EP0916028B1

EP0916028B1 - Ventilanordnung

Info

Publication number: EP0916028B1
Application number: EP97938868A
Authority: EP
Inventors: Heinz-Werner Etzkorn
Original assignee: Gaswarme-Institut Ev
Current assignee: Gaswarme-Institut Ev
Priority date: 1996-08-06
Filing date: 1997-08-02
Publication date: 2000-11-08
Anticipated expiration: 2017-08-02
Also published as: DE59702612D1; DE19631693A1; WO1998005871A1; EP0916028A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zur Druck- und Durchflußsteuerung eines Fluids nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Steuerung des Gaszuflusses zu Brennern, und zwar insbesondere zu atmosphärischen Injektorbrennern. Gebräuchliche Ventilanordnungen dieser Art weisen ein Gehäuse auf, das eine Vielzahl von Einzelheiten enthält, nämlich Federn, Membranen, Ventileelemente sowie gegebenenfalls weitere Verschlußeinrichtungen, die unter Umständen durch zusätzliche Magnetspulen oder dergleichen angetrieben werden. Auch wird das in der Regel aus Metall bestehende Gehäuse von einer Vielzahl von Bohrungen und Kanälen unterschiedlichen Durchmessers durchsetzt, wobei es sich teilweise um sehr feine Bohrungen handeln kann. Die mechanische Fertigung derartiger Ventilanordnungen ist sehr aufwendig und dementsprechend kostenintensiv.

Hinzu kommt, daß der Energieinhalt des unter dem Versorgungsdruck von in der Regel 20 - 25 mbar anstehenden Gases zur Durchführung der Steuerung genutzt wird, um auf die Membrane und Rückstellfedern einzuwirken. Die gebräuchlichen Ventilanordnungen arbeiten daher mit einem entsprechenden Druckverlust, der ohne weiteres ca. 30 % betragen kann.

Aus der US-A-5 322 258 ist eine Ventilanordnung bekannt, die im wesentlichen aus zwei miteinander verbundenen Wafern besteht. Die Wafer weisen je eine Durchgangsöffnung auf, wobei in der Durchgangsöffnung des zweiten Wafers eine Klappe angeordnet ist, die über membranartige Stege mit dem zweiten Wafer verbunden ist. Die Klappe kann mit Hilfe von Steuerungsmitteln geschlossen oder geöffnet werden. Die Ventilanordnung dient dazu, beispielsweise für Tintenstrahldrucker kontinuierlich einen Strom kleinster Tröpfchen zu erzeugen. Eine Variation der Durchflußmenge oder des Druckes ist nicht vorgesehen.

Aus der WO-A-9508716 ist eine weitere Ventilanordnung bekannt, die zur Verteilung oder Umlenkung von Durchflüssen dient. Angestrebt wird eine spezielle Dichtigkeit der Ventilanordnung in geschlossenem ustand. Eine mengenmäßige Steuerung des Durchflusses ist mit einer derartigen Ventilanordnung nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine baulich einfache Ventilanordnung zu schaffen, die mit sehr geringem Druckverlust arbeitet und eine dynamische Steuerung über einen weiten Leistungsbereich zuläßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Ventilanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Silizium-Wafer mit einer Mehrzahl von Durchgangsöffnungen versehen ist, daß die mindestens eine Durchgangsöffnung in dem zweiten Silizium-Wafer als durchgehende Rahmenöffnung ausgebildet ist und eine Mehrzahl von Klappen aufweist, welche jeweils über einen membranartigen Steg einteilig mit dem zweiten Silizium-Wafer verbunden sind, wobei die Steuermittel der einzelnen Klappen in Abhängigkeit von einer Steuereinrichtigung selektiv betätigbar sind.

Diese Ventilanordnung ist extrem einfach im Aufbau und kann, im Vergleich mit gebräuchlichen "dreidimensionalen" Ventilanordnungen, durchaus als "zweidimensional" bezeichnet werden. Sie setzt sich im wesentlichen aus den beiden Silizium-Wafern zusammen, die einem konventionallen anisotropen oder isotropen Ätzvorgang unterworfen werden. Dabei entstehend im ersten Wafer die Durchgangsöffnungen und im zweiten Wafer die Klappen, die in ihrer Öffnungsstellung, in der sie die Durchgangsöffnungen freigeben, vom Fluid umströmt werden. Ein umfangreiches Gehäuse kann entfallen. Vielmehr läßt sich die Anordnung direkt in eine Versorgungsleitung einbauen. Dementsprechend ergeben sich sehr geringe Baugrößen, die einen Einsatz auch in Kleingeräten ermöglichen, zum Beispiel in Warmwasserbereitern, Kombigeräten, Heizungen für kleine Wohneinheiten und dergleichen.

Da das Fluid nicht gegen Membranen und Rückstellfedern arbeiten muß, sind die Druckverluste sehr gering. So steht bei der Gasversorgung von Injektorbrennern der Versorgungsdruck praktisch an den Injektoren an. Dadurch lassen sich Luftzahlen einstellen, die zu wesentlich reduzierten Schadstoffemissionen beitragen.

Der leistungsabhängige Durchfluß wird dadurch gesteuert, daß bestimmte Klappen des zweiten Wafers selektiv geöffnet und andere selektiv geschlossen gehalten werden. Es wurde gefunden, daß auf dieser Weise eine modulierende Steuerung möglich ist, die einen Bereich von wenigen Prozent bis 100 % abdeckt. Bei üblichen Ventilanordnungen erstreckte sich der dynamische Bereich bisher von ca. 60 % bis 100 %.

Vorzugsweise sind den einzelnen Klappen des zweiten Wafers unterschiedliche Anzahlen und/oder Größen von Durchgangsöffnungen des ersten Wafers zugeordnet. Damit läßt sich eine maximale Variationsbreite erzielen. Die Steuerung sorgt dafür, daß durch Auswahl bestimmter Anzahlen und/oder Größen von Durchgangsöffnungen der jeweils erforderliche Durchflußquerschnitt zur Verfügung gestellt wird. Dieser Vorteil, verbunden mit der geringen Baugröße und der kostengünstigen Herstellung, bietet die Möglichkeit, jedem Injektor oder Brennersegment eine gesonderte Ventilanordnung zur Verfügung zu stellen. Dadurch läßt sich eine modulierende Steuerung mit optimaler Genauigkeit über einem maximalen Bereich erzielen.

Auch können mehrere Module von Durchlaßöffnungen und zugehörigen Klappen gesondert voneinander modulierend gesteuert werden, so daß also ein und dieselbe Wafer-Anordnung mehrere Injektoren oder Brenner jeweils unabhängig voneinander versorgt.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß mindestens einige der Durchgangsöffnungen des ersten Wafers in Strömungsrichtung konisch verjüngt sind und daß die zugehörigen Klappen des zweiten Wafers einteilig mit komplementär ausgebildeten Verschlußvorsprüngen versehen sind. Dies bietet eine zusätzliche Steuerungsmöglichkeit dergestalt, daß die Durchgangsöffnungen des ersten Wafers in ihrem Durchlaßquerschnitt verändert werden können. Das Ätzen der konisch verjüngten Durchlaßöffnungen und der komplementären Verschlußvorsprünge bereitet keine Schwierigkeiten, da der Ätzvorgang der Kristallorientierung des Siliziums folgen kann.

Beim Ätzen der Klappen des zweiten Wafers wird die Klappendicke gegenüber der Dicke des Wafers stark vermindert. Dies gilt insbesondere für die membranartigen Stege die die Klappen mit dem Waferkörper verbinden. Der Wafer wird also entsprechend ausgehöhlt und durchbrochen, wobei eine Klappenfläche in der Ebene einer der Waferflächen liegt. Bei der Montage kann dann diese Fläche des zweiten Wafers auf den ersten Wafer aufgelegt werden. Die Klappen überdecken unter diesen Umständen abdichtend die zugehörigen Durchgangsöffnungen des ersten Wafers. Im übrigen trägt der Versorgungsdruck des Fluids zur Erhöhung der Dichtwirkung bei. Wird hingegen der zweite Wafer in umgekehrter Orientierung auf den ersten Wafer aufgesetzt, so liegen die Klappen im Abstand zur Berührungsebene der Wafer. Insbesondere für diesen Fall ist es vorteilhaft, die membranartigen Stege der Klappen durch Dotieren des Siliziums in Schließrichtung vorzuspannen. Die Vorspannung reicht aus, um die Klappen des zweiten Wafers auf den ersten Wafer zu drücken. Bei Klappen mit Verschlußvorsprüngen, bei denen nur diese Art der Montage möglich ist, bietet sich die Vorspannung der membranartigen Stege ganz besonders an. Allerdings kann eine Vorspannung zur Erhöhung der Dichtwirkung auch dann von Vorteil sein, wenn die Klappen des zweiten Wafers ohnehin auf der Fläche des ersten Wafers aufruhen.

Im übrigen werden die beiden Wafer durch geeignete Justier-, Montage- und Verklebetechniken exakt aufeinander ausgerichtet und miteinander verbunden, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Dichtmaterialien.

Die Ventilanordnung macht in konsequenter Weise von der Technik des Micromachining Gebrauch. Der Aufbau ist filigran, und die Durchlaßquerschnitte sind - bei aller Variationsbereite - äußerst fein. Bei Anwendung auf gasförmige Medien, insbesondere auf Brenngase, resultiert hieraus die Forderung, mit möglichst staubfreien Gasen zu arbeiten. Da dies nicht immer möglich ist, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß der zweite Wafer auf seiner vom ersten Wafer abgewandten Seite einen als Staubsieb geätzten dritten Silizium-Wafer aufweist. Die Sieböffnungen können sehr fein sein und dennoch aufgrund ihrer großen Zahl den erforderlichen Durchtrittsquerschnitt gewährleisten. Sie bieten einen wirksamen Schutz für die nachgeschalteten Klappen und Durchgangsöffnungen, wobei der zusätzliche bauliche und kostenmäßige Aufwand äußerst gering ist, da auch hier die diesbezüglich vorteilhafte Technik des Micromachinings konsequent zur Anwendung kommt.

Vorzugsweise sind die Steuermittel zum selektiven Bewirken der Öffnungs- und Schließbewegungen der Klappen zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer und/oder zwischen dem zweiten und dem dritten Wafer vorgesehen. Kommt ein dritter Wafer zum Einsatz, so besteht die Möglichkeit, die zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer wirksamen Steuermittel zu unterstützen oder aber gänzlich zu ersetzen.

Die Steuermittel zum Betätigen der Klappen können unterschiedlicher Natur sein, und zwar immer unter Berücksichtigung der Tatsache, daß auf dem Gebiet der Mikromechanik gearbeitet wird. Denkbar ist beispielsweise eine thermisch angesteuerte Bimetallbetätigung der Klappen. Einfacher ist unter Umständen eine elektrische Ansteuerung, beispielsweise unter Nutzung des piezoelektrischen Effekts. Als ganz besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Steuermittel kapazitive oder magnetfeldinduzierte Abstoßungs- bzw. Anziehungskräfte auf die Klappen ausüben. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die Klappen und den bzw. die benachbarten Wafer mit einander gegenüberliegenden elektrischen Leitern zu versehen und diese entsprechend zu polen. Die Anordnung wird dabei vorzugsweise so getroffen, daß die Klappen bei stromlosen elektrischen Steuermitteln ihre Schließstellung einnehmen. Bei Stromausfall bewirkt der Versorgungsdruck, gegebenenfalls unterstützt durch die Vorspannung der Klappenstege, ein automatisches Schließen der gesamten Ventilanordnung.

Ferner kann es vorteilhaft sein, mindestens einen der Wafer im Bereich der Öffnungen mit einer Beschichtung aus thermisch blähfähigem Material zu versehen. Kommt es zu einer Überhitzung der Ventilanordnung, so bläht sich das Material der Beschichtung und führt zu einem automatischen Versperren der Öffnungen. Eine gesonderte thermische Sicherheits-Absperrarmatur kann also entfallen.

Für die Anordnung des blähfähigen Materials bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. So kann das Material die Innenwände der Durchgangsöffnungen des ersten Wafers bedecken. Auch kann es rund um die Durchgangsöffnungen auf einer oder beiden Seiten des ersten Wafers angeordnet sein. Ferner kommt eine Anbringung auf den dichtenden Flächen der Klappen in Frage. Die beiden letzt genannten Möglichkeiten dürften aus fertigungstechnischer Sicht günstiger sein als die Beschichtung der Innenwände der Durchgangsöffnungen. Kommt der ein Staubsieb bildende dritte Wafer zum Einsatz, so ist es ganz besonders vorteilhaft, diesen mit dem blähfähigen Material auf der einen und/oder der anderen Seite zu beschichten. Die einzelnen Maßnahmen können auch miteinander kombiniert werden.

Für eine korrekte dynamische Druck- und Durchflußsteuerung ist es erforderlich, sowohl den Versorgungsdruck als auch den Arbeitsdruck zu erfassen. Dieser Forderung wird die Ventilanordnung in Weiterbildung der Erfindung dadurch gerecht, daß in den ersten Wafer Druckmeßdosen eingeätzt sind, die druckseitig jeweils von einer einteilig mit dem Wafer verbundenen Membrane geschlossen sind.

Weiterhin ist es für Gasgeräte erforderlich, die Gasqualität zu erfassen. Hierzu wird vorgeschlagen,

daß in den ersten Wafer ein Kapillarkanal eingeätzt und bis auf eine anströmseitige Einlaßöffnung und eine abströmseitige Auslaßöffnung abgedeckt ist,
daß der Einlaß- und der Auslaßöffnung des Kapillarkanals je eine Klappe des zweiten Wafers zugeordnet ist und
daß an die Auslaßöffnung ein Drucksensor oder ein Anemometer anschließbar ist. Der Kapillarkanal muß eine vorgegebene Länge aufweisen und wird daher mäanderförmig in den ersten Wafer eingeätzt. Vor Inbetriebnahme des Brenners wird die anströmseitige Einlaßöffnung geschlossen und die abströmseitige Auslaßöffnung geöffnet. Im Kapillarkanal stellt sich also der Atmosphärendruck ein. Sobald dies geschehen ist, wird die abströmseitige Auslaßöffnung geschlossen und die anströmseitige Einlaßöffnung geöffnet. Das Gas durchströmt nun den Kapillarkanal, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die neben den geometrischen Verhältnissen von der Viskosität des Gases abhängt. Letztere ist ihrerseits ein Maß für die anstehende Gasqualität. Da also vor jedem Brennerstart die Gasqualität erfaßt und in die Steuerung einbezogen werden kann, ergibt sich eine weitere Erhöhung der Regelgüte.

Wird an die abströmseitige Auslaßöffnung des Kapillarkanals ein Anemometer angeschlossen, so erfaßt man die dort sich einstellende Fließgeschwindigkeit. Arbeitet man hingegen mit einem Drucksensor, so wird der Druckanstieg gemessen.

Im letztgenannten Fall ist es vorteilhaft, den Drucksensor des Kapillarkanals als eingeätzte Druckmeßdose auszubilden, die von einer einteilig mit dem ersten Wafer verbundenen Membran geschlossen ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1: einen Schnitt durch eine eingebaute, aus drei Wafern bestehende Ventilanordnung, wobei die Konstruktionsmerkmale der einzelnen Wafer fortgelassen sind;
Fig. 2: eine Draufsicht auf einen der Wafer;
Fig. 3: eine Einzelheit aus Fig. 2 in abgewandelter Ausführungsform;
Fig. 4: eine Draufsicht auf einen anderen der Wafer;
Fig. 5: einen Teilschnitt durch die Ventilanordnung;
Fig. 6: eine abgewandelte Ausführungsform in einer Darstellung entsprechend Fig. 5.

Nach Fig. 1 besteht eine Ventilanordnung 1 aus drei Wafern, nämlich einen ersten Wafer 2, einem zweiten Wafer 3 und einem dritten Wafer 4. Die Ventilanordnung ist in eine Brenngasleitung 5 eingebaut, die im vorliegenden Fall zu einem Injektorbrenner führt. Die Ventilanordnung 1 läßt eine Durchströmung in der durch Pfeile angedeuteten Richtung zu.

Die Wafer 2 bis 4 bestehen aus Silizium, wobei ihre Formgebung durch konventionelles Ätzen erzeugt worden ist.

Nach Fig. 2 weist der erste Wafer 2 eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 6 auf, die in noch zu beschreibender Weise selektiv geöffnet und geschlossen werden können, um Druck und Durchfluß des Gases in Abhängigkeit von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung zu steuern. In Fig. 2 sind die Durchgangsöffnungen 6 als glatte Öffnungen gleicher Größe dargestellt, und zwar mit kreisförmigen Querschnitt. Ihre Zahl ist an die jeweiligen Gegebenheiten angepaßt.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der die Durchgangsöffnung 6 einen quadratischen Querschnitt aufweist und außerdem in Strömungsrichtung konisch verjüngt ist. Glatte Durchgangsöffnungen mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt sind gleichermaßen möglich. Im übrigen sei darauf hingewiesen, daß die Durchgangsöffnungen 6 auch von unterschiedlicher Größe sein können.

Fig. 4 zeigt den zweiten Wafer 3, über den das Öffnen und Schließen der Durchgangsöffnungen 6 bewirkt wird. Als Schließelemente sind Klappen 7 vorgesehen, die durch Ätzen des zweiten Wafers 3 erzeugt worden sind. Dabei ist im zweiten Wafer 3 eine Rahmenöffnung 8 entstanden, in die die Klappen 7 hineinragen. Jede Klappe 7 ist über einen membranartigen Steg 9 mit dem Körper des Wafers 3 verbunden. Die membranartigen Stege 9 lassen eine selektive Bewegung der Klappen 7 zu.

Aus Fig. 4 ergibt sich, daß den Klappen 7 unterschiedliche Anzahlen von Durchgangsöffnungen 6 zugeordnet sind. Durch entsprechende Steuerung der Klappen 7 lassen sich beliebige Durchflüsse einstellen. Dies ermöglicht eine modulierende dynamische Regelung, die einen extrem weiten Regelbereich überdeckt. Eine zusätzliche Feinabstimmung wird dadurch ermöglicht, daß die Durchgangsöffnungen 6 von unterschiedlicher Größe sind.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch die Ventilanordnung am Orte einer der Klappen 7. Daraus ergibt sich, daß die Wafer 2 und 3 aufeinander liegen, wobei die Klappe 7 des zweiten Wafers 3 die zugehörige Durchgangsöffnung 6 des ersten Wafers 2 verschließt. Elektrische Steuermittel 10 bewirken ein Öffnen der Klappe 7. Bei den Steuermitteln 10 handelt es sich um zwei Leiterflächen, von denen die eine dem ersten Wafer 2 und die andere der Klappe 7 zugeordnet ist. Eine entsprechende Polung bewirkt eine kapazitive Abstoßungskraft, die die Klappe 7 unter elastischer Verformung ihres Steges 9 in die Öffnungsstellung bringt. Sobald die Steuermittel 10 stromlos geschaltet werden, schließt sich die Klappe 7, wobei der Versorgungsdruck des Brenngases eine zusätzliche Schließkraft bewirkt. Die Anordnung arbeitet mit sehr geringem Druckverlust.

Fig. 5 zeigt ferner, daß der dritte Wafer 4 mit eingeätzten Sieböffnungen 11 versehen ist und somit ein vorgeschaltetes Staubsieb bildet, das das nachgeschaltete Ventilsystem gegen Verschmutzung schützt. Sofern das Brenngas ausreichend staubfrei ist, kann auf den dritten Wafer 4 auch verzichtet werden.

Allerdings erfüllt der dritte Wafer 4 im vorliegenden Fall noch eine zusätzlich Funktion, indem er die Öffnungsbewegung der Klappe 7 unterstützt. Hierzu ist ein weiterer Satz von Steuermitteln 10 vorgesehen, die einerseits dem dritten Wafer 4 und andererseits wiederum der Klappe 7 zugeordnet sind. Die Polung erfolgt derart, daß eine kapazitive Anziehungskraft bewirkt wird. Auch hier hört die Krafteinwirkung auf, sobald die Steuermittel stromlos geschaltet werden.

Schließlich zeigt Fig. 5, daß die Durchgangsöffnung 6 mit einer Beschichtung 12 versehen ist. Letztere besteht aus einem thermisch blähfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, und dient als thermische Sicherung. Sobald die Temperatur der Ventilanordnung über einen bestimmten Wert von beispielsweise 650°C ansteigt, bläht sich die Beschichtung 12 auf und verschließt automatisch die Durchgangsöffnung 6.

Die Anordnung der Beschichtung 12 auf der Innenwandung der Durchgangsöffnung 6 wurde als zeichnerisch einfach darstellbares Beispiel gewählt. Aus fertigungstechnischen Gründen kann es vorteilhafter sein, die Beschichtung im Bereich der Durchgangsöffnung 6 auf der einen und/oder anderen Fläche des Wafers 2 oder aber auf der dichtenden Fläche der Klappe 7 anzubringen. Eine besonders einfache Möglichkeit besteht darin, den dritten Wafer 4 auf der einen und/oder der anderen Seite zu beschichten. Eine Kombination der einzelnen Maßnahmen ist ebenfalls möglich.

Bei der Variante nach Fig. 6 ist die Durchgangsöffnung 6 in Strömungsrichtung konisch verjüngt. Außerdem ist die Klappe 7 mit einem komplementär ausgebildeten Verschlußvorsprung 13 versehen. Dies bietet die Möglichkeit, den Querschnitt der Durchgangsöffnung 6 zu verändern und dadurch die Variabilität der dynamischen Regelung weiter zu erhöhen.

Um die Klappe 7 nach Fig. 6 bei stromlosen Steuermitteln unabhängig vom Versorgungsdruck des Brenngases in der Schließstellung zu halten, ist das Silizium des zweiten Wafers 3 am Orte des Steges 9 derart dotiert, daß die Klappe 7 entsprechend vorgespannt wird.

Es sei erwähnt, daß eine solche Vorspannung auch im Falle des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 erzeugt werden kann, dort allerdings nicht unbedingt erforderlich ist.

Aus Fig. 2 ergibt sich, daß der erste Wafer 2 mit einem Kapillarkanal 14 versehen ist. Dieser wird in den Wafer 2 eingeätzt und mit geeigneten Mitteln abgedeckt. Der Kapillarkanal 14 weist eine anströmseitige Einlaßöffnung 15 und eine abströmseitige Auslaßöffnung 16 auf, wobei diese Öffnungen durch Klappen 7 verschließbar sind, siehe Fig. 4. Die Einlaßöffnung 15 kann mit dem Versorgungsdruck beaufschlagt werden, während die Auslaßöffnung 16 an die Atmosphäre anschließbar ist. Außerdem bildet die Auslaßöffnung 16 eine Druckmeßdose, die mit einer Membran versehen ist. Letztere wird durch Ätzen des ersten Wafers 2 ausgebildet.

Vor jedem Start des zugehörigen Brenners wird die Einlaßöffnung 15 des Kapillarkanals 14 geschlossen und die Auslaßöffnung 16 mit der Atmosphäre in Verbindung gesetzt, so daß sich innerhalb des Kapillarkanals 14 der Atmosphärendruck einstellt. Anschließend wird die Auslaßöffnung 16 geschlossen und die Einlaßöffnung 15 geöffnet. Es baut sich sodann der Versorgungsdruck im Kapillarkanal 14 auf. Der Druckanstieg wird an der der Auslaßöffnung 16 zugeordneten Druckmeßdose erfaßt und gibt Aufschluß über die Viskosität des Brenngases und damit über dessen Gasqualität.

Wie aus Fig. 2 ferner ersichtlich, sind zwei weitere Druckmeßdosen 17 und 18 in den ersten Wafer 2 eingeätzt. Beide Druckmeßdosen 17 und 18 verfügen über Membranen aus Silizium, die beim Ätzen einteilig mit dem Wafer 2 ausgebildet werden. Die Druckmeßdose 17 erfaßt den Versorgungsdruck und die Druckmeßdose 18 den Arbeitsdruck, wobei diese Werte in die Regelung einbezogen werden. Dies erhöht deren Genauigkeit.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So zeigen die Fig. 2 und 4 die Zuordnung eines ersten Satzes von Durchgangsöffnungen und Klappen zu einem Injektorbrenner. Weitere Sätze können vorgesehen sein, um weitere Injektorbrenner bzw. Injektoren von Brennersätzen jeweils unabhängig voneinander zu steuern. Ferner kann bei der Anordnung nach Fig. 5 der zweite Wafer 3 in umgekehrter Orientierung auf den ersten Wafer 2 aufgesetzt sein. Dabei wird dann der Steg 9 der Klappe 7 derart dotiert, daß die Klappe ihre Schließstellung einnimmt, wie es anhand von Fig. 6 gezeigt ist. Bei den dargestellten Steuermitteln 10 handelt es sich um kapazitive Steuermittel. Anstelle dessen können auch induktive Steuermittel vorgesehen sein. Ferner besteht die Möglichkeit, die Öffnungs- und Schließbewegungen der Klappen piezoelektrisch zu bewirken. Denkbar ist ferner eine thermische Ansteuerung unter Einsatz eines Bimetallelements. Nach Fig. 2 ist der Kapillarkanal 14 ausgangsseitig mit einer Druckdose versehen. Hier kann auch ein Anemometer angeschlossen werden, um über die sich einstellende Fließgeschwindigkeit Aussagen über die Viskosität und damit die Qualität des Brenngases zu erhalten.

Die Erfindung wurde zwar anhand einer Brennersteuerung erläutert, jedoch kann die Ventilanordnung auch für andere Gase und ferner auch für Flüssigkeiten verwendet werden.

Claims

Ventilanordnung zur Druck- und Durchflußsteuerung eines Fluids, mit

einem ersten Wafer (2) und einem zweitem Wafer (3), die miteinander verbunden sind und die jeweils mindestens eine eingeätzte Durchgangsöffnung (6, 8) aufweisen, wobei in der mindestens einen Durchgangsöffnung (8) des zweiten Wafers (3) eine Klappe (7) elastisch bewegbar angeordnet ist, die der mindestens einen Durchgangsöffnung (6) des ersten Wafers zugeordnet ist,

mit Steuermitteln (10), die am Ort der mindestens einen Klappe (7) vorgesehen sind und deren Öffnungs- und Schließbewegungen bewirken,

dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Silizium-Wafer (2) mit einer Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (6) versehen ist,

daß die mindestens eine Durchgangsöffnung (8) in dem zweiten Silizium Wafer (3) als durchgehende Rahmenöffnung ausgebildet ist und eine Mehrzahl von Klappen (7) aufweist, welche jeweils über einen membranartigen Steg (9) einteilig mit dem zweiten Silizium-Wafer (3) verbunden sind, wobei die Steuermittel (10) der einzelnen Klappen (7) in Abhängigkeit von einer Steuereinrichtung selektiv betätigbar sind.
Ventilanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß den einzelnen Klappen (7) des zweiten Wafers (3) unterschiedliche Anzahlen und/oder Größen von Durchgangsöffnungen (6) des ersten Wafers (2) zugeordnet sind.
Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Durchgangsöffnungen (6) des ersten Wafers (2) in Strömungsrichtung konisch verjüngt sind und daß die zugehörigen Klappen (7) des zweiten Wafers (3) einteilig mit komplementär ausgebildeten Verschlußvorsprüngen (13) versehen sind.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die membranartigen Stege (9) der Klappen (7) durch Dotieren des Siliziums in Schließrichtung vorgespannt sind.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wafer (3) auf seiner vom ersten Wafer (2) abgewandten Seite einen als Staubsieb geätzten dritten Silizium-Wafer (4) aufweist.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (10) zum selektiven Bewirken der Öffnungs- und Schließbewegungen der Klappen (7) zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer (2, 3) und/oder zwischen dem zweiten und dem dritten Wafer (3, 4) vorgesehen sind.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (10) kapazitive oder magnetfeldinduzierte Abstoßungs- bzw. Anziehungskräfte auf die Klappen (7) ausüben.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Klappen (7) bei stromlosen elektrischen Steuermitteln (10) ihre Schließstellung einnehmen.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Wafer (2 bis 4) im Bereich der Öffnungen mit einer Beschichtung (12) aus thermisch blähfähigem Material versehen ist.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß in den ersten Wafer (2) Druckmeßdosen (17, 18) eingeätzt sind, die druckseitig jeweils von einer einteilig mit dem Wafer verbundenen Membran geschlossen sind.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß in den ersten Wafer (2) ein Kapillarkanal (14) eingeätzt und bis auf eine anströmseitige Einlaßöffnung (15) und eine abströmseitige Auslaßöffnung (16) abgedeckt ist,

daß der Einlaß- und der Auslaßöffnung (15, 16) des Kapillarkanals (14) je eine Klappe (7) des zweiten Wafers (3) zugeordnet ist und

daß an die Auslaßöffnung (16) ein Drucksensor oder ein Anemometer anschließbar ist
Ventilanordnung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor des Kapillarkanals (14) als eingeätzte Druckmeßdose ausgebildet ist, die von einer einteilig mit dem ersten Wafer (2) verbundenen Membran geschlossen ist.