Fluids entsteht, im
Gleichgewicht sind.
-
Wie
in 5B gezeigt ist, wird ein im Uhrzeigersinn wirkender
Strom auf die obere Magnetspule 110a aufgebracht, während ein
im Gegenuhrzeigersinn wirkender Strom auf die untere Magnetspule 110b aufgebracht
wird.
-
Wenn
eine magnetische Flussdichte B1d in der nach unten gerichteten Richtung
durch einen auf die obere Magnetspule 110a einwirkenden
Strom induziert wird, dann kann die Stärke der magnetischen Flussdichte
B1d proportional zu der Stromstärke
erhöht
werden, die auf die obere Magnetspule 110a einwirkt. Dementsprechend
wird auf das Permanentmagnet-Ventilelement 101 eine nach
unten gerichtete Antriebskraft ausgeübt und zwar durch eine anziehende
Kraft zwischen der magnetischen Flussdichte B1d und einem Magnetpol,
der in dem Permanentmagnet-Ventilelement 101 ausgebildet
ist.
-
Auch
dann, wenn durch einen auf die untere Magnetspule 110b einwirkenden
Strom eine magnetische Flussdichte B2u induziert wird, kann die
magnetische Flussdichte B2u proportional zu der Stromstärke erhöht werden,
die auf die untere Magnetspule 110b einwirkt. Dementsprechend
wird die auf das Permanentmagnet-Ventilelement 101 nach
unten gerichtete Antriebskraft durch eine abstoßende Kraft zwischen der magnetischen
Flussdichte B2u und einem magnetischen Pol ausgeübt, der im dem Permanentmagnet-Ventilelement 101 ausgebildet
ist.
-
Somit
summiert sich die nach unten gerichtete Antriebskraft der unteren
Magnetspule 110b mit der nach unten gerichteten Antriebskraft
der oberen Magnetspule 110a und bildet eine Antriebskraftsumme
Fd, wobei es die Antriebskraftsumme Fd dem Permanentmagnet-Ventilelement 101 ermöglicht, sich
mit einer höheren
Antriebskraft nach unten zu bewegen.
-
Bei
Gebrauch einer einzigen Magnetspule erfolgt die Verlagerung des
Permanentmagnet-Ventilelements 101 bis zu einem Punkt,
an dem die Antriebskraft Fu, die durch das induzierte magnetische Feld
entsteht, die Rückstellkraft,
die durch das elastische Biegeelement 102a entsteht und
eine Kraft, die durch den Druckabfall des Fluids entsteht, im Gleichgewicht
sind.
-
Die 6A bis 6G sind
Ansichten zur Darstellung eines Herstellungsverfahrens für ein Trägerelement 302,
das zum Tragen eines Permanentmagnet-Ventilelements in einer Flusssteuer-Ventilvorrichtung
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dient. Insbesondere die auf der rechten
Seite der 6A bis 6G dargestellten
Figuren sind perspektivische Ansichten von bearbeiteten Formstücken, während die
links dargestellten Figuren Schnittansichten sind, die entlang der
imaginären
Linien A-B geschnitten sind. Obwohl der Einfachheit halber nur ein
Tragelement 302 in den 6A bis 6G dargestellt
ist, können
bei der Massenherstellung in einem tatsächlichen Herstellungsverfahren
zwei oder mehr Trägerelemente aus
einem Substrat, das in einem plättchenförmigen Zustand
ist, hergestellt werden.
-
Dementsprechend
kann das Trägerelement 302,
das aus einem Befestigungsteil 302c, einem elastischen
Biegeelement 302a und einer Nabe 302b besteht,
durch Einsatz einer Silizium-Mikrobearbeitungstechnologie und einem
Halbleiter-Chargenherstellungsverfahren serienmäßig hergestellt werden.
-
Zuerst
werden dünne
Filme 322 und 323 für eine Ätzmaske aus einem als Waver
vorliegenden Siliziumsubstrat 321 (6A) geformt.
-
Dabei
ist es wünschenswert,
dass die dünnen
Filme 322 und 323 für die Ätzmaske aus einem Material
hergestellt werden, das in Bezug auf das Siliziumsubstrat 321 eine
hohe Ätztrennschärfe aufweist,
zufolge einem Ätzverfahren
des Siliziumsubstrats und einer Chemikalie, die für eine Ätzreaktion eingesetzt
wird. Mit anderen Worten, die dünnen
Filme 322 und 323 für die Ätzmaske können aus einem von unterschiedlichen
Metallen, wie Aluminium, Chrom, Gold und ähnlichem hergestellt werden.
Die dünnen
Filme 322 und 323 für die Ätzmasken können auch auf dem Siliziumsubstrat
dadurch hergestellt werden, dass man ein Überzugsverfahren, ein Niederschlagsverfahren
oder ein Galvanisierverfahren einsetzt.
-
Als
Nächstes
wird der dünne
Film 322 für
die Ätzmaske,
die auf einer Oberfläche
des Siliziumsubstrats 321 gebildet wird, mit einem oberen,
lichtunempfindlichen Film 324 beschichtet und dann unter Verwendung
einer photolithographgischen Technologie mit einem Muster versehen.
Danach wird der dünne
Film 322 zwischen den oberen lichtunempfindlichen Mustern
selektiv geätzt,
wonach das obere lichtunempfindliche Muster abgezogen wird, so dass
ein oberes Ätzmaskenmuster 322' ausgebildet
wird, das eingesetzt wird, um die Oberfläche des Siliziumsubstrats 321 zu ätzen (6B).
-
Dabei
wird das obere Ätzmaskenmuster 322' für das Befestigungsteil,
das elastische Biegeelement und die Nabe, die das Trägerelement 302 bilden,
eingesetzt.
-
Als
Nächstes
wird ein unterer, lichtunempfindlicher Film 325 auf den
dünnen
Film 323 für
die Ätzmaske
aufgebracht, die auf der unteren Fläche des Siliziumsubstrats 321 ausgebildet
wird und die anschließend
dadurch mit einem Muster versehen wird, dass man eine photolithographische
Technik mit doppelseitiger Ausrichtung einsetzt, so dass dieses
mit dem oberen Ätzmaskenmuster 322' ausgerichtet
ist. Danach wird der dünne
Film 323 für
die untere Ätzmaske
zwischen den unteren lichtunempfindlichen Muster 325 gezielt
geätzt;
anschließend
wird das untere lichtunempfindliche Muster 325 abgezogen,
so dass ein unteres Ätzmaskenmuster 323' ausgebildet
wird, das eingesetzt wird, um eine untere Fläche des Siliziumsubstrats 321 zu ätzen (6C).
-
Dann
wird das Siliziumsubstrat 321, das zwischen den oberen Ätzmaskenmustern 322' frei liegt, bis
auf eine vorbestimmte Tiefe geätzt,
wobei man eine reaktive Ionenätztechnik
(RIE = reactive ion etching) einsetzt, die ein anisotropes Ätzen ermöglicht (6D).
-
Anschließend wird,
wie in 6E gezeigt, das Siliziumsubstrat 32,
das zwischen den unteren Ätzmaskenmustern 323' frei liegt,
bis auf eine vorbestimmte Tiefe geätzt, wobei man eine reaktive
Ionenätztechnik
(RIE) einsetzt, die ein anisotropes Ätzen ermöglicht.
-
Wie
in den 6D und 6E dargestellt, werden
die Dicke bzw. die Federkonstante des Durchgangslochs, in das das
Permanentmagnet-Ventilelement 101 eingesetzt wird, durch
das Ätzen
der oberen und unteren Ätzmaskenmuster 322' und 323' bestimmt.
-
Durch
Entfernung der oberen und unteren Ätzmaskenmuster 322' und 323' wird das Trägerelement 302,
das aus der Nabe 302b mit dem Durchgangsloch, in welches
das Permanentmagnet-Ventilelement 101 eingesetzt wird,
dem elastischen Biegeelement 302a und dem Befestigungsteil 302c besteht,
vervollständigt
(6F)
-
Wie
in 6G gezeigt, wird nach dem Einsetzen des Permanentmagnet-Ventils 101 in
das Durchgangsloch ein Bindemittel 350 auf einer Oberfläche der
Baugruppe aufgebracht, wobei das Trägerelement und das Permanentmagnet-Ventilelement 101 miteinander
verbunden werden. Somit werden das Trägerelement 302 und
das Permanentmagnet-Ventilelement 101 als ein einziges
Teil hergestellt (d.h. als Öffnungs-/Schließmittel)
und werden zur Vervollständigung
der Flusssteuer- Ventilvorrichtung 100 in
einem Flusskanal 120 installiert.
-
Betrachtet
man das Herstellungsverfahren der Flusssteuer-Ventilvorrichtung,
dann wird die erste Dichtung zuerst auf dem Montageteil des vorbereiteten
unteren Flusskanals montiert. Das Öffnungs-/Schließmittel,
das, wie oben beschrieben, hergestellt wurde, wird auf der ersten
Dichtung montiert und wird gleichzeitig hermetisch an dem Innenumfang
des unteren Flusskanals abgedichtet. Dann wird die zweite Dichtung
auf dem Öffnungs-/Schließmittel
montiert. Anschließend
wird der obere Flusskanal auf der zweiten Dichtung montiert und
dabei gleichzeitig an dem unteren Flusskanal durch Verschweißen oder ähnlichem
hermetisch abgedichtet. Dabei können
dann, wenn der Verbindungsteil des oberen Flusskanals und des unteren
Flusskanals durch einen Drehautomaten hergestellt werden, diese
durch eine Schraubenkupplung abgedichtet werden.
-
Anschließend werden
in vorbestimmten Positionen und entlang dem Außenumfang des Flusskanals,
der aus dem oberen Flusskanal und dem unteren Flusskanal besteht,
eine oder mehr Spulen angebracht, so dass die Flusssteuer-Ventilvorrichtung vervollständigt ist.
-
7 zeigt
eine schematische Ansicht eines Wärmetauschers, der mit einer
Flusssteuer-Ventilvorrichtung 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. In 7 sind
zwei Spulen gezeigt, die auf dem Außenumfang des Flusskanals 120 der
Flusssteuer-Ventilvorrichtung 100 aufgewunden sind. Indessen
kann bei einer Ausführungsform
auch nur eine Spule auf dem Außenumfang
des Flusskanals 120 aufgewunden sein.
-
Im
Folgenden wird die Arbeitsweise des Wärmeaustauschers 500 mit
Bezug auf die 7 beschrieben; dabei fließt ein gasförmiges Kältemittel, das
in einem Kompressor 501 komprimiert wurde, durch ein Rohr 505 in
einen Kondensor 502 und wird dabei in dem Kondensor 502 verflüssigt. Dabei
wird von dem Kältemittel
erzeugte latente Wärme
durch den Kondensor 502 in die Außenumgebung abgestrahlt.
-
Das
in dem Kondensor 502 verflüssigte Kältemittel wird über einen
Behälter 503 in
die Flusssteuer-Ventilvorrichtung 100 eingespritzt, die
als Expansionsventil eingesetzt werden kann. Obwohl dies in 7 nicht
dargestellt wurde, kann der Behälter 503 einen
Filter aufweisen, der mit dem Kältemittel vermischte
oder in dem Kältemittel
entstandene Partikel ausfiltert, und einen Trockner zur Entfernung
von Verunreinigungen, wie zum Beispiel Feuchtigkeit, die als Beimischung
in das Kältemittel
eingeführt
wurde.
-
Das
in den oberen Flusskanal 121 der Flusssteuer-Ventilvorrichtung 100 eingespritzte
Kältemittel strömt entsprechend
einer Verlagerung des Permanentmagnet-Ventilelements 101 durch
eine Ausflussöffnung 105 in
einen unteren Flusskanal 122. Dabei ist die Verlagerung
des Permanentmagnet-Ventilelements 101 in
Abhängigkeit
von einem Strom einstellbar, der auf die Magnetspulen 110a und 110b aufgebracht
wird, die entlang dem entsprechenden Außenumfang des oberen Flusskanals 121 und
des unteren Flusskanals 122 angebracht sind. Das in den
oberen Flusskanal 121 eingespritzte Kältemittel, das unter hohem
Druck steht, strömt
bei niedrigem Druck durch die schmale Ausflussöffnung 105 in den
unteren Flusskanal 122, so dass sich die Temperatur des
Kältemittels
entsprechend dem adiabatischen Expansionsprinzip von Fluiden plötzlich verringert
und dieses zu einem partikelförmigen
Zustand von geringer Dichte zerstäubt wird. Dieser adiabatische
Expansionsvorgang ermöglicht
es, die Verlagerung des Permanentmagnet-Ventilelements 101 linear
anzupassen und schafft dabei eine Wirkungsweise, durch die eine
lineare Steuerung der Verlagerung des Permanentmagnet-Ventilelements 101 möglich ist.
-
Das
Kältemittel,
das durch die adiabatische Expansion zerstäubt wurde, wird zu einem Verdampfer 504 geführt, der
mit dem unteren Flusskanal 122 verbunden ist. Der Verdampfer 504 verdampft
das Kältemittel
durch die Einwirkung von Wärme,
die aus der Umgebung des Verdampfers 504 entnommen wird,
wobei er die Kühlfunktion
ausführt.
-
Das
in dem Verdampfer 504 verdampfte Kältemittel tritt durch das Rohr 505 wieder
in den Kompressor 501 ein, wobei es einen Fluidkreislauf
vervollständigt,
in dem die oben erwähnten
Schritte wiederholt durchgeführt
werden.
-
Durch
Steuerung dieses Kreislaufzyklus unter Verwendung der erfindungsgemäßen Flusssteuer-Ventilvorrichtung
kann der Wirkungsgrad der Kühlung
leicht gesteuert werden.
-
Wie
oben beschrieben wurde, kann ein niedriger Preis und eine Miniaturisierung
erreicht werden, da die erfindungsgemäße Flusssteuer-Ventilvorrichtung 100 eine
geringe Anzahl von Einzelteilen aufweist und leicht zu bearbeiten
und zu montieren ist.
-
Da
insbesondere die Verlagerung des Permanentmagnet-Ventilelements 101 in
Abhängigkeit von
der auf die Spule aufgebrachten Stromstärke linear anpassbar ist, ist
auch der geöffnete
Bereich der Ausflussöffnung 105 linear
anpassbar, so dass die Flusssteuer-Ventilvorrichtung 100 als
ein lineares Ausdehnungsventil oder als ein Öffnungs-/Schließventil
eingesetzt werden kann, das in Abhängigkeit von dem auf die Spule
aufgebrachten Strom geöffnet oder
geschlossen wird.
-
Da
außerdem
gemäß der vorliegenden
Erfindung das Trägerelement
zum Tragen des Permanentmagnet-Ventilelements 101 zu einem
geringen Preis durch Massenproduktion hergestellt werden kann, ist
es möglich,
die Ventilvorrichtung 100 mit einer gleichbleibenden Funktion
durch Massenproduktion zu einem niedrigeren Preis herzustellen.
-
Wenn
man außerdem
die erfindungsgemäße Flusssteuer-Ventilvorrichtung
bei dem Wärmetauscher
als lineares Expansionsventil einsetzt, dann kann die Wirksamkeit
der Luftklimatisierung oder Kühlung
leicht angepasst werden und der Wärmetauscher kann zu einem kleinen
Preis miniaturisiert werden.
-
Es
versteht sich für
den durchschnittlichen Fachmann, dass bei der vorliegenden Erfindung
unterschiedliche Veränderungen
und Abwandlungen vorgenommen werden können. Somit soll die vorliegende
Erfindung diese Veränderungen
und Abwandlungen mit umfassen unter der Voraussetzung, dass sie
innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche und ihren Äquivalenten
liegen.