DE68909145T2

DE68909145T2 - Durch Mikro-Materialbearbeitung hergestellte zusammengesetzte Düse aus Silicium.

Info

Publication number: DE68909145T2
Application number: DE89306938T
Authority: DE
Inventors: Robert Clifford Gardner; William Frederick Horn; Mark Devin Rhoades; Marvin Duane Wells; Steve John Yockey
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1988-08-12
Filing date: 1989-07-07
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2009-07-08
Also published as: US4828184A; JPH0283051A; EP0354660A1; DE68909145D1; CA1313216C; EP0354660B1; JP2788064B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf mikromaschinell hergestellte Düsen aus Silizium.
Es sind verschiedene Typen von Düsen aus Silizium zur Steuerung des Fluid-Flußes bekannt, z.B. das Bassous erteilte US-Patent Nr. 4.007.464, das den Gebrauch von einer einzigen Platte aus Silizium mit Öffnungen darin zur Steuerung des Fluid-Flußes erläutert.
US-Patent Nr. 4.628.576, das Giachino et al. erteilt und dem Zessionär der Rechte an dieser Erfindung übertragen wurde, erläutert ein Ventil, in dem zwei Platten aus Silizium sich im Verhältnis zueinander bewegen und den Fluid-Fluß durch eine Öffnung in einer der Platten aus Silizium steuern.
US-A-4.647.013 beschreibt eine Ventilstruktur aus Silizium, die ein erstes planares Element aus Silizium mit einer zentralen Mesa, einem sektionalen Wandparameter und Zufuhrkanälen, die in den Wandparameter eingeformt sind, umfaßt. Die Ventilstruktur umfaßt ferner ein zweites planares Element aus Silizium mit einer Düsenöffnung, die mit der zentralen Mesa des ersten Elements ausgerichtet ist. Das Ventil wird betrieben, indem das erste Element angrenzend an das zweite Element positioniert wird, so daß die Mesa die Öffnung abdeckt. Wenn das erste Element weggelenkt wird und ein Abstand zwischen Mesa und Öffnung entsteht, kann aus den Zufuhrkanälen Fluid zwischen den Abschnitt des Wandparameters fließen und durch die Düse des zweiten Elementes hinausfließen.
Bei Anwendungen wie dem Einspritzen von Fluid in Verbrennungszylinder, ist es oft wünschenswert, über ein Kraftstoffspray mit äußerst feiner Zerstäubung zu verfügen. Obwohl einige der bisher bekannten Düsen solch eine feine Zerstäubung ermöglichen, wären dennoch Verbesserungen wünschenswert. Ferner wäre es wünschenswert, über eine relativ einfache Düsenstruktur zu verfügen, die solch ein Spray produziert und leicht herzustellen ist. Dies sind einige Probleme, die diese Erfindung lösen will.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine zusammengesetzte Düse aus Silizium zur Steuerung des Fluid- Flußes erstellt, wobei die Düse eine im allgemeinen planare erste Platte aus Silizium mit einer ersten Öffnung hat, eine im allgemeinen planare zweite Platte aus Silizium, die an die genannte erste Platte aus Silizium angrenzt und sich parallel zu genannter erster Platte aus Silizium befindet mit einer zweiten Öffnung, die dadurch geformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste Öffnung durch die erste Platte gebildet wird und gegenüber der genannten zweiten Öffnung in der genannten zweiten Platte aus Silizium seitlich versetzt ist, und dadurch, daß die genannte zusammengesetzte Düse aus Silizium einen ersten Bereich mit reduzierter Dicke zwischen den genannten ersten und zweiten Öffnungen hat, so daß dadurch eine erste Scherspalte für den Fluid-Durchfluß geformt wird, welcher sich im wesentlichen parallel zur Ebene der genannten ersten und zweiten Platten befindet.
Dieser Scherfluß bewirkt Turbulenzen und eine Fluid- Dispersion, die zur Zerstäubung von Kraftstoff in einem Verbrennungszylinder vorteilhaft sind. In einer Ausführung verlaufen zwei Scherflüsse gegensätzlich zueinander und kollidieren, wodurch sie die Fluid-Dispersion verstärken.
Eine Düse gemäß einer Ausführung dieser Erfindung ist vorteilhaft, da sie mittels Verwendung von mikromaschinellen Techniken relativ leicht herstellbar ist und einen Fluid-Fluß mit hohen Geschwindigkeitseigenschaften produziert.
Diese Erfindung wird nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen näher beschrieben, worin:
Figur 1 eine Draufsicht eines zusammengesetzten Düsenaufbaus gemäß einer Ausführung dieser Erfindung ist;
Figur 2 ein Schnitt entlang 2-2 der Figur 1 ist;
Figur 3 eine an einigen Stellen teilweise aufgebrochene Darstellung des Düsenaufbaus von Figur 1 ist;
Figur 4 eine perspektivisch Ansicht von oben der Flußplatte der Düsenaufbaus von Figur 3 gemäß einer Ausführung dieser Erfindung ist;
Figur 5 eine perspektivische Ansicht von unten der Flußplatte von Figur 4 gemäß einer Ausführung dieser Erfindung ist;
Figur 6 eine perspektivische Ansicht von oben der Platte mit der Öffnung des Düsenaufbaus von Figur 3 gemäß einer Ausführung dieser Erfindung ist; und
Figur 7 eine perspektivische Ansicht der Unterseite der Platte mit der Öffnung von Figur 6 ist.
In bezug auf die Figuren 1, 2 und 3 umfaßt ein zusammengesetzter Düsenaufbau aus Silizium eine im allgemeinen planare Flußplatte 10, die mit einer im allgemeinen planaren Platte mit einer Öffnung 30 zusammenwirkt. Die Flußplatte 10 ist eine symmetrisches und quadratisches Element aus Silizium mit Zufuhröffnungen 11, 12, 13 und 14, die durch die Flußplatte 10 hindurch geformt sind und um die Mitte der Flußplatte 10 herum positioniert sind. Jede Öffnung hat Längsseiten, die parallel zum nächsten Rand der Flußplatte 10 verlaufen.
Wie in den Figuren 2, 4 und 5 dargestellt, umfaßt die Oberfläche der Flußplatte 10, die der Platte mit Öffnung 30 gegenüberliegt, eine im allgemeinen rechtekkige, ringförmige Mulde 15, die um eine Mesa 16 verläuft und die sich in Abstand von den Rändern der Flußplatte befindet.
Figuren 6 und 7 stellen die Platte mit einer Öffnung 30 dar. Eine zentrale Auslaßöffnung 31 ist durch die Mitte der Platte mit Öffnung 30 geformt und verjüngt sich, um über eine zunehmende Querschnittsfläche bei zunehmendem Abstand zu der oberen Oberfläche der Platte mit einer Öffnung 30 zu verfügen, die der Flußplatte 10 gegenüberliegt. Eine hochgezogene Wand 33 erstreckt sich rund um den Rand der Platte mit einer Öffnung 30. Die Wand 33 der Platte mit Öffnung 30 stößt an den äußeren Begrenzungabschnitt der Flußplatte 10, der an die Mulde 15 angrenzt. Ein zurückgesetzter Scheröffnungsabschnitt 32 der Platte mit Öffnung 30 ist durch die Wand 33 begrenzt, so daß, wenn die Platte mit Öffnung 30 angrenzend an die Flußplatte 10 gelegt wird, die Platte mit Öffnung 30 die Flußplatte 10 nicht innerhalb der Grenzen der Wand 33 berührt.
Bezüglich Figur 2 ist die Auslaßöffnung 31 der Platte mit Öffnung 30 mit der Flußmesa 16 der Flußplatte 10 ausgerichtet. Der zurückgesetzte Scheröffnungsabschnitt 32 schafft einen Abstand zwischen den angrenzenden Oberflächen der Platte mit Öffnung 30 und der Flußplatte 10. Jede der Zufuhröffnungen 11, 12, 13 und 14 schafft in Zusammenwirken mit der Mulde 15 einen Fluid-Fluß zum Abschnitt der Auslaßöffnung 32 und dann durch die Auslaßöffnung 31, der dabei die Kombination aus Flußplatte 10 und Platte mit einer Öffnung 30 passiert.
Wie aus Figur 2 am besten ersichtlich wird, ist die Größe der Auslaßöffnung 31, die an die Mesa 16 angrenzt, kleiner als die Größe der Mesa 16. Eine Scherspalte wird in dem Ausmaß gebildet, in dem die Mesa 16 sich über den Scheröffnungsabschnitt 32 der Platte mit Öffnung 30 erstreckt. Nachdem der Fluid-Fluß zum Beispiel in die Zufuhröffnung 14 eintritt, tritt er in die Mulde 15 ein und hat einen im allgemeinen horizontalen Fluß angrenzend zum Scheröffnungsabschnitt 32, bevor er die Auslaßöffnung 31 passiert.
Um den zusammengesetzten Düsenaufbau herzustellen, werden zwei separate Plattenkonfigurationen aus Silizium mikromaschinell hergestellt und dann miteinander verbunden. Die Herstellung umfaßt bekannte Maskentechniken aus Wafern aus Silizium, die dann einem Ätzungsprozess unterzogen werden, um die Öffnungen herzustellen. Die verjüngende Natur der Öffnungen ist das Ergebnis der Ätzung von einer Seite. Eine typische Verjüngung ist der Ätzwinkel für Siliziummaterial mit einer < 100> kristallographischen Orientierung. Doppelverjüngungen, wie sie zum Beispiel in der Kombination von Mulde 15 und Zufuhröffnungen 11, 12, 13 und 14 vorkommen, sind das Ergebnis von doppelseitigem Ätzen. Die Mesa 16 wird durch Maskierung und Schützen des Mesabereichs während des Ätzens gebildet. In ähnlicher Weise, wird die Wand 33 mittels Maskierung und Schützen des Bereichs der Wand 33 während des Ätzens des Scheröffnungsabschnitts 32 gebildet. Scheröffnungsabschnitt 32 und Auslaßöffnung 31 werden von entgegengesetzten Seiten geätzt, so daß sie über entgegengesetzte Verjüngungen verfügen. Die Fluid-Scherspalte wird durch die Überlappung der Mesa und der unteren Platte, die an die Auslaßöffnung angrenzt, hergestellt. Diese Spalte bestimmt die Flußrate und die Dispersionseigenschaften der Düse für den Fluid-Fluß bei einem vorgegebenen Druck.

Claims

1. Zusammengesetzte Düse aus Silizium zur Steuerung eines Fluid-Flußes, wobei die Düse eine im allgemeinen planare erste Platte aus Silizium (10) mit einer ersten Öffnung (11, 12, 13, 14), eine im allgemeinen planare zweite Platte aus Silizium (30), an die genannte erste Platte aus Silizium (10) angrenzend und parallel zu ihr, mit einer zweiten Öffnung (31), die durch diese gebildet ist, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß genannte erste Öffnung (11, 12, 13, 14) durch die erste Platte (10) hindurchgebildet ist und gegenüber der genannten zweiten Öffnung (31) in der genannten zweiten Platte aus Silizium (30) seitlich versetzt ist, und dadurch, daß genannte zusammengesetzte Düse aus Silizium einen ersten Bereich mit reduzierter Dicke zwischen den genannten ersten und zweiten Öffnungen hat, so daß dadurch eine erste Scherspalte für den Fluid-Fluß gebildet wird, welcher im wesentlichen parallel zur Ebene der genannten ersten und zweiten Platten verläuft (10,30).

2. Düse aus Silizium gemäß Anspruch 1, welche ferner eine dritte Öffnung (12) in der genannten ersten Platte (10) umfaßt, die gegenüber der genannten ersten Öffnung (11) seitlich versetzt angeordnet ist, wobei genannte dritte und zweite Öffnungen gegeneinander versetzt angeordnet sind, und zusammen mit einem zweiten Bereich mit reduzierter Dicke zwischen genannten dritten und zweiten Öffnungen in genannter zusammengesetzter Düse aus Silizium wirken, wobei eine zweite Scherspalte für den Fluid-Fluß gebildet wird, der im wesentlichen parallel zur Ebene der genannten ersten und zweiten Platten (10, 30) verläuft.

3. Düse aus Silizium gemäß Anspruch 2, welche ferner eine vierte Öffnung (13) in der genannten ersten Platte (10) umfaßt, die seitlich versetzt ist gegenüber den genannten ersten, zweiten und dritten Öffnungen, und zusammen mit einem dritten Bereich mit reduzierter Dicke zwischen den genannten vierten und zweiten Öffnungen in der genannten zusammengesetzten Düse aus Silizium wirkt, wobei eine dritte Scherspalte für den Fluid-Fluß gebildet wird, der im wesentlichen parallel zur Ebene der genannten ersten und zweiten Platten verläuft.

4. Düse aus Silizium gemäß Anspruch 3, worin genannte erste Platte vier im allgemeinen rechteckige Öffnungen (11, 12, 13, 14) umfaßt, die rund um einen zentralen Mesabereich (16) positioniert sind, wobei der genannte zentrale Mesabereich (16) mit der genannten zweiten Öffnung (31) in der genannten zweiten Platte (30) ausgerichtet ist, und wobei die genannten ersten, zweiten und dritten Scherspalten durch die Oberfläche der genannten Mesa (16) und die angrenzende Oberfläche der genannten zweiten Platte aus Silizium (30) definiert werden.

5. Düse aus Silizium gemäß Anspruch 4, worin das Ausmaß der Überlappung der Scherspalte zwischen genannter Mesa (16) und der genannten zweiten Platte aus Silizium (30), die an genannte zweite Öffnung (31) angrenzt, relativ klein ist im Vergleich zur Größe der genannten zweiten Öffnung.

6. Düse aus Silizium gemäß Anspruch 5, worin die Oberfläche der genannten zweiten Platte aus Silizium (30), die der genannten ersten Platte aus Silizium (10) gegenüberliegt, über eine Auskehlung angrenzend an jede Öffnung der genannten ersten Platte aus Silizium verfügt.

7. Düse aus Silizium gemäß Anspruch 6, worin genannte erste Platte (10) über eine ringförmige Auskehlung rund um genannte zentrale Mesa verfügt, wobei genannte Auskehlung mit jeder der genannten Öffnungen (11, 12, 13, 14) in der genannten ersten Platte (10) ausgerichtet ist.

8. Düse aus Silizium gemäß Anspruch 7, worin jede der genannten Öffnungen (11, 12, 13, 14) in der genannten ersten Platte sich verjüngt und in der Querschnittsfläche mit abnehmenden Abstand zur genannten Platte aus Silizium (30) abnimmt.

9. Düse aus Silizium gemäß Anspruch 8, worin genannte ring-förmige Auskehlung in der genannten ersten (10) Platte sich verjüngt und in der Querschnittsfläche mit zu-nehmendem Abstand zur genannten zweiten Platte (30) abnimmt.