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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil und insbesondere ein bistabiles
Kugelventil, welches eine elektromagnetische Betätigung benutzt.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Ventile
sind mit einem Rohr verbunden, um die Durchflussmenge oder den Druck
eines Fluids zu steuern. Eine Ventilart ist das Kugelventil, welches ein
wesentliches Element eines mikrofluiden Systems ist, wie z.B. ein
fluidführendes
System für
ein Fluidregelsystem durch einen Fluidkanal, ein Flüssigkeitsschalter
für eine
Reagenzprobe und Probenaufnahme, Kalibrierung und Spülen eines
Reagenzes.
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1 ist
eine Schnittansicht, welche ein herkömmliches Kugelventil darstellt,
das einen Elektromagneten benutzt (siehe hierzu O. Krusemark, A. Feustel
und J. Muller, μ(micro)
TAS'98, pp. 399–402, 1998).
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Mit
Bezug auf 1, umfasst das herkömmliche
Kugelventil einen Kanalteil 110, eine Kugel 120, eine
Abdeckeinheit 130 oberhalb der Kanaleinheit 110 und
einen Elektromagneten 140 oberhalb der Abdeckeinheit 130.
Die Kanaleinheit 110 umfasst einen Fluidauslass 112 und
einen kegelartigen Ventilsitz 114. Die Abdeckeinheit 130 umfasst
einen Fluideinlass, der mit einem langen Radiusbereich des Ventilsitzes 114 verbunden
ist. Der Elektromagnet 140 bringt eine magnetische Kraft
auf die Kugel 120 auf.
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Wenn
Strom von einer externen Stromquelle (nicht gezeigt) auf den Elektromagneten 140 gebracht
wird, produziert der Elektromagnet ein magnetisches Feld. Wenn die
Kugel 120 durch das magnetische Feld zu der Abdeckeinheit 130 angehoben wird,
wird das Ventil offengehalten.
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In
dem herkömmlichen
Ventil mit dem obigen Aufbau wird jedoch Energie kontinuierlich
verbraucht, wenn das Ventil geöffnet
ist, da die Kugel sinkt, wenn die Stromzufuhr abgeschaltet wird.
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Ferner
wird das obige Ventil durch den Fluiddruck geschlossen gehalten,
aber wenn der Fluiddruck nicht ausreichend ist, kann das Ventil
lecken.
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Das
Dokument
WO 2004/113714 offenbart ein
Absaugventil um den Kraftstoff-Dampf-Durchfluss genau zu messen. Eine Einlassöffnung und
eine Auslassöffnung übertragen
den Kraftstoff-Dampf von einem Kanister zu einer Vakuumquelle und
einem Durchlass, durch welchen der Kraftstoff-Dampf passiert. Ein
Element ist zwischen ersten und zweiten Konfigurationen mit Bezug
auf den Durchlass verschoben. In der ersten Konfiguration wird der
Dampffluss entlang des Dampfflusspfades verhindert, und in der zweiten
Konfiguration wird das Element von dem Durchlass entfernt und der
Dampffluss entlang des Dampfflusspfades wird zugelassen. Das Element wird
durch einen Aktuator verschoben, der eine erste Wicklung und eine
zweite Wicklung umfasst, welche mit einer bekannten elektrischen
Stromstärke
versehen sind, um somit einen magnetischen Fluss zu produzieren.
Das Element ist mit einem Permanentmagneten verbunden. Ein elastisches
Element, z.B. eine Schraubenfeder liefert eine Kraft, welche das
Element gegen die geschlossene Konfiguration des Absaugventils vorspannt.
In der geöffneten
Konfiguration des Absaugventils tritt der Kraftstoffdampf über die
Einlassöffnung
ein, strömt
durch die Düse,
strömt durch
das Zentrum der ersten Wicklung, umströmt den Rotor, strömt durch
den Raum zwischen dem Element und dem Durchlass und tritt über die
Auslassöffnung
aus.
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Das
Dokument
US 3,635,438 beschreibt
ein kraftbetätigtes
Regelventil mit einer Membran, wobei eine kurze Erregung eines Magnets
eine linksseitige Bewegung eines Ventilelements und einer Welle
gegen den Federdruck verursacht, und das Ventilelement von einem
Sitz zurücksetzt.
Eine kurze Erregung des rechten Magnetes knickt die Feder und bewegt
die Welle und das Ventilelement rechtsseitig in die geöffnete Position.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein Ventil, das den Energieverbrauch
unter Verwendung eines bistabilen Zustands reduzieren kann.
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Die
vorliegende Erfindung liefert auch ein Ventil, das eine Undichtigkeit
reduzieren kann, auch wenn der Fluiddruck gering ist.
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Gemäß eines
Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Ventil geliefert, das
aufweist: einen Kolben; eine Kammer mit einem ersten Bereich und einem
zweiten Bereich, wo sich der Kolben vorwärts und rückwärts bewegt; einen ersten Elektromagneten
und einen zweiten Elektromagneten, die um den ersten Bereich und
den zweiten Bereich herum angeordnet sind und ein Betriebsmagnetfeld
an dem Kolben anlegen; einen Fluideinlass, durch welchen ein Fluid
in die Kammer gelangt, und zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten
Bereich der Kammer angeordnet ist; und ein zweiter Fluidauslass,
der an einem vertikalen Endteil des zweiten Bereichs weg von dem
ersten Bereich angeordnet ist.
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Das
Ventil kann ferner einen zweiten Ventilsitz aufweisen, den der Kolben
an dem zweiten Fluidauslass berührt
und welcher aus einem Polymer gebildet sein kann. Das Ventil kann
ferner eine zweite Magneteinheit um den zweiten Ventilsitz herum
aufweisen, die eine Kraft anlegt, die den Kolben zu dem zweiten
Ventilsitz zieht. Das Ventil kann ferner eine Druckausgleichskammer
aufweisen, die die Bewegung des Kolbens durch ein Verbinden einer
Seitenoberfläche
des Fluideinlasses mit einem vertikalen Endteil des ersten Bereichs
unterstützt.
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Gemäß eines
anderen Aspekts der vorliegenden Erfindung kann das Ventil ferner
einen ersten Fluidauslass an einem vertikalen Endteil des ersten Bereichs
weg von dem zweiten Bereich umfassen, um den Fluss des Fluids selektiv
zu steuern. Das Ventil kann ferner einen ersten Ventilsitz umfassen, den
der Kolben an dem ersten Fluidauslass berührt und welcher aus einem Polymer
gebildet sein kann. Das Ventil kann ferner eine erste Magneteinheit
um den ersten Ventilsitz herum aufweisen, die eine Kraft anlegt,
welche den Kolben zu dem ersten Ventilsitz zieht.
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Der
Kolben kann aus einem ferromagnetischen Material gebildet sein und
ein elastischer Beschichtungsbelag kann ferner auf dem Kolben angebracht
sein, um das Ventil abzudichten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
oben genannten und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden noch offensichtlicher durch die detaillierte Beschreibung beispielhafter
Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die angefügten
Zeichnungen, die zeigen:
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1 ist
eine Schnittansicht, die ein herkömmliches Kugelventil darstellt,
welches einen Elektromagneten einsetzt;
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2 ist
eine Schnittansicht, die ein Ventil gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 bis 5 sind
Schnittansichten, die einen Betriebsablauf eines Ventils von einem
geöffneten
stabilen Zustand zu einem geschlossenen stabilen Zustand darstellen
mit einem Betriebsablauf des Ventils gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6 bis 8 sind
Schnittansichten, die einen Betriebsablauf eines Ventils von einem
geschlossenen stabilen Zustand zu einem geöffneten stabilen Zustand darstellen
mit einem Betriebsablauf des Ventils gemäß der ersten Ausführugsform
der vorliegenden Erfindung;
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9 ist
eine Schnittansicht, die ein Ventil gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt, das zur Durchführung einer
Simulation (CFD-ACE) benutzt wird;
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10 ist
eine Grafik, welche das Ausmaß der
Kräfte
zeigt, die von einem vertikalen Endteil eines ersten Bereichs gemäß des an
jedem Elekt romagneten angelegten Stroms in einem Ventil gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung auf einen Kolben aufgebracht werden;
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11 bis 13 sind
Diagramme, die das Ausmaß der
Kräfte
zeigen, die an einem Kolben aufgebracht werden von einem vertikalen
Endteil eines ersten Bereichs gemäß des Ausmaßes des Stroms, der an jedem
Elektromagneten angelegt wird, wenn die Geschwindigkeit eines Fluids
0,026 m/s in einem Ventil gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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14 und 15 sind
Diagramme, welche die Anordnungen eines Kolbens im Zeitablauf darstellen,
in einem Betriebsablauf eines Ventils gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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16 ist
eine Schnittansicht, die ein Ventil gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt und
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17 bis 19 sind
Schnittansichten, die einen Betriebsablauf eines Ventils von einem
geöffneten
stabilen Zustand eines zweiten Fluidauslasses zu einem geöffneten
stabilen Zustand eines ersten Fluidauslasses darstellen, in einem
Betriebsablauf eines Ventils gemäß der zweiten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt sind. In den Zeichnungen wurden die Breiten
und Höhen
der Schichten, die ein Ventil bilden, zur Verdeutlichung vergrößert.
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2 ist
eine Schnittansicht, die ein Ventil gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Bezugnehmend
auf 2 umfasst ein Ventil gemäß der ersten Ausführungsform
einen Kolben 210 und eine Kammer 220, welche einen
ersten Bereich 222 und einen zweiten Bereich 224 hat.
Ein erster Elektromagnet 230 und ein zweiter Elektromagnet 240 sind
jeweils an dem Außenbereich
der ersten und zweiten Bereiche 222 und 224 angeordnet.
Ferner sind ein Fluideinlass 250, durch welchen ein Fluid in
die Kammer 220 eintritt, und ein zweiter Fluidauslass 260 in
einem vertikalen Endbereich des zweiten Bereichs 224 von
dem ersten Bereich 222 entfernt, ausgebildet.
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Das
Ventil kann ferner einen Druckausgleichskanal 290 aufweisen,
der eine Seite des Fluideinlasses 250 mit einem Endbereich
des ersten Bereichs 222 von dem zweiten Bereich 224 entfernt
verbindet, so dass der Kolben 210 leicht zu dem ersten Bereich 222 bewegt
werden kann, wenn sich das Ventil öffnet. Ferner kann die Kammer 220 in
jeder Form ausgebildet sein, wie z.B. eine Kanal- oder eine Rohrform,
so lange ein Fluid hindurchströmen
kann.
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Der
erste Elektromagnet 230 und der zweite Elektromagnet 240 bilden
magnetische Felder, wenn Strom von einer externen Stromquelle (nicht
gezeigt) angelegt ist. Das Magnetfeld ist eine Anzugskraft, die den
Kolben 210 bewegen kann. Zu diesem Zeitpunkt kann sowohl
der erste als auch der zweite Elektromagnet 230 und 240 aus
einem Magnet oder zwei Magneten gebildet sein. Die ersten und zweiten
Elektromagneten 230 und 240 sind Elemente, die
ausgebildet sind, eine kontrollierte magnetische Kraft an dem Kolben
ohne Kontakt anzulegen, wie z.B. ein Mikroelektromagnet, der aus
einem Mikromagnetspulenaufbau gebildet ist oder einem Permanentmagneten,
der durch einen Linearmotor angetrieben wird.
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Der
Kolben 210 ist aus einem ferromagnetischen Material gebildet,
der durch eine Magnetkraft gezogen wird, die durch den ersten und
zweiten Elektromagneten 230 und 240 erzeugt wird.
Ferner kann sich der Kolben 210 in der Kammer 220 bewegen und
kann in jeder Form gebildet sein, so lange sie einem zweiten Ventilsitz 270 zum
Abdichten des Ventils in einer geschlossenen Position entspricht.
Vorzugsweise ist ferner ein elastischer Beschichtungsbelag, der
das Ventil abdichtet, an dem Kolben 210 angebracht.
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In
der ersten Ausführungsform
ist ferner der zweite Ventilsitz 270 um den zweiten Fluidauslass 260 herum
eingefügt,
um den Kolben 210 zu berühren. Der zweite Ventilsitz 270 ist
vorzugsweise aus einem Polymer hergestellt, so dass er einen dynamisch stabilen
Ventilsitz bildet, der eine fest dichtende Eigenschaft hat. Noch
bevorzugter ist eine zweite Magneteinheit 280 oder 330 (siehe 16),
die eine Anziehungskraft an den Kolben 210 oder 310 anlegt,
um den ersten Ventilsitz 320 oder den zweiten Ventilsitz 270 angeordnet,
um eine Leckage zu reduzieren, die auftreten kann, wenn der Kolben 210 das
Ventil auf Grund eines unzureichenden Fluiddruckes nicht dicht abdichtet.
Die zweite Magneteinheit 280 oder 330 kann ein
Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein.
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3 ist
eine Schnittansicht, die einen Betriebsablauf eines Ventils von
einem geöffneten
stabilen Zustand zu einem geschlossenen stabilen Zustand in einem
Beriebsverfahren des Ventils gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Der
Betrieb des Ventils gemäß der ersten Ausführungsform
umfasst: eine erste Stufe – der
Kolben 210 ist in dem ersten Bereich 222 positioniert und
kein Strom ist an dem ersten und zweiten Elektromagneten 230 und 240 angelegt;
eine zweite Stufe – Strom
ist an dem ersten Elektromagneten 230 angelegt, aber nicht
an dem zweiten Elektromagneten 240; eine dritte Stufe – Strom
ist an dem zweiten Elektromagneten 240 angelegt, aber nicht
an dem ersten Elektromagneten 230; eine vierte Stufe – kein Strom
ist an dem ersten und zweiten Elektromagneten 230 und 240 angelegt.
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In
der ersten Stufe ist das Ventil offen, da der Kolben 210 in
dem ersten Bereich 222 positioniert ist und ein Fluid durch
den Fluideinlass 250 eintritt und den zweiten Fluidauslass 260 durch
den zweiten Bereich 224 der Kammer 220 durchströmt. In der
zweiten Stufe wird der Kolben 210 in der Kammer 220 zu dem
ersten Bereich 222 nahe zu dem ersten Elektromagneten 230 durch
das Magnetfeld bewegt, welches durch den ersten Elektromagneten 230 gebildet wird.
In der dritten Stufe wird der Kolben 210 zu dem zweiten
Bereich 224 nahe zu dem zweiten Elektromagneten 240 durch
das Magnetfeld bewegt, welches durch den zweiten Elektromagneten 240 gebildet
wird. In der vierten Stufe wird der Kolben 210 zu dem zweiten
Ventilsitz 270 durch den Druck und Masse des Fluids, welches
in die Kammer 220 strömt,
bewegt. Der Kolben 210 hält mit dem zweiten Ventilsitz 270 auf
Grund des Fluiddruckes den Kontakt. Dann wird das Ventil geschlossen,
da es durch den Kontakt zwischen dem Kolben 210 und dem zweiten
Ventilsitz 270 abgedichtet ist.
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4 und 5 sind
Schnittansichten, die einen anderen Betriebsablauf eines Ventils
von einem geöffneten
stabilen Zustand zu einem geschlossenen stabilen Zustand gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutern.
Bezugnehmend auf 4 könnte die zweite Stufe ausgelassen
werden, wenn der Kolben 210 durch den zweiten Elektromagneten 240 bewegt
werden kann. In Bezug auf 5 kann die
zweite Stufe einen Betrieb zum Anlegen eines Stroms an den zweiten
Elektromagneten 240 zusammen mit dem ersten Elektromagneten 230 umfassen,
um den Kolben 210 zu bewegen.
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6 ist
eine Schnittansicht, die ein Betriebsverfahren eines Ventils von
einem geschlossenen stabilen Zustand zu einem geöffneten stabilen Zustand in
einem Betriebsverfahren eines Ventils gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert.
Bezugnehmend auf 6 umfasst der Betrieb des Ventils
gemäß der ersten
Ausführungsform:
eine erste Stufe – der
Kolben 210 ist in dem zweiten Bereich 224 positioniert
und kein Strom ist an dem ersten und zweiten Elektromagneten 230 und 240 angelegt;
eine zweite Stufe – Strom
ist an dem zweiten Elektromagneten 240 angelegt, aber nicht
an dem ersten Elektromagneten 230; eine dritte Stufe – Strom
ist an dem ersten Elektromagneten 230 angelegt, aber nicht
an dem zweiten Elektromagneten 240; eine vierte Stufe – kein Strom
ist an dem ersten und zweiten Elektromagneten 230 und 240 angelegt.
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In
der ersten Stufe ist das Ventil geschlossen, da der Fluiddruck den
Kontakt zwischen dem Kolben 210 und dem zweiten Ventilsitz 270 aufrecht erhält. In der
zweiten Stufe wird der Kolben 210 in der Kammer 220 zu
dem zweiten Bereich 224 nahe zu dem zweiten Elektromagneten 240 durch
das Magnetfeld bewegt, welches durch den zweiten Elektromagneten 240 erzeugt
wird. In der dritten Stufe wird der Kolben 210 zu dem ersten
Bereich 222 nahe zu dem ersten Elektromagneten 230 durch
das Magnetfeld bewegt, welches durch den ersten Elektromagneten 230 gebildet
wird. In der vierten Stufe ist der Kolben 210 in dem ersten
Bereich 222 positioniert und das Ventil bleibt geöffnet, da
das Fluid durch den Fluideinlass 250 eintritt und den zweiten
Fluidauslass 260 durch den zweiten Bereich 224 der
Kammer 220 durchströmt.
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7 und 8 sind
Schnittansichten, die einen anderen Betriebsablauf eines Ventils
von einem geschlossenen stabilen Zustand zu einem geöffneten
stabilen Zustand gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutern.
In Bezug auf 7 könnte die zweite Stufe ausgelassen
werden, wenn der Kolben 210 durch den ersten Elektromagneten 230 bewegt
werden kann. In Bezug auf 8, kann
die zweite Stufe einen Betrieb zum Anlegen eines Stroms an den zweiten
Elektromagneten 240 zusammen mit dem ersten Elektromagneten 230 aufweisen,
um den Kolben 210 zu bewegen.
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Eine
rechnergestützte
Simulation durch ein CFD-ACE-Werkzeug wird durchgeführt, um
ein Ventil zu testen, welches die oben beschriebene Struktur gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat.
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9 ist
eine Schnittansicht, die ein Ventil erläutert, welches zur Durchführung einer
CFD-ACE gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
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In
Bezug auf 9 ist der Durchmesser eines
Kugelkolbens (210) 760 μm.
Der innere Durchmesser der zylindrischen Teflonkammer 220,
die einen ersten Bereich 222 und einen zweiten Bereich 224 hat,
ist 900 μm,
der äußere Durchmesser
der Kammer 220 ist 1200 μm,
und die Länge
der Kammer 220 ist 2500 μm.
Der erste Elektromagnet 230 und der zweite Elektromagnet 240 sind
jeweils an dem Außenbereich
des ersten Bereichs 222 und des zweiten Bereichs 224 angeordnet.
Der innere Durchmesser eines Fluideinlasses 250, der an
einer seitlichen Oberfläche
der Kammer 220 zwischen dem ersten Bereich 222 und
dem zweiten Bereich 224 angeordnet ist, ist 200 μm, und der äußere Durchmesser
des Fluideinlasses 250 ist 500 μm. Ein verjüngter zweiter Ventilsitz 270 ist
mit einem zweiten Fluidauslass 260 verbunden, der an einem
vertikalen Endteil des zweiten Bereichs 224 von dem ersten
Bereich 222 entfernt angeordnet ist. Ein Siliziumrohr,
welches einen inneren Durchmesser von 600 μm und einen äußeren Durchmesser von 900 μm hat, ist
mit dem zweiten Ventilsitz 270 verbunden. Der innere Durchmesser eines
Druckausgleichskanals 290, der eine seitliche Oberfläche des
Fluideinlasses 250 und einen vertikalen Endteil des ersten
Bereichs 222 von dem zweiten Bereich 224 entfernt
verbindet, ist 500 μm.
Ferner ist der Druckausgleichskanal 290 mit dem Fluideinlass 250 in
einem Winkel von 45° in
der Richtung des Zustroms verbunden. Das Fluid, welches in das Ventil strömt, ist
Wasser und das Ventil ist von Luft umgeben.
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10 ist
eine Grafik, welche die Ausmaße der
Kräfte
zeigt, die an einem Kolben 210 von einem vertikalen Endteil
eines ersten Bereichs 222 gemäß des Ausmaßes des Stroms an liegen, der
an jedem Elektromagneten in einem Ventil gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung angelegt ist.
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11 bis 13 sind
Grafiken, die die Ausmaße
der Kräfte
zeigen, die an einem Kolben 210 von einem vertikalen Endbereich
eines ersten Bereichs 222 gemäß des Ausmaßes des Stroms anliegen, der
an jedem Elektromagneten anliegt, wenn die Geschwindigkeit eines
Fluids 0,026 m/s in einem Ventil gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist. Die Diagramme in 11 sind die
Ergebnisse, wenn Ströme
I an dem ersten Elektromagneten angelegt sind, die Diagramme in 12 sind
die Ergebnisse, wenn Ströme
I an dem zweiten Elektromagneten angelegt sind, und die Diagramme in 13 sind
die Ergebnisse, wenn Ströme
I an sowohl dem ersten Elektromagneten als auch an dem zweiten Elektromagneten
angelegt sind.
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11 bis 13 zeigen,
wenn das Ausmaß des
Stroms steigt, der an jedem Elektromagneten anliegt, steigt auch
das Ausmaß der
Kräfte,
die an dem Kugelkolben 210 anliegen. Aus jedem der Diagramme
ist auch ersichtlich, wenn der angelegte Strom 33A ist,
das zumindest wenn ein bestimmter Strom angelegt ist, die Hauptkraft
auf dem Kolben 210 eine magnetisch Kraft ist.
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14 und 15 sind
Diagramme, welche die Anordnungen eines Kolbens 210 im
Zeitablauf eines Betriebsverfahrens eines Ventils gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellen.
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Unter
Bezugnahme auf 14 wird ein Ventil gemäß der ersten
Ausführungsform
gezeigt, wobei das Ventil nach 0,04 Sekunden durch Bewegen des Kolbens 210 in
dem Ventil schließt
wenn Strom an jedem Elektromagneten angelegt ist gemäß dem Betriebsverfahren
des Ventils von einem geöffneten
stabilen Zustand zu einem geschlossenen stabilen Zustand. In Bezug
auf 15 öffnet
das Ventil nach 0,045 Sekunden durch Bewegen des Kolbens 210 in dem
Ventil wenn Strom an jedem Elektromagneten angelegt ist, gemäß des Betriebsverfahrens
des Ventils von einem geschlossenen stabilen Zustand zu einem geöffneten
stabilen Zustand.
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16 ist
eine Schnittansicht, die ein Ventil gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert.
Hierin bezeichnen Bezugzeichen, die aus 2 bekannt
sind, die gleichen Elemente und deren Beschreibungen werden nicht
wiederholt werden.
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In
Bezug auf 16 umfasst ein Ventil gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einen ersten Fluidauslass 310,
der an einem Endteil eines ersten Bereichs 222 von einem zweiten
Bereich 224 entfernt angeordnet ist, um den Fluss des Fluids
selektiv zu steuern. Vorzugsweise kann ein erster Ventilsitz 320,
den der Kolben 210 berührt,
ferner in dem Ventil eingefügt
sein und aus einem Polymer hergestellt sein. Ferner kann eine erste Magneteinheit 330,
die eine Anziehungskraft anlegt, um den Kolben 210 in dem
ersten Ventilsitz 320 zu halten, um den ersten Ventilsitz 320 herum
angeordnet sein.
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Das
Ventil gemäß der zweiten
Ausführungsform
ist ein Regelungsventil, in welchem sich ein Fluid, welches durch
den Fluideinlass 250 einströmt, selektiv entsprechend der
Position des Kolbens 210 in der Kammer 220 zu
dem ersten Fluidauslass 310 oder dem zweiten Fluidauslass 260 bewegen
kann.
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17 ist
eine Schnittansicht, die einen Betriebsablauf eines Ventils von
einem geöffneten
stabilen Zustand eines zweiten Fluidauslasses 260 zu einem
geöffneten
stabilen Zustand eines ersten Fluidauslasses 310 des Ventils
gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert.
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In
Bezug auf 17 umfasst ein Betriebsablauf:
eine erste Stufe – der
Kolben 210 ist in dem ersten Bereich 222 positioniert
und kein Strom ist an dem ersten Elektromagneten 230 und
dem zweiten Elektromagneten 240 angelegt; eine zweite Stufe – Strom
ist an dem ersten Elektromagneten 230 angelegt, aber nicht
an dem zweiten Elektromagneten 240; eine dritte Stufe – Strom
ist an dem zweiten Elektromagneten 240 angelegt, aber nicht
an dem ersten Elektromagneten 230; eine vierte Stufe – kein Strom
ist an dem ersten und zweiten Elektromagneten 230 und 240 angelegt.
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In
der ersten Stufe ist der Kolben 210 in dem ersten Ventilsitz 320 des
ersten Bereichs 222 durch den Fluiddruck positioniert und
ein Fluid strömt
durch den Fluideinlass 250 ein und strömt zu dem zweiten Fluidauslass 260,
nachdem es durch den zweiten Bereich 224 der Kammer 220 geströmt ist.
Zu diesem Zeitpunkt ist der zweite Fluidauslass 260 des
Ventils in einem geöffneten
stabilen Zustand. In der zweiten Stufe wird der in dem ersten Bereich 222 angeordnete
Kolben 210 zu dem nahe an dem zweiten Elektromagneten 240 gelegenen
ersten Bereich 222 durch das Magnetfeld bewegt, welches
durch den ersten Elektromagneten 230 erzeugt wird. In der
dritten Stufe wird der Kolben 210 zu dem zweiten Bereich 224 nahe
zu dem zweiten Elektromagneten 240 durch das Magnetfeld
bewegt, welches durch den zweiten Elektromagneten 240 erzeugt
wird. In der vierten Stufe wird der Kolben 210 zu dem zweiten
Ventilsitz 270 durch den Druck und die Masse des Fluids,
welches in die Kammer 220 strömt, bewegt. Der Fluiddruck
erhält
den Kontakt zwischen dem Kolben 210 und dem zweiten Ventilsitz 270 aufrecht.
Der Kontakt zwischen dem Kolben 210 und dem zweiten Ventilsitz dichtet
das Ventil ab. Zu diesem Zeitpunkt strömt das Fluid durch den ersten
Fluidauslass 310 und das Ventil behält einen geöffneten stabilen Zustand des ersten
Fluidauslasses 310.
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18 und 19 sind
Schnittansichten, die einen anderen Betriebsablauf der Ventile von
einem geöffneten
stabilen Zustand eines zweiten Fluidauslasses 260 zu einem
geöffneten
stabilen Zustand eines ersten Fluidauslasses 310 eines
Ventils gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutern.
In Bezug auf 18 könnte die zweite Stufe ausgelassen
werden, wenn der Kolben 210 nur durch den zweiten Elektromagneten 240 bewegt
werden kann. In Bezug auf 19 kann
die zweite Stufe einen Betriebsablauf zum Anlegen eines Stroms an
dem zweiten Elektromagneten 240 zusammen mit dem ersten
Elektromagneten 230 umfassen, um den Kolben 210 zu
bewegen.
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Gemäß des Betriebsablaufs
des Ventils gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der Betrieb von einem geöffneten stabilen
Zustand des ersten Fluidauslasses 310 zu einem geöffneten
stabilen Zustand des zweiten Fluidauslasses 260 im Wesentlichen
der gleiche ist wie das in den 17 bis 19 dargestellte
Verfahren, und auf Grund der Symmetrie der vorliegenden Ausführungsform
wird die Beschreibung deswegen nicht wiederholt werden.
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Ein
Ventil gemäß der vorliegenden
Erfindung benötigt
keine Energiezufuhr von einer externen Stromquelle, wenn es geöffnet oder
geschlossen ist, im Gegensatz zu einem herkömmlichen Kugelventil, welches
einen Elektromagneten einsetzt. Das Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung
verbraucht Energie nur in einem Übergangsstadium.
Ein erster Ventilsitz 320 und ein zweiter Ventilsitz 270 sind
jeweils in einem ersten Bereich 222 und einem zwei ten Bereich 224 angeordnet
und vergrößern den
Kontaktbereich mit dem Kolben 210. Elektromagnete, die
um den ersten Ventilsitz 320 und den zweiten Ventilsitz 270 herum
angeordnet sind, reduzieren die Leckage von Fluid wenn der Fluiddruck
niedrig ist, durch das Anlegen einer Kraft, die den Kolben 210 zu
dem Ventilsitz zieht.
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Ein
Ventil gemäß der vorliegenden
Erfindung kann auch für
einen bidirektionalen Fluss eingesetzt werden, da das Ventil symmetrisch
ist und es einfach erlaubt, leicht an andere Fluidsysteme angeschlossen
zu werden. Deswegen kann das Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung
als ein Mehrzweckventil und als ein Regelventil genutzt werden,
insbesondere für
ein biochemisches mikrofluides System, wobei das Ventil in einer
Mikrometerbaugröße hergestellt ist.
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Wie
oben beschrieben, hält
ein Ventil gemäß der vorliegenden
Erfindung einen stabilen Zustand auf Grund des inneren Fluiddruckes
aufrecht, wenn es geöffnet
oder geschlossen ist. Energie wird nur verbraucht, wenn das Ventil
in einem Übergangsstadium
ist. Dementsprechend ist der Energieverbrauch sehr gering.
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Ferner
wird eine Leckage des Ventils durch einen Ventilsitz, einen Magneten,
der um den Ventilsitz herum angeordnet ist, und einen elastischen
Beschichtungsfilm auf dem Kolben reduziert.
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Während die
vorliegende Erfindung vorzugsweise unter Bezugnahme auf beispielhafte
Ausführungsformen
dargestellt und beschrieben wurde, ist es für den Durchschnittsfachmann
verständlich,
dass verschiedene Änderungen
in Form und Details darin durchgeführt werden können, ohne
den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, der durch
die folgenden Ansprüche
definiert wird.