WO1996030643A1 - Lochscheibe, insbesondere für einspritzventile - Google Patents

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Dietmar Hahn
Heinz Fuchs
Gottfried Flik
Günter DANTES
Gilbert MÖRSCH
Detlef Nowak
Jörg HEYSE
Beate Walz
Frank Schatz
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y10S239/00—Fluid sprinkling, spraying, and diffusing
    • Y10S239/90—Electromagnetically actuated fuel injector having ball and seat type valve

Definitions

  • the invention is based on a perforated disc, in particular for injection valves according to the preamble of the main claim.
  • the proposed perforated disks are planes of two,
  • the silicon platelets have regions of reduced thickness formed so that shear gaps are formed parallel to the end faces of the platelets between the openings of the first platelet and the one opening of the second platelet by etching on silicon wafers, which have a multiplicity of perforated disk structures, which creates inlet and outlet openings.
  • the frustoconical contours for the openings in the perforated disk result logically from the anisotropic etching technique.
  • a valve arrangement consisting of an elastic silicon valve plate and a nozzle plate also made of silicon, is already known from EP-OS 0 314 285.
  • the two silicon wafers are connected to one another and can be deflected relative to one another.
  • Inlet openings are provided in the silicon valve plate are arranged with an offset to outlet openings in the nozzle plate.
  • plateau surfaces of the silicon valve plate seal off the outlet openings in the nozzle plate, while the valve plate is bent
  • Nozzle plate by means of an actuator creates an S-shaped passage for a fluid and the valve assembly is open.
  • Known fuel injector which has a nozzle consisting of two silicon wafers at its downstream end. Similar to the perforated disks described above, the inlet and outlet openings in the two silicon wafers are offset from one another, so that an “S-blow” occurs in the flow of a fluid flowing through, here fuel.
  • the assembly of the silicon wafers on metallic components, such as on injection valves, is complex because special stress-free clamping solutions have to be found and the sealing on the valve is problematic. Welding the silicon perforated disks to the injection valve is e.g. B. not possible.
  • a nozzle for injection engines is already known from DE-PS 483 615, which is also formed from two nozzle plates, the nozzle plates offset from each other arranged inlet and outlet openings have to promote tearing of the fuel flowing through. With this nozzle, however, it is in no way possible to shape the sprayed fuel according to a desired geometry.
  • the two metal nozzle plates are manufactured or processed using conventional technology (stamping, pressing, rolling, cutting, drilling, milling, grinding, etc.).
  • the perforated disk according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that a uniform fine atomization of a fluid is achieved without additional energy, that is to say only via the available medium pressure, a particularly high atomization quality and a beam shaping adapted to the respective requirements being achieved.
  • the exhaust gas emission of the internal combustion engine can be reduced and a reduction in fuel consumption can also be achieved.
  • perforated disks By means of galvanic metal deposition, perforated disks can advantageously be produced in a reproducible manner, extremely precisely and inexpensively, in very large numbers. In addition, this manufacturing method allows an extremely high degree of design freedom, since the contours of the openings in the perforated disk can be freely selected.
  • Metallic deposition has the advantage of a very large variety of materials, especially when compared to the production of silicon wafers. A wide variety of metals with their different magnetic properties and hardness can be used in the manufacture of the perforated disk according to the invention. Advantageous further developments and improvements of the perforated disk specified in the main claim are possible through the measures listed in the subclaims.
  • channels formed as flow connections between inlet and outlet openings, with channel extensions (cavities) in which flow vortices are driven by the fluid flowing past.
  • channel extensions cavities
  • Another advantage is the use of a trip hazard in the perforated disc.
  • a trip hazard In the wake of such a trip hazard, a wake trail with strong transverse impulses arises.
  • the turbulence in the vortex contributes to the fact that a homogeneous spray is sprayed with very fine droplets.
  • the result of the advantageous reduction of the mean droplet diameter in the spray is a homogeneous spray distribution. The reason is the lower droplet distribution density resulting from the homogeneous spray. This results in a reduced probability of droplet coagulation.
  • undercuts can be achieved in a particularly advantageous manner at low cost and with extremely high precision.
  • FIG. 1 shows a partially illustrated injection valve with a perforated disk according to the invention
  • FIG. 2 shows a perforated disk in a bottom view
  • FIG. 3 shows a perforated disk in section along the line III-III in FIG. 2
  • FIG. 4 shows a flow area of a three-layer perforated disk
  • FIG. 5 shows a flow area of a three-layer perforated disc with a first channel extension
  • Figure 6 one
  • FIG. 1 Flow area of a three-layer perforated disc with a second channel extension
  • FIG. 8 shows a flow area of a four-layer perforated disk with channel extensions
  • FIG. 9 shows a schematic plan view of a perforated disk with lateral channel extensions
  • FIG. 10 shows a flow area of a perforated disk with trip hazard
  • FIG. 11 shows a perforated disk in a bottom view
  • FIG. 12 shows a perforated disk in section along the line XII-XII in FIG. 11,
  • FIG. 13 a perforated disk in a bottom view
  • FIG. 14 a further perforated disk in a plan view with non-angular openings
  • FIG. 15 a perforated disk in section along the line XV-XV in FIG.
  • FIGS. 16 to 20 process steps for producing a perforated disk by means of multilayer electroplating
  • FIG. 21 a perforated disk after lateral overgrowth
  • FIG. 22 23 shows a top view of the central area of the perforated disk shown in section in FIG. 22,
  • FIG. 24 shows another perforated disk in a top view
  • FIGS. 25 to 27 show three central areas of perforated disks, each with one Rectangular inlet opening
  • FIG. 28 shows a perforated disk in a top view with an asymmetrical division of the opening areas
  • FIGS. 29 and 30 two central areas of perforated disks with an asymmetrical division of the opening areas
  • FIG. 31 a central area of a perforated disk with consistently circular openings 32 shows a central area of a perforated disk with sixteen sickle-shaped inlet openings and FIG. 33 shows a central area of a perforated disk with an approximately semicircular inlet opening and sickle-shaped outlet openings.
  • FIG. 1 shows, as an exemplary embodiment, a valve in the form of an injection valve for fuel injection systems of mixture-compressing spark-ignition internal combustion engines, which can be equipped with a perforated disk according to the invention.
  • the injection valve has a tubular valve seat support 1, in which a longitudinal opening 3 is formed concentrically with a valve longitudinal axis 2.
  • a longitudinal opening 3 is formed concentrically with a valve longitudinal axis 2.
  • the injection valve is actuated in a known manner, for example electromagnetically.
  • An indicated electromagnetic circuit with a magnet coil 10, an armature 11 and a core 12 serves for the axial movement of the valve needle 5 and thus for opening against the spring force of a return spring (not shown) or closing the injection valve.
  • the armature 11 is facing away from the valve closing body 7 End of the valve needle 5 by z. B. a weld seam connected by a laser and aligned with the core 12.
  • a guide opening 15 of a valve seat body 16 is used to guide the valve closing body 7 during the axial movement.
  • the cylindrical valve seat body 16 is tightly mounted in the longitudinal opening 3 concentric to the longitudinal axis 2 of the valve by welding.
  • On its lower end face 17 facing away from the valve closing body 7 is the
  • Valve seat body 16 with a e.g. Pot-shaped support disc 21 is concentrically and firmly connected, which is directly against the valve seat body 16.
  • the support disk 21 has a similar shape to the already known pot-shaped spray perforated disks, a central region of the support disk 21 being provided with a stepped through-opening 22 in order to receive a perforated disk 23 according to the invention in it.
  • valve seat body 16 and the support disk 21 are connected, for example, by means of a circumferential and sealed first weld seam 25 which is formed by a laser. This type of assembly increases the risk of undesired deformation of the support disk 21 in its central region with the through opening 22 and the built therein Perforated disk 23 avoided.
  • the support disc 21 is also with the wall of the longitudinal opening 3 in - o -
  • the insertion depth of the valve seat part consisting of valve seat body 16 and cup-shaped support disk 21 into the longitudinal opening 3 determines the size of the stroke of the valve needle 5, since the one end position of the valve needle 5 when the solenoid coil 10 is not energized due to the valve closing body 7 resting on a valve seat surface 29 of the valve seat body 16 is set.
  • the other end position of the valve needle 5 is determined when the solenoid 10 is excited, for example by the armature 11 resting on the core 12. The path between these two end positions of the valve needle 5 thus represents the stroke.
  • the spherical valve closing body 7 interacts with the valve seat surface 29 of the valve seat body 16 which tapers in the shape of a truncated cone and is formed in the axial direction between the guide opening 15 and the lower end face 17 of the valve seat body 16.
  • the insertion of the perforated disk 23 in a support disk 21 and a clamp 31 as a fastening is a possible variant of attaching the perforated disk 23 downstream of the valve seat surface 29.
  • Such clamping as indirect fastening of the perforated disk 23 on the valve seat body 16 has the advantage that temperature-related deformations are avoided that could possibly occur during processes such as welding or soldering.
  • the support plate 21 is by no means an exclusive condition for fastening the perforated plate 23
  • Fastening options are not essential to the invention, only the reference to customary known joining methods, such as welding, soldering or gluing, should be made here.
  • FIG. 2 shows the perforated disk 23 in a bottom view.
  • the perforated disc 23 is designed as a flat, flat, circular and multi-layer disc, which is why z. B. can also be referred to as a multilayer spray plate.
  • the perforated disk 23 is centered in the support disk 21. This multilayeredness of the
  • Perforated disk 23 in Figure 3 which is a view corresponding to a section along the line III-III in Figure 2.
  • here are some essential features, including those relating to manufacturing technology.
  • the perforated disk 23 shown in FIGS. 2 and 3 is built up in three metallic layers by electrodeposition. Due to the deep lithographic, galvanotechnical production there are the special features in the contouring:
  • An upper layer 35 has, for example, four rectangular inlet openings 36, each formed at the same distance from the longitudinal axis 2 of the valve or from the central axis of the perforated disk 23 and offset from one another by 90 ° .
  • the inlet openings 36 are arranged very close to the valve longitudinal axis 2 compared to the diameter of the perforated disk 23.
  • four rectangular outlet openings 38 are likewise provided in a lower layer 37.
  • the outlet openings 38 have, for example, a slightly smaller opening width than the inlet openings 36.
  • Two axes 39 of the perforated disk 23 which run perpendicular to one another and intersect on the longitudinal valve axis 2 divide the inlet openings 36 and the outlet openings 38 each in the center, so that both axes 39 represent axes of symmetry of the symmetrically constructed perforated disk 23.
  • Radial channels 42 which form a direct connection between inlet openings 36 and outlet openings 38, also extend in a middle layer 40 lying between the upper and lower layers 35 and 37 along the axes 39.
  • the slightly trapezoidal channels 42 have z. B. such a size that they just cover the inlet openings 36 and the outlet openings 38 in the projection. In this exemplary embodiment, all four channels 42 are present separately from one another.
  • the perforated disk 23 With a diameter of 4 to 5 mm, the perforated disk 23 has z. B. a thickness of 0.5 mm, the upper and the lower layer 35 and 37, for example, each 0.1 mm and the middle layer 40 0.3 mm thick.
  • This size information on the dimensions of the perforated disk 23 as well as all other dimensions specified in the description serve only for better understanding and do not limit the invention in any way.
  • the relative dimensions of the individual structures of the perforated disk 23 in all the figures are also not necessarily to scale.
  • the channel end is then the outlet opening 38.
  • Perforated disks 23 in the form of S-type disks is by no means a requirement for the use of galvanic metal deposition; they are only preferred variants with which very good atomization results can be achieved.
  • Perforated disks 23 can also be produced with the galvanic metal deposition, in which the inlet openings 36 and the outlet openings 38 have little or no offset from one another.
  • the medium receives a radial velocity component through the radially extending channel 42.
  • the flow does not completely lose its radial velocity component in the short axial outlet passage. Rather, it emerges from the perforated disk 23 with one-sided detachment on the wall of the outlet opening 38 facing the inlet opening 36 at an angle to the longitudinal axis or central axis 2.
  • FIGS. 5 and 6 exemplary embodiments of perforated disks 23 are shown, in which the channels 42 in FIG middle layer 40 not only run from the inlet openings 36 to the outlet openings 38, but also beyond the outlet openings 38 in the direction of the outer boundary of the perforated disks 23.
  • These extensions of the channels 42 are subsequently called channel extensions 43
  • Canal extension 43 from the radial depth c and the height h, which results from the thickness of the middle layer 40.
  • the size of the canal extension 43 c 2 x h.
  • the geometry of the channel extension 43 shown in FIG. 6 leads to the formation of a double vortex, both vertebrae being driven by pulse exchange and having an opposite direction of the vortex.
  • the oscillations in the individual exit jets result in oscillation patterns both in the individual jets and in the overall spray.
  • a wide variety of strange beam cross sections can be reached using these oscillation patterns (e.g. rectangle, triangle, cross, circle). Without such beam vibrations, these cross-sectional shapes would not be achievable; otherwise there is a tendency to circular Cross sections of the individual beams.
  • the arbitrary patterns or cross-sections of the individual jets or of the total spray as the sum of all the individual jets, which are in constant interaction with one another through pulse exchange, can therefore be achieved particularly when the oscillations in the fluid are high-frequency.
  • the spray is distributed more evenly over the beam cross-section due to the changes in direction. This makes the spray more homogeneous and mixes better with the intake manifold air flow to form an exhaust-reducing mixture.
  • the transverse impulses across the flow caused by the turbulence lead, among other things, to the fact that the droplet distribution density in the sprayed-off spray is very uniform. This results in a reduced likelihood of droplet coagulation, that is, of associations of small droplets into larger drops.
  • the result of the advantageous reduction in the mean droplet diameter in the spray is a relatively homogeneous spray distribution.
  • the S blow creates a fine-scaled (high-frequency) turbulence in the fluid, which causes the jet to disintegrate into correspondingly fine droplets immediately after emerging from the perforated disk 23.
  • the greater the shear stresses resulting from the turbulence the greater the scatter of the flow vectors.
  • the shear stresses ensure that there is a "chaotic state" in all levels of the fluid, so that a desired spreading of the jets or spray occurs, which can lead to the different cross-sections or patterns already mentioned.
  • FIG. 7 is one five-layer perforated disk 23 is shown, in which, in addition to the known three layers 35, 37 and 40, two further middle layers 40 'are formed. These two additional layers 40 'each lie between the middle layer 40 and the upper and lower layers 35 and 37. In order to ensure that the fluid flows through the perforated disk 23 from the inlet opening 36 to the outlet opening 38, the two layers 40 have Corresponding opening areas 45, which establish the connection to the channel 42 provided in the layer 40.
  • At least one channel extension 43 ' is also introduced in the layers 40'.
  • B. has the axial height of the layer 40 '. Seen in the radial direction, the channel extensions 43 'are, for example, between the inlet opening 36 and the
  • FIG. 8 shows a variant of a perforated disk 23 with four layers, that is to say only with an additional middle layer 40 '.
  • the layer 40' must in turn have an opening area 45, here in FIG. 8 an opening area 45 which is introduced directly at the outlet opening 38.
  • additional channel extensions 43' which represent axially offset to the channel 42 in which flow vortices arise.
  • the z. B. three channel extensions 43 'in the layer 40' can be equally spaced or arbitrarily divided.
  • FIG. 9 shows a schematic plan view of part of a perforated disk 23.
  • the perforated disk 23 is formed in four layers in this specific case. Between the two upper and lower layers 35 and 37 there are now z. B. two middle layers 40 and 40 '.
  • the additional middle layer 40 ' which follows directly on the lower layer 37, is designed such that a z. B. cuboid, sharp-edged elevation, namely a trip hazard 50 extends.
  • a z. B. cuboid, sharp-edged elevation namely a trip hazard 50 extends.
  • the trip hazard 50 should be formed with a radial offset to the inlet opening 36.
  • the channel 42 extends between the
  • the main flow of the fluid sweeps over the boundary layer trip hazard 50.
  • the flow separates from the trip hazard 50 and experiences a pressure increase due to the sudden cross-sectional expansion downstream of the trip hazard 50 (conversion of kinetic energy into pressure energy - diffuser effect). This rise in pressure leads to intensive boundary layer turbulence in the wake of the trip hazard 50.
  • the vortex wake can reduce flow losses because it has a high turbulent exchange of impulses across the main flow in the direction of the walls. It follows from this that the main flow tends less to detach from the walls of the channel 42 in the wake of the trip hazard 50 and thus makes better use of the flow cross-sections available. A separation of the flow from the wall would lead to a loss of pressure.
  • the stumbling trap 50 also serves to spray a homogeneous spray, which disintegrates into very fine droplets, and in turn the most varied spray patterns can be achieved.
  • FIGS. 11 and 12 show an embodiment which only has a single contiguous channel 42 'in FIG
  • FIG. 12 is a view of the perforated disk 23 corresponding to a section along the line XII-XII in FIG. 11.
  • FIGS. 13 and 14 show two exemplary embodiments of such a different offset as a bottom view or top view of a perforated disk 23 in each case. It is clear that the outlet openings 38 are offset more in the circumferential direction from the inlet openings 36. B. rotated by 90 ° compared to the examples with radial offset.
  • the channel 42 'in the middle layer 40 of the perforated disk 23 in FIG. B. an octagonal, but largely square outer contour, the corners of the wall of the
  • the outer region 54 and the material island 53 thus have no parallel walls.
  • the perforated disk 23 shown in FIGS. 14 and 15 (section along the line XV-XV in FIG. 14) is particularly distinguished by its non-angular inlet and outlet openings 36 and 38.
  • the inlet openings 36 in the upper layer 35 have e.g. an elliptical cross section, while the outlet openings 38 in the lower disk 37 are circular.
  • Material island 53 has, for example, a square cross section, while the channel 42 ′ in the middle layer 40 is delimited in a circular manner from the outside by the outer region 54.
  • two positioning receptacles 56 are provided in the form of through holes near the outer boundary.
  • the inlet openings 36 and the outlet openings 38 can be arranged with an arbitrarily large offset from one another. In the exemplary embodiments in FIGS. 13 and 14 there are, for example, significantly smaller offsets than in all the other examples shown above.
  • the jet direction and the degree of turbulence can be adjusted or adjusted via the size of the offset.
  • the inlet openings 36, outlet openings 38 and channels 42, 42 'shown up to FIG. 13 always have square or rectangular cross sections.
  • the galvanic metal deposition multilayer electroplating
  • Modifications to cross-sections consisting of rounded rectangles or squares, circles, circle segments, ellipses, ellipse segments, polygons, rounded polygons, etc. are conceivable.
  • the walls of the individual structures run largely parallel to Longitudinal valve axis 2.
  • Also of interest can be the different design of inlet openings 36 and outlet openings 38, which are directly connected to one another via a channel 42, 42 '. Suitable changes in cross-section z. B. the transitions from
  • FIGS. 16 to 21 The manufacturing technology used to manufacture the perforated disk 23 is illustrated in more detail with reference to FIGS. 16 to 21.
  • the figures do not exactly show the exemplary embodiments of perforated disks 23 shown in FIGS. 1 to 15 with the corresponding desired contours, but only arrangements that clarify the production principle. It is precisely the relative dimensions of the layer thicknesses in comparison with the sizes of the openings or channels that differ from the exemplary embodiments described above, particularly in the examples shown in FIGS. 16 to 20.
  • the method steps explained below permit the production of all of the exemplary embodiments described and shown below and at any time.
  • Microstructuring processes are becoming increasingly important for their large-scale production.
  • a path required which favors the aforementioned turbulence within the flow.
  • the widths of the outlet openings should be in the size of a few 10 micrometers in order to atomize the fluid as effectively as possible, e.g. B. the fuel to achieve.
  • the metallic perforated disks 23 according to the invention are therefore manufactured using a production technology which is based on the successive application of photolithographic steps (UV depth lithography) and subsequent micro-electroplating.
  • the starting point for the production of the perforated disks 23 with the new technology is a flat and stable carrier plate 60 which, for. B. can consist of metal (copper), silicon, glass or ceramic.
  • the usual thicknesses of this carrier plate 60 are between 500 ⁇ m and 2 mm; however, they have no influence on the following process steps.
  • at least one auxiliary layer 61 is first electroplated onto the carrier plate 60.
  • the electroplating start layer 61 ' also serve as a sacrificial layer 61, in order to later easily separate the
  • the electroplating start layer 61 ' can be dispensed with. If copper is used as the sacrificial / electroplating start layer 61, 61 ', a thin (for example 80 n) chrome layer must be applied as the adhesive layer 61''between the carrier plate 60 and the electroplating start layer 61'.
  • the auxiliary layer 61, 61 ', 61'' (typically CrCu or CrCuCr when using a polyimide as photoresist) is applied, for example, by sputtering or by electroless metal deposition.
  • a photoresist (photoresist) 63 is applied over the entire area to the optional auxiliary layer 61, 61 ', 61''. There are three different options:
  • the photoresist 63 is in all three
  • the thickness of the photoresist 63 should correspond to the thickness of the metal layer that is to be realized in the subsequent electroplating process, that is to say the thickness of the lower layer 37 of the perforated disk 23. Typically, layer thicknesses of between 10 and 300 ⁇ m are aimed at, depending on the desired thickness of the layers Perforated disk 23.
  • the metal structure to be realized is to be transferred inversely in the photoresist 63 with the aid of a photolithographic mask 64. On the one hand, there is the possibility of exposing the photoresist 63 directly via the mask 64 by means of UV exposure 65 (UV depth lithography).
  • photoresist 63 Another possibility of structuring the photoresist 63 provides that an oxide (for example SiO 2 ) or a nitride is deposited on the photoresist 63, which is structured photolithographically as a mask for a dry etching process of the photoresist 63.
  • Laser ablation also lends itself, material of the photoresist 63 being removed explosively after the application of a mask using a laser.
  • FIG. 18 shows the structure after the galvanic filling of the resist trenches 68 formed in the photoresist 63 at least up to the upper edge of the photoresist 63.
  • metal 70 is thus deposited in the resist trenches 68 Carrier plate 60 deposited. The metal 70 lies closely against the contour of the negative structure 66 due to the electroplating, so that the specified contours are reproduced in it in a true-to-shape manner.
  • the height of the electroplating layer of the metal 70 should correspond to the height of the photoresist 63.
  • the choice of the material to be deposited depends on the respective requirements of the layer, whereby the factors mechanical strength, chemical resistance, weldability and others are particularly important. Ni, NiCo, NiFe or Cu are usually used; however, other metals and alloys are also conceivable.
  • the steps from the optional application of the auxiliary layer 61, 61 ', 61' ' have to be repeated according to the number of the desired layers.
  • This is indicated in FIG. 19, with the layer of the photoresist 63 'being e.g. B. serves to form the later middle layer 40 of the perforated disk 23.
  • the reference numerals with a dash indicate a repeated process.
  • the individual metal layers are deposited on one another and held together by metallic adhesion. Different metals 70 can also be used for the layers of a perforated disk 23.
  • the perforated disks 23 are separated.
  • the sacrificial layer 61 is etched away, as a result of which the perforated disks 23 lift off from the carrier plate 60.
  • This can e.g. B. by a KOH treatment or by an oxygen plasma or by means of solvents (z. B. acetone) for polyimides.
  • An alternative solution is also mechanical detachment from the carrier plate 60 with a suitable choice of the
  • FIG. 20 shows an example of a three-layer perforated disk 23 detached from the carrier plate 60, the height of the
  • Inlet openings 36 and outlet openings 38 will usually be smaller.
  • a layer is to be understood as the position of the perforated disk 23 built up in an electroplating step.
  • a layer can have several functional levels, as will be explained in more detail in the following sections based on the "lateral overgrowth".
  • the respective functional levels have different opening contours. Outlet openings, channels) to the function level that immediately follows in each case, so a new function level begins according to this definition at the point at which there is a change in the opening contour as seen along the axial extension along the central axis 2.
  • the one shown in FIGS Perforated disks 23 really have at least three layers 35, 37, 40, 40 'deposited one after the other metallically, each layer naturally also corresponding to a functional level.
  • FIG. 21 shows a further exemplary embodiment of a perforated disk 23 of the “S type”, which differs from the manufacturing method just described by a different method Technology is made.
  • This new technology can be referred to as "lateral overgrowth.”
  • the method of "lateral overgrowth" enables at least two functional levels of the perforated disk 23 to be formed in one step by means of galvanic deposition, without a third having a perforated disk having three functional levels Electroplating is necessary.
  • the at least two functional levels formed in an electroplating step represent only one layer in the sense explained above without any intermediate limitation.
  • the lower layer 37 is first produced in a known manner, as can be seen from FIGS. 16 to 18.
  • the metal 70 to be electroplated then grows in the known form around the photoresist structure 63 'of the second layer up to the upper edge of the photoresist 63' (FIG. 19). After that, however, the electroplating grows beyond the photoresist 63 '.
  • the overgrowth of the photoresist structure 63 ' takes place in the horizontal and vertical directions of approximately the same order of magnitude. This overgrowth replaces the application of a further electroplating start layer 61 'and the third electroplating layer itself, since two functional levels 35, 40 of the later perforated disk 23 are generated in one electroplating step.
  • the height of the overgrowth is adjusted so that the inlet openings 36 formed in the upper growing layer 35 'with the functional levels 35, 40 meet the desired requirements, e.g. have an offset to the outlet openings 38 in the case of S-type panes.
  • the overgrowth is stopped at the earliest when the outlet openings 38 are completely covered by the material of the overgrown layer 35 'in the projection.
  • a perforated disc 23 can be produced by means of lateral overgrowth, which has only one layer in the sense described above, but e.g. has three functional levels.
  • FIGS. 22 to 33 show further exemplary embodiments of perforated disks 23 according to the invention, which are only to be explained in short form, since they can all be constructed using the manufacturing technology described in detail above and only show a few interesting designs. Rather, these exemplary embodiments of perforated disks, which now follow, show that there is a huge variety of designs is possible with the manufacturing process of galvanic metal deposition.
  • FIGS. 22 and 23 show a perforated disk 23, which in turn is produced at least partially by means of lateral overgrowth.
  • the upper layer 35 ' has at least two functional levels, i.e. a plane in which the channel 42 ′ extends and an overlying plane that opens the inlet opening 36.
  • the lower layer 37 has e.g. a much larger diameter than the upper layer 35 '. While the inlet opening 36 has a circular cross section, the four outlet openings 38 are arranged in a crescent shape in a crescent shape.
  • the channel 42 'located in the lower level of the upper layer 35' is circular, like the inlet opening 36, with a diameter which is slightly larger than the outer diameter of the crescent-shaped outlet openings 38. The so-called S-blow of the fluid takes place radially outwards in this arrangement. This gives a radially symmetrical spray pattern with good atomization.
  • FIG. 24 shows a perforated disk 23 in plan view, through which flat jet spraying is possible.
  • the four inlet openings 36 in the upper layer 35 are rectangular. Exactly one channel 42 and one outlet opening 38 are assigned to each inlet opening 36.
  • the outlet openings 38 are, for example, square or rectangular.
  • the channels 42 completely covering the inlet and outlet openings 36 and 38 in the projection have a hexagonal contour which can be changed in accordance with the size of the inlet and outlet openings 36 and 38.
  • the offsets of the inlet and outlet openings 36 and 38 are selected so that a good preparation with flat jet images takes place in two directions.
  • FIGS. 25 to 27 show perforated disks 23 in plan view, with which flat rays can be generated.
  • Longitudinal directions of the rectangular outlet openings 38 can be parallel or perpendicular to the longitudinal direction of the inlet opening 36. In any case, such a displacement results in a flat spray pattern.
  • the beam shaping can be adapted to the respective requirements.
  • FIG. 28 shows a perforated disk 23 which is very similar to the perforated disk 23 shown in FIG. 24 in terms of the geometry and size of the individual opening areas.
  • a perforated disk 23 For special applications, e.g. Unusual installation positions of injection valves on internal combustion engines, not only is a flat jet emerging from the perforated disk 23 desirable, but spraying at a certain angle to the longitudinal axis of the valve / central axis 2 (FIGS. 1 and 3). This is possible with a perforated disk 23 according to FIG. 28.
  • a respective functional unit of inlet opening 36, channel 42 and outlet opening 38 in turn enables a spray cone in the direction of the S-stroke. Four such functional units are provided in this embodiment. If such spray cones or spray cones are put together in a suitable manner, the entire spray pattern can be adapted very g t to the respective circumstances.
  • Figure 28 illustrated perforated disc 23 can be targeted in two " F ⁇ ft ⁇ " ⁇ , ,
  • FIGS. 29 and 30 central spray areas of perforated disks 23 are shown, with which exceptional jet patterns can also be generated.
  • the perforated disks 23 each have three functional units with an inlet opening 36, a channel 42 and an outlet opening 38.
  • the functional units are arranged asymmetrically or eccentrically around the central axis 2 of the perforated disk 23 which passes through the intersection of the two axes 39. With this apparently disordered division, individual beam directions can be achieved very well.
  • a channel 42 with a circular sector-shaped contour connects a circular inlet opening 36 with a crescent-shaped outlet opening 38.
  • the opening areas in the perforated disk 23 in FIG. 30 are angular.
  • the fluid passes through e.g. square inlet openings 36, then flows through hexagonal channels 42 to outlet openings 38, which are rectangular.
  • Channels 42 associated with two inlet openings 36 can e.g. run in such a way that they unite in the region of the outlet openings 38, the fluid then also only emerging from the perforated disk 23 via a V-shaped outlet opening 38.
  • the number of inlet and outlet openings 36 and 38 does not have to match.
  • FIG. 31 illustrates an arrangement with consistently circular opening areas.
  • the fluid can enter via a central circular inlet opening 36 of the upper layer 35 and leaves the perforated disk 23 via four likewise circular outlet openings 38 which are in the lower layer W ⁇ O , ,, n ⁇ 4 ,
  • FIG. 32 shows a perforated disk 23 which has four functional units with opening areas.
  • a fluid enters the perforated disk 23 via four belonging to each functional unit and thus a total of sixteen sickle-shaped inlet openings 36.
  • inlet openings 36 are assigned exactly one circular channel 42 'which, for example, has such a large diameter that it completely covers the crescent-shaped inlet openings 36.
  • outlet opening 38 is formed, which is circular and is enclosed in the projection by the crescent-shaped inlet openings 36.
  • the four functional units are e.g. arranged symmetrically to the central axis 2 lying on the axes 39.
  • FIG. 33 shows a perforated disk 23 which has a completely asymmetrical arrangement of the opening areas.
  • the centrally arranged inlet opening 36 is shaped with an approximately semicircular contour, while the significantly smaller outlet openings 38 extend in a crescent shape on the rounded side of the inlet opening 36 in the lower layer 37.
  • the number of outlet openings 38 can be varied as desired; in the example shown, three outlet openings 38 are provided.
  • the circular channel 42 ' is in turn so large that all other openings are covered by it.
  • the perforated disks 23 described are not intended exclusively for use on injection valves; Rather, they can also, for. B. in painting nozzles, in inhalers, in inkjet printers or in freeze-drying processes, for spraying or injecting liquids, such as e.g. Beverages are used to atomize medication. to
  • the perforated disks 23 produced by means of multilayer electroplating are generally suitable.

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Abstract

Die erfindungsgemäße Lochscheibe zeichnet sich dadurch aus, daß ein vollständiger axialer Durchgang für ein Fluid geschaffen ist, der sich aus Einlaßöffnungen (36), Auslaßöffnungen (38) und wenigstens einem dazwischenliegenden Kanal (42) zusammensetzt. Die wenigstens drei Funktionsebenen (35, 37, 40) der Lochscheibe (23) mit einer jeweils charakteristischen Öffnungsstruktur (36, 38, 42) werden durch galvanische Metallabscheidung aufeinander aufgebaut (Multilayergalvanik). Eine galvanisch abgeschiedene Schicht der Lochscheibe (23) kann dabei eine oder mehrere Funktionsebenen (35, 37, 40) aufweisen. Die Lochscheibe (23) eignet sich besonders für den Einsatz an Einspritzventilen in Brennstoffeinspritzanlagen, bei Lackierdüsen, bei Inhalatoren, bei Tintenstrahldruckern oder bei Gefriertrockenverfahren, zum Ab- bzw. Einspritzen von Flüssigkeiten, z.B. Getränken, oder zum Zerstäuben von Medikamenten.

Description

Lochscheibe. insbesondere für Einspritzventile
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Lochscheibe, insbesondere für Einspritzventile nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist bereits aus der EP-OS 0 354 660 bekannt, Düsen in Lochscheibenform zu fertigen, die sogenannte „S-Typ-
Scheiben" darstellen. Damit ist gemeint, daß die Ein- und die Auslaßöffnungen in der Lochscheibe zueinander versetzt ausgebildet sind, wodurch sich zwangsläufig ein „S-SchlagΛ in der Strömung eines die Lochscheibe durchströmenden Fluids ergibt. Die vorgeschlagenen Lochscheiben werden von zwei ebenen, durch Bonden zusammengefügten Plättchen gebildet, die aus Silizium bestehen. An den Siliziumplättchen sind Bereiche reduzierter Dicke ausgeformt, so daß Scherspalte parallel zu den Stirnflächen der Plättchen zwischen den Öffnungen des ersten Plättchens und der einen Öffnung des zweiten Plättchens gebildet sind. Mit der bekannten Maskentechnik werden durch Ätzen auf Siliziumwafern, die eine Vielzahl von Lochscheibenstrukturen aufweisen, die Ein- und Auslaßöffnungen erzeugt. Die kegelstumpfförmigen Konturen für die Öffnungen in der' Lochscheibe ergeben sich in logischer Weise aus der anisotropen Ätztechnik.
Eine Ventilanordnung, bestehend aus einem elastischen Siliziumventilplättchen und einem Düsenplättchen ebenfalls aus Silizium, ist schon aus der EP-OS 0 314 285 bekannt. Die beiden Siliziumplättchen sind miteinander verbunden und können relativ zueinander ausgelenkt werden. Im Siliziumventilplättchen sind Einlaßöffnungen vorgeseher., die mit einem Versatz zu Auslaßöffnungen im Düsenplättchen angeordnet sind. Im geschlossenen Zustand der Ventilanordnung dichten Plateauflächen des Siliziumventilplättchens die Auslaßöffnungen im Düsenplättchen ab, während bei einem Verbiegen des
Düsenplättchens mittels eines Betätigungsgliedes ein S- förmiger Durchgang für ein Fluid entsteht und die Ventilanordnung geöffnet ist.
Aus der US-PS 4 907 748 ist bereits ein
Brennstoffeinspritzventil bekannt, das an seinem stromabwärtigen Ende eine aus zwei Siliziumplättchen bestehende Düse aufweist. Ähnlich wie bei den oben beschriebenen Lochscheiben weisen die Ein- und Auslaßöffnungen in den beiden Siliziumplättchen zueinander Versätze auf, so daß ein „S-Schlag" in der Strömung eines durchströmenden Fluids, hier Brennstoff, entsteht.
Alle vorgenannten Lochscheiben aus Silizium besitzen den Nachteil einer eventuell nicht ausreichenden
Bruchfestigkeit, die sich durch die Sprödigkeit von Silizium ergibt. Gerade bei Dauerbelastungen z. B. an einem Einspritzventil (Motorschwingungen) besteht die Gefahr, daß die Siliziumplättchen brechen. Die Montage der Siliziumplättchen an metallischen Bauteilen, wie beispielsweise an Einspritzventilen, ist aufwendig, da besondere spannungsfreie Klemmlösungen gefunden werden müssen und die Abdichtung am Ventil problematisch ist. Ein Anschweißen der Lochscheiben aus Silizium am Einspritzventil ist z. B. nicht möglich. Außerdem besteht der Nachteil einer Kantenabnutzung an den Öffnungen der Siliziumscheiben beim oftmaligen Durchströmen mit einem Fluid.
Des weiteren ist bereits aus der DE-PS 483 615 eine Düse für Einspritzbrennkraf maschinen bekannt, die ebenfalls aus zwei Düsenplättchen gebildet ist, wobei die Düsenplättchen zueinander versetzt angeordnete Ein- und Auslaßöffnungen aufweisen, um ein Zerreißen des durchfließenden Brennstoffs zu begünstigen. Mit dieser Düse ist jedoch in keiner Weise eine Formung des abgespritzten Brennstoffs entsprechend einer gewünschten Geometrie möglich. Die beiden metallenen Düsenplättchen sind mittels konventioneller Technik (Prägen, Pressen, Walzen, Schneiden, Bohren, Fräsen, Schleifen usw. ) hergestellt bzw. bearbeitet.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Lochscheibe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß eine gleichmäßige Feinstzerstäubung eines Fluids ohne Zusatzenergie, also nur über den verfügbaren Mediumdruck, erreicht wird, wobei eine besonders hohe Zerstäubungsgüte und eine an die jeweiligen Erfordernisse angepaßte Strahlformung erzielt wird. Als Konsequenz können bei Verwendung einer solchen Lochscheibe an einem Einspritzventil einer Brennkraftmaschine unter anderem die Abgasemission der Brennkraftmaschine reduziert und ebenso eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs erzielt werden.
Mittels galvanischer Metallabscheidung lassen sich in vorteilhafter Weise Lochscheiben in reproduzierbarer Weise äußerst präzise und kostengünstig in sehr großen Stückzahlen gleichzeitig herstellen. Außerdem erlaubt diese Herstellungsweise eine extrem große Gestaltungsfreiheit, da die Konturen der Öffnungen in der Lochscheibe frei wählbar sind. Das metallische Abscheiden hat besonders im Vergleich zur Herstellung von Siliziumscheiben den Vorteil einer sehr großen Materialvielfalt. Die verschiedensten Metalle mit ihren unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften und Härten können bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Lochscheibe zum Einsatz kommen. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Lochscheibe möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, die erfindungsgemäßen
Lochscheiben in der Form von S-Typ-Scheiben auszubilden, um exotische, bizarre Strahlformen erzeugen zu können. Diese Lochscheiben ermöglichen für Ein-, Zwei- und Mehrstrahlsprays Strahlquerschnitte in unzähligen Varianten, wie z. B. Rechtecke, Dreiecke, Kreuze, Ellipsen. Solche ungewöhnlichen Strahlformen erlauben eine genaue optimale Anpassung an vorgegebene Geometrien, z. B. an verschiedene Saugrohrquerschnitte von Brennkraftmaschinen. Daraus ergeben sich die Vorteile einer formangepaßten Ausnutzung des verfügbaren Querschnitts zur homogen verteilten, abgasmindernden Gemischeinbringung und einer Vermeidung von abgasschädlichen Wandfilmanlagerungen an der Saugrohrwandung.
Besonders vorteilhaft ist es, die als StrömungsVerbindungen von Ein- und Auslaßöffnungen ausgebildeten Kanäle mit Kanalfortsätzen (cavities) vorzusehen, in denen durch das vorbeiströmende Fluid Strömungswirbel angetrieben werden. Die Wechselwirkung zwischen dem Wirbel und der antreibenden Strömung führt zu zeitlichen Instabilitäten im
Wechselwirkungsgebiet. Die Strömung wird zwangsläufig zu Schwingungen angeregt, wodurch zum einen eigenwillige Strahlbilder erzeugbar sind und zum anderen aber auch die resultierende Turbulenz zu einer Reduzierung der mittleren Tropfchendurchmesser im Spray führt.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch den Einsatz einer Stolperfalle in der Lochscheibe. Im Nachlauf einer solchen Stolperfalle entsteht eine Wirbelschleppe mit starken Querimpulsen. Die Turbulenz in der Wirbelschleppe trägt dazu bei, daß ein homogenes Spray mit sehr feinen Tröpfchen abgespritzt wird. Die Folge der vorteilhaften Reduzierung des mittleren Tröpfchendurchmessers im Spray ist eine homogene Sprayverteilung. Ursache ist die wegen des homogenen Sprays resultierende geringere Tröpfchenverteilungsdichte. Daraus resultiert eine herabgesetzte Wahrscheinlichkeit von Tropfchenkoagulationen.
Mit der Multilayergalvanik sind in besonders vorteilhafter Weise kostengünstig und mit extrem großer Präzision Hinterschneidungen erzielbar.
Weitere Vorteile sind bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele erwähnt.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein teilweise dargestelltes Einspritzventil mit einer erfindungsgemäßen Lochscheibe, Figur 2 eine Lσchscheibe in einer Unteransicht, Figur 3 eine Lochscheibe im Schnitt entlang der Linie III-III in Figur 2, Figur 4 einen Durchströmungsbereich einer dreischichtigen Lochscheibe, Figur 5 einen Durchströmungsbereich einer dreischichtigen Lochscheibe mit einem ersten Kanalfortsatz, Figur 6 einen
Durchströmungsbereich einer dreischichtigen Lochscheibe mit einem zweiten Kanalfortsatz, Figur 7 einen
Durchströmungsbereich einer fünfschichtigen Lochscheibe mit Kanalfortsätzen, Figur 8 einen Durchströmungsbereich einer vierschichtigen Lochscheibe mit Kanalfortsätzen, Figur 9 eine schematische Draufsicht auf eine Lochscheibe mit seitlichen Kanalfortsätzen, Figur 10 einen Durchströmungsbereich einer Lochscheibe mit Stolperfalle, Figur 11 eine Lochscheibe in einer Unteransicht, Figur 12 eine Lochscheibe im Schnitt entlang der Linie XII-XII in Figur 11, Figur 13 eine Lochscheibe in einer Unteransicht, Figur 14 eine weitere Lochscheibe in einer Draufsicht mit nichteckigen Öffnungen, Figur 15 eine Lochscheibe im Schnitt entlang der Linie XV-XV in Figur 14 mit schematischen Werkzeugen (in umgekehrter Strömungsrichtung) , Figuren 16 bis 20 Verfahrensschritte zur Herstellung einer Lochscheibe mittels Multilayergalvanik, Figur 21 eine Lochscheibe nach dem lateralen Überwachsen, Figur 22 eine Schnittdarstellung einer Lochscheibe mit unterschiedlichen Durchmessern der einzelnen Schichten, Figur 23 eine Draufsicht auf den zentralen Bereich der im Schnitt in der Figur 22 dargestellten Lochscheibe, Figur 24 eine weitere Lochscheibe in einer Draufsicht, Figuren 25 bis 27 drei zentrale Bereiche von Lochscheiben mit jeweils einer rechteckförmigen Einlaßöffnung, Figur 28 eine Lochscheibe in einer Draufsicht mit asymmetrischer Aufteilung der Öffnungsbereiche, Figuren 29 und 30 zwei zentrale Bereiche von Lochscheiben mit asymmetrischer Aufteilung der Öffnungsbereiche, Figur 31 einen zentralen Bereich einer Lochscheibe mit durchweg kreisförmigen Öffnungen, Figur 32 einen zentralen Bereich einer Lochscheibe mit sechzehn sichelförmigen Einlaßöffnungen und Figur 33 einen zentralen Bereich einer Lochscheibe mit einer annähernd halbkreisförmigen Einlaßöffnung und sichelförmigen Auslaßöffnungen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Figur 1 ist als ein Ausführungsbeispiel ein Ventil in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritz- anlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen teilweise dargestellt, das mit einer erfindungsgemäßen Lochscheibe ausrüstbar ist. Das
Einspritzventil hat einen rohrförmigen Ventilsitzträger 1, in dem konzentrisch zu einer Ventillängsachse 2 eine Längsöffnung 3 ausgebildet ist. In der Längsöffnung 3 ist eine z. B. rohrförmige Ventilnadel 5 angeordnet, die an ihrem εtromabwärtigen Ende 6 mit einem z. B. kugelförmigen Ventilschließkörper 7, an dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 8 vorgesehen sind, verbunden ist. Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 5 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder bzw. Schließen des Einspritzventils dient ein angedeuteter elektromagnetischer Kreis mit einer Magnetspule 10, einem Anker 11 und einem Kern 12. Der Anker 11 ist mit dem dem Ventilschließkörper 7 abgewandten Ende der Ventilnadel 5 durch z. B. eine Schweißnaht mittels eines Lasers verbunden und auf den Kern 12 ausgerichtet.
Zur Führung des Ventilschließkörpers 7 während der Axialbewegung dient eine Führungsöffnung 15 eines Ventilsitzkörpers 16. In das stromabwärts liegende, dem Kern 12 abgewandte Ende des Ventilsitzträgers 1 ist in der konzentrisch zur Ventillängsachse 2 verlaufenden Längsöffnung 3 der Zylinderförmige Ventilsitzkörper 16 durch Schweißen dicht montiert. An seiner dem Ventilschließkörper 7 abgewandten, unteren Stirnseite 17 ist der
Ventilsitzkörper 16 mit einer z.B. topfförmig ausgebildeten Stützscheibe 21 konzentrisch und fest verbunden, die also unmittelbar an dem Ventilsitzkörper 16 anliegt. Die Stützscheibe 21 weist dabei eine ähnliche Form auf wie bereits bekannte topfför ige Spritzlochscheiben, wobei ein mittlerer Bereich der Stützscheibe 21 mit einer gestuften Durchgangsöffnung 22 versehen ist, um in ihr eine erfindungsgemäße Lochscheibe 23 aufzunehmen.
Die Verbindung von Ventilsitzkörper 16 und Stützscheibe 21 erfolgt beispielsweise durch eine umlaufende und dichte, mittels eines Lasers ausgebildete erste Schweißnaht 25. Durch diese Art der Montage ist die Gefahr einer unerwünschten Verformung der Stützscheibe 21 in ihrem mittleren Bereich mit der Durchgangsöffnung 22 und der darin eingebauten Lochscheibe 23 vermieden. Die Stützscheibe 21 ist des weiteren mit der Wandung der Längsöffnung 3 im — o —
Ventilsitzträger 1 beispielsweise* durch eine umlaufende und dichte zweite Schweißnaht 30 verbunden.
Die Einschubtiefe des aus Ventilsitzkörper 16 und topfförmiger Stützscheibe 21 bestehenden Ventilsitzteils in die Längsöffnung 3 bestimmt die Größe des Hubs der Ventilnadel 5, da die eine Endstellung der Ventilnadel 5 bei nicht erregter Magnetspule 10 durch die Anlage des Ventilschließkörpers 7 an einer Ventilsitzfläche 29 des Ventilsitzkörpers 16 festgelegt ist. Die andere Endstellung der Ventilnadel 5 wird bei erregter Magnetspule 10 beispielsweise durch die Anlage des Ankers 11 an dem Kern 12 festgelegt. Der Weg zwischen diesen beiden Endstellungen der Ventilnadel 5 stellt somit den Hub dar.
Der kugelförmige Ventilschließkörper 7 wirkt mit der sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitzfläche 29 des Ventilsitzkörpers 16 zusammen, die in axialer Richtung zwischen der FührungsÖffnung 15 und der unteren Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 ausgebildet ist.
Die in der Durchgangsöffnung 22 der Stützscheibe 21 angeordnete und durch die Stützscheibe 21 unmittelbar an der Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 festgehaltene Lochscheibe 23 ist in der Figur 1 nur vereinfacht und beispielhaft dargestellt und wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Das Einsetzen der Lochscheibe 23 in eine Stützscheibe 21 und eine Klemmung 31 als Befestigung ist eine mögliche Variante des Anbringens der Lochscheibe 23 stromabwärts der Ventilsitzfläche 29. Eine solche Einspannung als indirekte Befestigung der Lochscheibe 23 am Ventilsitzkörper 16 hat den Vorteil, daß temperaturbedingte Verformungen vermieden werden, die eventuell bei Verfahren wie Schweißen oder Löten auftreten könnten. Die Stützscheibe 21 stellt jedoch keineswegs eine ausschließliche Bedingung zur Befestigung der Lochscheibe 23 dar. Da die Befestigungsmöglichkeiten nicht erfindungswesentlich sind, soll hier nur der Verweis auf übliche bekannte Fügeverfahren, wie Schweißen, Löten oder Kleben, erfolgen.
Die Figur 2 zeigt die Lochscheibe 23 in einer Unteransicht. Die Lochscheibe 23 ist als ebene, flache, kreisförmige und mehrschichtige Scheibe ausgeführt, weshalb sie z. B. auch als Multilayer-Spritzlochscheibe bezeichnet werden kann. In der Stützscheibe 21 liegt die Lochscheibe 23 beispielsweise zentriert vor. Deutlich wird diese Mehrschichtigkeit der
Lochscheibe 23 in der Figur 3, die eine Ansicht entsprechend einem Schnitt entlang der Linie III-III in Figur 2 darstellt. In Kurzform seien hier einige wesentliche, unter anderem auch die Herstellungstechnologie betreffende Merkmale genannt.
Die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Lochscheibe 23 wird in drei metallischen Schichten durch galvanische Abscheidung aufgebaut. Aufgrund der tiefenlithographischen, galvanotechnischen Herstellung gibt es die besonderen Merkmale in der Konturgebung:
- Schichten/Funktionsebenen mit konstanter, über die Scheibenfläche nicht zu variierender Dicke,
- durch die tiefenlithographische Strukturierung weitgehend senkrechte Einschnitte in den Schichten, welche die jeweils durchströmten Hohlräume bilden,
- gewünschte Hinterschneidungen und Überdeckungen der Einschnitte durch mehrschichtigen Aufbau einzeln strukturierter Metallschichten, - Einschnitte mit beliebigen, achsenparallele Wandungen aufweisenden Querschnittsformen, wie z. B. Rechteck, Vieleck, abgerundetes Rechteck, abgerundetes Vieleck, Ellipse, Kreis usw. Die einzelnen Schichten werden nacheinander galvanisch abgeschieden, so daß sich die Folgeschicht aufgrund galvanischer Haftung fest mit der darunterliegenden Schicht verbinde . Bei dem ersten Ausführungsbeispiel bilden also drei kreisförmige Schichten z.B. mit gleichem Außendurchmesser die Lochscheibe 23. Eine obere Schicht 35 weist beispielsweise vier rechteckförmige, jeweils in gleichem Abstand zur Ventillängsachse 2 bzw. zur Mittelachse der Lochscheibe 23 ausgebildete und untereinander um 90° versetzte Einlaßöffnungen 36 auf. Die Einlaßöffnungen 36 sind verglichen mit dem Durchmesser der Lochscheibe 23 sehr nahe der Ventillängsachse 2 angeordnet. Mit einem wesentlich größeren Abstand zur Ventillängsachse 2 und damit einem radialen Versatz zu den Einlaßöffnungen 36 sind in einer unteren Schicht 37 ebenfalls vier rechteckförmige Auslaßöffnungen 38 vorgesehen. Die Auslaßöffnungen 38 weisen beispielsweise eine geringfügig kleinere Öffnungsweite als die Einlaßöffnungen 36 auf. Zwei senkrecht zueinander verlaufende, sich an der Ventillängsachse 2 schneidende Achsen 39 der Lochscheibe 23 teilen die Einlaßöffnungen 36 sowie die Auslaßöffnungen 38 jeweils mittig auf, so daß beide Achsen 39 Symmetrieachsen der symmetrisch aufgebauten Lochscheibe 23 darstellen. Entlang der Achsen 39 erstrecken sich ebenfalls in einer mittleren, zwischen der oberen und unteren Schicht 35 und 37 liegenden Schicht 40 radiale Kanäle 42, die eine direkte Verbindung von Einlaßöffnungen 36 und Auslaßöffnungen 38 bilden. Die leicht trapezförmigen Kanäle 42 besitzen z. B. eine solche Größe, daß sie in der Projektion die Einlaßöffnungen 36 und die Auslaßöffnungen 38 gerade überdecken. Alle vier Kanäle 42 liegen bei diesem Ausführungsbeispiel separat voneinander vor. In den Figuren 2 und 3 sind durch Strichlinien weitere mögliche Varianten angedeutet, bei denen die Kanäle 42 verschiedene, deutlich größere radiale Abmessungen besitzen, so daß dann die Kanäle 42 über die Auslaßöffnungen 38 der unteren Schicht 37 radial nach außen deutlich herauslaufen (siehe Figuren 5 und 6) .
Bei einem Durchmesser von 4 bis 5 mm besitzt die Lochscheibe 23 z. B. eine Dicke von 0,5 mm, wobei die obere und die untere Schicht 35 und 37 beispielsweise jeweils 0,1 mm und die mittlere Schicht 40 0,3 mm stark sind. Diese Größenangaben zu den Abmessungen der Lochscheibe 23 sowie alle weiteren in der Beschreibung angegebenen Maße dienen nur dem besseren Verständnis und schränken die Erfindung in keiner Weise ein. Auch die relativen Abmaße der einzelnen Strukturen der Lochscheibe 23 in sämtlichen Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich.
Aufgrund des bereits angesprochenen radialen Versatzes der Auslaßöffnungen 38 gegenüber den Einlaßöffnungen 36 ergibt sich ein S-förmiger Strömungsverlauf des Mediums, beispielsweise des Brennstoffs. Anhand der Figur 4, die nochmals einen Durchströmungsbereich der Lochscheibe 23 im axialen Schnitt mit der Einlaßöffnung 36, dem Kanal 42 und der Auslaßöffnung 38 hervorhebt, sollen die prinzipiellen Strömungsverhältnisse erläutert werden. Die den Strömungsverlauf kennzeichnenden Pfeile zeigen deutlich die S-Form, weshalb auch bei diesen speziellen Lochscheiben 23 von S-Typ-Scheiben die Rede ist. Die Lochscheibe 23 wird also von der Einlaßöffnung 36 bis zu der jeweils zugeordneten Auslaßöffnung 38 durchströmt. Von der Einlaßöffnung 36 ausgehend wird die Strömung pro Einlaßöffnung 36 durch den jeweiligen horizontal verlaufenden Kanal 42 radial nach außen geführt. Am
Kanalende befindet sich dann bei dem Beispiel nach Figur 4 die Auslaßöffnung 38.
Die Ausbildung der erfindungsgemäßen Lochscheiben 23 in der Form von S-Typ-Scheiben ist keineswegs Bedingung für die Anwendung der galvanischen Metallabscheidung; sie stellen nur bevorzugte Ausführungsvarianten dar, mit denen sehr gute Zerstäubungsergebnisse erzielt werden können. Mit der galvanischen Metallabscheidung sind ebenso Lochscheiben 23 herstellbar, bei denen die Einlaßöffnungen 36 und die Auslaßöffnungen 38 keinen oder nur einen sehr geringen Versatz zueinander aufweisen. Durch den radial verlaufenden Kanal 42 erhält das Medium eine Radialgeschwindigkeitskomponente. Die Strömung verliert im kurzen axialen Auslaßdurchtritt ihre Radialgeschwindigkeitskomponente nicht völlig. Vielmehr tritt sie mit einseitiger Ablösung an der der Einlaßöffnung 36 zugewandten Wandung der Auslaßöffnung 38 unter einem Winkel zur Ventillängsachse bzw. Mittelachse 2 aus der Lochscheibe 23 aus. Die Kombination mehrerer, z. B. asymmetrisch zueinander ausrichtbarer Einzelstrahlen, die sich durch eine entsprechende Anordnung und Ausrichtung mehrerer Einheiten aus Ein-, Auslaßöffnungen 36 und 38 und Kanälen 42 erzielen lassen, ermöglicht völlig neue, individuelle, komplexe Gesamtstrahlformen mit unterschiedlichen Mengenverteilungen.
Durch den sogenannten S-Schlag innerhalb der Lochscheibe 23 mit mehreren starken Strömungsumlenkungen wird der Strömung eine starke, zerstäubungsfördernde Turbulenz aufgeprägt. Der Geschwindigkeitsgradient quer zur Strömung ist dadurch besonders stark ausgeprägt. Er ist ein Ausdruck für die Änderung der Geschwindigkeit quer zur Strömung, wobei die Geschwindigkeit in der Mitte der Strömung deutlich größer ist als in der Nähe der Wandungen. Die aus den Geschwindigkeitsunterschieden resultierenden erhöhten
Scherspannungen im Fluid begünstigen den Zerfall in feine Tröpfchen nahe der Auslaßöffnungen 38. Da die Strömung im Auslaß einseitig abgelöst ist, erfährt sie wegen fehlender Konturführung keine Strömungsberuhigung. Eine besonders hohe Geschwindigkeit weist das Fluid an der abgelösten Seite auf, während die Geschwindigkeit des Fluids zur Seite der Auslaßöffnung 38 mit anliegender Strömung abfällt. Die zerstäubungsfördernden Turbulenzen und Scherspannungen werden somit im Austritt nicht vernichtet.
In den Figuren 5 und 6 sind Ausführungsbeispiele von Lochscheiben 23 dargestellt, bei denen die Kanäle 42 in der mittleren Schicht 40 nicht nur von den Einlaßöffnungen 36 bis hin zu den Auslaßöffnungen 38 verlaufen, sondern über die Auslaßöffnungen 38 hinaus in Richtung der äußeren Begrenzung der Lochscheiben 23. Diese Verlängerungen der Kanäle 42 werden nachfolgend als Kanalfortsätze 43
(cavities) bezeichnet. Zum Prinzip der Strömungsführung und zur Auswirkung auf die Strahlformgebung und Zerstäubung gelten prinzipiell die bereits gemachten Aussagen. Die in die Auslaßöffnung 38 strömende Flüssigkeit streicht weitgehend an dem Kanalfortsatz 43 (cavity) vorbei und treibt in dem Kanalfortsatz 43 einen Strömungswirbel an. Die Wechselwirkung zwischen dem Wirbel und der antreibenden Strömung führt zu zeitlichen Instabilitäten im Wechselwirkungsgebiet. Periodisch verändert der Wirbel seine Größe und drängt beim Anwachsen die vorbeistreichende
Strömung ab (entsprechend umgekehrt beim Kleinerwerden des Wirbels) . Die austretende Strömung wird somit periodisch in der Richtungsgebung abgelenkt und damit zu Schwingungen angeregt. Frequenz und Amplitude der Oszillationen in der Austrittsströmung hängen dabei von der Gestaltung des
Kanalfortsatzes 43 ab, und zwar von der radialen Tiefe c und der Höhe h, die sich durch die Dicke der mittleren Schicht 40 ergibt. In dem in der Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel gilt z. B. c = h, während bei dem Beispiel in Figur 6 für die Größe des Kanalfortsatzes 43 c = 2 x h gilt. Die Geometrie des in der Figur 6 gezeigten Kanalfortsatzes 43 führt dazu, daß ein Doppelwirbel entsteht, wobei sich beide Wirbel durch Impulsaustausch antreiben und eine gegensinnige Wirbelrichtung aufweisen.
Durch die Oszillationen in den einzelnen Austrittsstrahlen ergeben sich sowohl in den Einzelεtrahlen als auch im Gesamtspray Schwingungsmuster. Durch diese Schwingungsmuster sind die unterschiedlichsten bizarren Strahlquerschnitte erreichbar (z. B. Rechteck, Dreieck, Kreuz, Kreis). Ohne solche Strahlschwingungen wären diese Querschnittsformen nicht erzielbar; sonst besteht die Tendenz zu kreisförmigen Querschnitten der Einzelstrahlen. Die beliebigen Muster bzw. Querschnitte der Einzelstrahlen bzw. des Gesamtsprays als Summe aller Einzelstrahlen, die sich durch Impulsaustausch in ständiger Wechselwirkung miteinander befinden, sind also besonders dann erreichbar, wenn die Oszillationen im Fluid hochfrequent sind. Zudem wird durch die Richtungsänderungen das Spray gleichmäßiger über den Strahlquerschnitt verteilt. Dadurch wird das Spray homogener und durchmischt sich so besser mit der Saugrohrluftströmung zur Bildung eines abgasreduzierenden Gemisches.
Die durch die Turbulenz vorhandenen Querimpulse quer zur Strömung führen unter anderem dazu, daß die Tröpfchenverteilungsdichte im abgespritzten Spray eine große Gleichmäßigkeit aufweist. Daraus resultiert eine herabgesetzte Wahrscheinlichkeit von Tropfchenkoagulationen, also von Vereinigungen kleiner Tröpfchen zu größeren Tropfen. Die Folge der vorteilhaften Reduzierung des mittleren Tröpfchendurchmessers im Spray ist eine relativ homogene Sprayverteilung. Durch den S-Schlag wird in dem Fluid eine feinskalige (hochfrequente) Turbulenz erzeugt, welche den Strahl unmittelbar nach Austritt aus der Lochscheibe 23 in entsprechend feine Tröpfchen zerfallen läßt. Je größer die sich aus der Turbulenz ergebenden ScherSpannungen sind, desto größer ist auch die Streuung der Strömungsvektoren. Die Scherspannungen sorgen dafür, daß ein "chaotischer Zustand" in allen Ebenen des Fluids herrscht, so daß eine gewünschte Spreizung der Strahlen bzw. des Sprays auftritt, die zu den bereits angesprochenen unterschiedlichen Querschnitten bzw. Mustern führen kann.
In den Figuren 7, 8 und 9 sind einige leicht abgewandelte Ausführungsbeispiele dargestellt, die sich vor allen Dingen von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dadurch unterscheiden, daß sie mehr als drei Schichten aufweisen und Kanalfortsätze 43' nicht nur in radialer Richtung als Verlängerung des Kanals 42 besitzen. In der Figur 7 ist eine fünfschichtige Lochscheibe 23 gezeigt, in der neben den bekannten drei Schichten 35, 37 und 40 noch zwei weitere mittlere Schichten 40' ausgebildet sind. Diese zwei zusätzlichen Schichten 40' liegen jeweils zwischen der mittleren Schicht 40 und der oberen bzw. unteren Schicht 35 bzw. 37. Um ein Durchströmen des Fluids durch die Lochscheibe 23 von der Einlaßöffnung 36 bis zur Auslaßöffnung 38 zu gewährleisten, besitzen die beiden Schichten 40' auch entsprechende Öffnungsbereiche 45, die die Verbindung zum in der Schicht 40 vorgesehenen Kanal 42 herstellen. Neben diesen Öffnungsbereichen 45 ist in den Schichten 40' noch jeweils wenigstens ein Kanalfortsatz 43' eingebracht, der z. B. die axiale Höhe der Schicht 40' hat. In radialer Richtung gesehen liegen die Kanalfortsätze 43 ' beispielsweise zwischen der Einlaßöffnung 36 und der
Auslaßöffnung 38. Die Strömung des Fluids treibt nun wieder Strömungswirbel in den Kanalfortsätzen 43' an. Zusätzlich zu den axial versetzt zum Kanal 42 liegenden Kanalfortsätzen 43 ' können auch radial an den Kanal 42 anschließende Kanalfortsätze 43 vorgesehen sein.
Die Figur 8 zeigt eine Variante einer Lochscheibe 23 mit vier Schichten, also nur mit einer zusätzlichen mittleren Schicht 40'. Je nach Anordnung der Schicht 40' oberhalb oder unterhalb der Schicht 40 muß die Schicht 40' wiederum einen Öffnungsbereich 45 aufweisen, hier in der Figur 8 einen unmittelbar an der Auslaßöffnung 38 eingebrachten Öffnungsbereich 45. In der Schicht 40' befinden sich zusätzlich Kanalfortsätze 43 ' , die axial zum Kanal 42 versetzte Kammern darstellen, in denen Strömungswirbel entstehen. Die z. B. drei Kanalfortsätze 43' in der Schicht 40' können im gleichen Abstand zueinander oder auch willkürlich aufgeteilt sein. Eine schematische Draufsicht auf einen Teil einer Lochscheibe 23 zeigt die Figur 9. Dabei wird deutlich, daß die Kanalfortsätze 43' nicht nur in axialer Richtung der Lochscheibe 23, also in die Tiefe, eingebracht sein können, sondern durchaus über die Breite des Kanals 42 hinausragend ausgebildet sein können. Somit sind Kanalfortsätze 43, 43' in allen drei Richtungen, also in Länge, Breite und Tiefe, am Kanal 42 ausformbar.
Alle vorangegangenen Beispiele können mit dem Merkmal einer Grenzschichtstolperfalle, wie sie die Figur 10 zeigt, ausgestattet werden. Die Lochscheibe 23 ist in diesem konkreten Fall vierschichtig ausgebildet. Zwischen den beiden oberen und unteren Schichten 35 und 37 befinden sich nun z. B. zwei mittlere Schichten 40 und 40'. Die zusätzliche mittlere Schicht 40', die unmittelbar auf der unteren Schicht 37 folgt, ist derart ausgebildet, daß sich quer zur Strömungsrichtung im Bereich des Kanals 42 eine z. B. quaderförmige, scharfkantige Erhebung, nämlich eine Stolperfalle 50 erstreckt. Denkbar ist natürlich auch die
Anordnung einer Stolperfalle 50 in der mittleren Schicht 40, so daß dann die Stolperfalle 50 von oben in den Kanal 42 hineinragen würde. Von der Geometrie her sollte die Stolperfalle 50 mit radialem Versatz zur Einlaßöffnung 36 ausgeformt sein. Der Kanal 42 erstreckt sich zwischen den
Schichten 35 und 37 sowohl in der Schicht 40 als auch in der Schicht 40' .
Die Hauptströmung des Fluids streicht über die Grenzschichtstolperfalle 50. An einer hinteren, stromabwärtigen Stolperkante 51 löst sich die Strömung von der Stolperfalle 50 ab und erfährt wegen der plötzlichen Querschnittserweiterung stromab der Stolperfalle 50 einen Druckanstieg (Umwandlung von kinetischer Energie in Druckenergie - Diffusorwirkung) . Dieser Druckanstieg führt zu intensiven Grenzschichtverwirbelungen im Nachlauf der Stolperfalle 50.
Es entsteht im Nachlauf der Stolperfalle 50 eine stets größerwerdende Wirbelschleppe mit starken Querimpulsen, welche bis zur Auslaßöffnung 38 reicht. Die Wirbelschleppe zieht sich durch die Hauptströmung als .Turbulenzstrang* durch. Die Turbulenz in der Wirbelschleppe kann sehr feinskalig (hochfrequent) sein und eine große Amplitude aufweisen. Die Frequenz- und Amplitudenabstimmung erfolgt über die Höhe der Stolperfalle 50 und die Geschwindigkeit der vorbeistreichenden Hauptströmung, d. h. über die Kanalquerschnittsfläche oberhalb der Stolperfalle 50.
Die Wirbelschleppe kann Durchströmverluste reduzieren, da in ihr ein hoher turbulenter Impulsaustausch quer zur Hauptströmung in Richtung der Wandungen stattfindet. Daraus ergibt sich, daß die Hauptströmung im Nachlauf der Stolperfalle 50 weniger zum Ablösen von den Wandungen des Kanals 42 neigt und dadurch die zur Verfügung stehenden Durchströmquerschnitte besser nutzt. Eine Ablösung der Strömung von der Wandung würde zu einem Druckverlust führen. Auch die Stolperfalle 50 dient dazu, ein homogenes Spray abzuspritzen, das in sehr feine Tröpfchen zerfällt, wobei wiederum die unterschiedlichsten Abspritzmuster erzielbar sind.
In den vorangegangenen Beispielen besaß ein jedes Einlaß-/ Auslaßöffnungspaar 36, 38 einen separaten Kanal 42 als Verbindung dieser Öffnungen 36, 38. Im Gegensatz dazu ist in den Figuren 11 und 12 ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das nur einen einzigen zusammenhängenden Kanal 42 ' in der
Lochscheibe 23 aufweist. Alle vier Einlaßöffnungen 36 münden in diesen z. B. quadratförmigen Kanal 42', und alle vier Auslaßöffnungen 38 führen auch wieder aus dem Kanal 42' heraus. Bei Verwendung rechteckiger oder quadratischer Auslaßöffnungen 38 bietet es sich an, die Außenkontur des Kanals 42' in der mittleren Schicht achteckig, durch die Nähe jeweils zweier Ecken jedoch fast quadratisch auszubilden, so wie es die Figur 11 zeigt. Nach innen ist der Kanal 42' durch eine z. B. quadratische Materialinsel 53 der mittleren Schicht 40 begrenzt. Diese innere
Materialinsel 53 hat ungefähr eine solche Größe im Querschnitt, wie der sich zwischen den Einlaßöffnungen 36 ergebende Bereich in der oberen Schicht 35. Die Schicht 40 besteht also aus zwei Abschnitten, nämlich aus der von dem Kanal 42' vollständig umgebenen Materialinsel 53 und einem wiederum den Kanal 42 ' vollständig umgebenden Außenbereich 54. Die Figur 12 ist eine Ansicht der Lochscheibe 23 entsprechend einem Schnitt entlang der Linie XII-XII in Figur 11.
Durch das zusätzlich entstandene Verbindungsvolumen gibt es zunehmend sogenannte Totwassergebiete, an denen die
Hauptströmung vorbeistreicht. In den Totwassergebieten entsteht die Schwingungsanregung der Hauptströmung nach dem Cavityprinzip mit den Kanalfortsätzen 43, 43'. Entsprechend ist die Auswirkung auf die Strahlformgebung und die Zerstäubung identisch wie bei den vorangegangenen Beispielen mit den Kanalfortsätzen 43, 43' (Cavities) .
Der Versatz der Auslaßöffnungen 38 zu den Einlaßöffnungen 36 muß keineswegs radial verlaufen, wie es in den vorhergehenden Beispielen der Fall war, sondern kann in beliebige gewünschte Richtungen vorgesehen sein. Zwei Ausführungsbeispiele für einen solchen anderen Versatz zeigen die Figuren 13 und 14 als Unteransicht bzw. Draufsicht auf jeweils eine Lochscheibe 23. Hierbei wird deutlich, daß die Auslaßöffnungen 38 eher in Umfangsrichtung zu den Einlaßöffnungen 36 versetzt sind, also z. B. um 90° gedreht gegenüber den Beispielen mit radialem Versatz. Der Kanal 42' in der mittleren Schicht 40 der Lochscheibe 23 in Figur 13 besitzt z. B. eine achteckige, jedoch weitgehend quadratische Außenkontur, wobei die Ecken der Wandung des
Kanals 42' immer nahe der Einlaß- und Auslaßöffnungen 36 und 38 liegen. Die Materialinsel 53 der mittleren Schicht 40 begrenzt den Kanal 42 ' nach innen mit einer ebenfalls fast quadratischen, allerdings acht Ecken aufweisenden Kontur. Die äußere und die innere Begrenzungswand des Kanals 42' sind beispielsweise um 45° zueinander verdreht ausgebildet. Damit weisen der Außenbereich 54 und die Materialinsel 53 keine parallel verlaufenden Wandungen auf.
Die in den Figuren 14 und 15 (Schnitt entlang der Linie XV- XV in Figur 14) gezeigte Lochscheibe 23 zeichnet sich besonders durch ihre nichteckigen Einlaß- und Auslaßöffnungen 36 und 38 aus. Die Einlaßöffnungen 36 in der oberen Schicht 35 besitzen z.B. einen elliptischen Querschnitt, während die Auslaßöffnungen 38 in der unteren Scheibe 37 kreisförmig ausgebildet sind. Die innere
Materialinsel 53 weist beispielsweise einen quadratischen Querschnitt auf, während der Kanal 42' in der mittleren Schicht 40 nach außen hin vom Außenbereich 54 kreisförmig begrenzt wird. Zum besseren Handling der Lochscheiben 23 bei der Herstellung sind z.B. zwei Positionieraufnahmen 56 in Form von Durchgangslöchern nahe der äußeren Begrenzung vorgesehen.
Die Einlaßöffnungen 36 und die Auslaßöffnungen 38 können mit beliebig großem Versatz zueinander angeordnet sein. Bei den Ausführungsbeispielen in den Figuren 13 und 14 liegen beispielsweise wesentlich geringere Versätze vor als bei allen anderen zuvor gezeigten Beispielen. Über die Größe des Versatzes können die Strahlrichtung und der Turbulenzgrad abgestimmt bzw. eingestellt werden.
Die bis Figur 13 gezeigten Einlaßöffnungen 36, Auslaßöffnungen 38 sowie Kanäle 42, 42' besitzen stets quadratische bzw. rechteckförmige Querschnitte. Die galvanische Metallabscheidung (Multilayergalvanik) erlaubt es jedoch, auch völlig andere Querschnitte der durchströmten Geometrien der Lochscheibe 23 zu erzeugen (siehe Figur 14). Denkbar sind Abwandlungen zu Querschnitten bestehend aus abgerundeten Rechtecken oder Quadraten, Kreisen, Kreissegmenten, Ellipsen, Ellipsensegmenten, Vielecken, abgerundeten Vielecken usw. Die Wandungen der einzelnen Strukturen verlaufen dabei weitgehend parallel zur Ventillängsachse 2. Interessant kann auch die unterschiedliche Ausbildung von Einlaßöffnungen 36 und Auslaßöffnungen 38 sein, die über einen Kanal 42, 42' direkt miteinander verbunden sind. Geeignete Querschnittsveränderungen stellen z. B. die Übergänge von
Quadrat zu Rechteck und umgekehrt, von Rechteck zu Kreis und umgekehrt, von Ellipse zu Kreis und umgekehrt dar.
Anhand der Figuren 16 bis 21 wird die zur Herstellung der Lochscheibe 23 benutzte Herstellungstechnologie näher verdeutlicht. Dabei zeigen die Figuren nicht genau die in den Figuren 1 bis 15 dargestellten Ausführungsbeispiele von Lochscheiben 23 mit den entsprechenden gewünschten Konturen, sondern nur das Herstellungsprinzip verdeutlichende Anordnungen. Gerade die relativen Abmaße der Schichtdicken im Vergleich zu den Größen der Öffnungen bzw. Kanäle weichen besonders bei den in den Figuren 16 bis 20 gezeigten Beispielen von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ab. Die nachfolgend erläuterten Verfahrensschritte lassen jedoch eine Herstellung aller bisher und nachfolgend beschriebenen und gezeigten Ausführungsbeispiele jederzeit zu.
Aufgrund der hohen Anforderungen an die Strukturdimensionen und die Präzision von Einspritzdüsen gewinnen
Mikrostrukturierungsverfahren heute eine zunehmende Bedeutung für ihre großtechnische Herstellung. Im allgemeinen wird für den Fluß des Fluids, z. B. des Brennstoffs, innerhalb der Düse bzw. der Lochscheibe ein Verlaufsweg gefordert, der die bereits angesprochene Turbulenzbildung innerhalb der Strömung begünstigt. Zusätzlich sollen die Breiten der Auslaßöffnungen in der Größe von wenigen 10 Mikrometern liegen, um eine möglichst effektive Zerstäubung des Fluids, z. B. des Brennstoffs, zu erreichen. Die erfindungsgemäßen metallischen Lochscheiben 23 werden deshalb mit einer Herstellungstechnologie gefertigt, die auf der sukzessiven Anwendung von photolithographiεchen Schritten (UV-Tiefenlithographie) und anschließender Mikrogalvanik beruht. Charakteristisch für diese Herstellungsvariante ist, daß sie auch in großflächigem Maßstab eine hohe Präzision der Strukturen gewährleistet, so daß sie ideal für eine Massenfertigung mit sehr großen Stückzahlen einsetzbar ist. Auf einem Wafer kann eine Vielzahl von Lochscheiben 23 gleichzeitig mittels der nachfolgend näher erläuterten Verfahrensschritte gefertigt werden.
Ausgangspunkt für die Herstellung der Lochscheiben 23 mit der neuen Technologie ist eine ebene und stabile Trägerplatte 60, die z. B. aus Metall (Kupfer), Silizium, Glas oder Keramik bestehen kann. Die üblichen Dicken dieser Trägerplatte 60 liegen zwischen 500 um und 2 mm; sie haben allerdings keinen Einfluß auf die folgenden Verfahrensschritte. Nach der Reinigung der Trägerplatte 60 wird bei Verwendung eines elektrisch nicht leitenden Materials, wie Glas oder Silizium, zunächst wenigstens eine Hilfsschicht 61 auf die Trägerplatte 60 aufgalvanisiert. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine Galvanikstartschicht 61' (z.B. Cu) , die zur elektrischen Leitung für die spätere Mikrogalvanik benötigt wird. Die Galvanikstartschicht 61 ' kann auch als Opferschicht 61 dienen, um später ein einfaches Vereinzeln der
Lochscheibenstrukturen durch Ätzung zu ermöglichen. Besteht die Trägerplatte 60 bereits aus einem leitfähigen Material, wie z.B. Kupfer, so kann auf die Galvanikstartschicht 61' verzichtet werden. Falls Kupfer als Opfer-/Galvanikstart- schicht 61, 61' verwendet wird, muß eine dünne (z.B. 80 n ) Chromschicht als Haftschicht 61 ' ' zwischen der Trägerplatte 60 und der Galvanikstartschicht 61' aufgebracht werden. Das Aufbringen der Hilfsschicht 61, 61', 61' ' (typischerweise also CrCu oder CrCuCr bei Verwendung eines Polyimids als Photoresist) geschieht z.B. durch Sputtern oder durch stromlose Metallabscheidung. Nach dieser Vorbehandlung der Trägerplatte 60 wird auf die optionale Hilfsschicht 61, 61', 61 ' ' ein Photoresist (Photolack) 63 ganzflächig aufgebracht. Dafür bieten sich besonders drei verschiedene Varianten an:
1. Laminieren eines Festresists bei z. B. rund 100°C,
2. Aufschleudern eines Flüssigresists oder
3. Aufschleudern eines Polyimids in flüssigem Zustand.
Nach dem Trocknen liegt der Photoresist 63 bei allen drei
Varianten in fester Form vor. Die Dicke des Photoresists 63 sollte dabei der Dicke der Metallschicht entsprechen, die in dem später folgenden Galvanikprozeß realisiert werden soll, also der Dicke der unteren Schicht 37 der Lochscheibe 23. Typischerweise werden Schichtdicken zwischen 10 und 300 um angestrebt je nach gewünschter Dicke der Schichten der Lochscheibe 23. Die zu realisierende Metallstruktur soll mit Hilfe einer photolithographischen Maske 64 invers in dem Photoresist 63 übertragen werden. Es gibt zum einen die Möglichkeit, den Photoresist 63 direkt über die Maske 64 mittels UV-Belichtung 65 zu belichten (UV- Tiefenlithographie) . Eine andere Möglichkeit der Strukturierung des Photoresists 63 sieht vor, daß auf dem Photoresist 63 ein Oxid (z. B. Si02) oder ein Nitrid abgeschieden wird, welches photolithographisch strukturiert als Maske für einen Trockenätzprozeß des Photoresists 63 dient. Außerdem bietet sich eine Laserablation an, wobei nach dem Aufbringen einer Maske explosionsartig Material des Photoresists 63 mit Hilfe eines Lasers abgetragen wird. Diese vorgenannten Verfahrensschritte sind bildlich in der Figur 16 zusammengefaßt.
Nach der Entwicklung des UV-belichteten Photoresists 63 bzw. der Anwendung der anderen erwähnten Verfahren (Trockenätzen, Ablatieren) ergibt sich eine durch die Maske 64 vorbestimmte Struktur im Photoresist 63, wie sie die Figur 17 zeigt. Diese Struktur im Photoresist 63 stellt eine Negativstruktur 66 zur späteren Schicht 37 der Lochscheibe 23 dar. Die Figur 18 zeigt die Struktur nach der galvanischen Auffüllung der im Photoresist 63 entstandenen Resistgräben 68 mindestens bis zur Oberkante des Photoresists 63. Bei dem Verfahrensschritt des Galvanisierens wird also in den Resistgräben 68 Metall 70 auf der Trägerplatte 60 abgeschieden. Das Metall 70 legt sich durch das Galvanisieren eng an die Kontur der Negativstruktur 66 an, so daß die vorgegebenen Konturen formtreu in ihm reproduziert werden. Um mehrschichtige bzw. mehrlagige
Lochscheibenstrukturen herzustellen, sollte die Höhe der Galvanikschicht des Metalls 70 der Höhe des Photoresists 63 entsprechen. Die Wahl des abzuscheidenden Materials hängt von den jeweiligen Anforderungen an die Schicht ab, wobei besonders die Faktoren mechanische Festigkeit, chemische Beständigkeit, Schweißbarkeit und andere gewichtig sind. Üblicherweise kommen Ni, NiCo, NiFe oder Cu zum Einsatz; es sind aber auch andere Metalle und Legierungen denkbar.
Um die Struktur der Lochscheibe 23 zu realisieren, müssen die Schritte ab dem optionalen Aufbringen der Hilfsschicht 61, 61', 61'' entsprechend der Anzahl der gewünschten Schichten wiederholt werden. Mit der Figur 19 wird dies angedeutet, wobei die Schicht des Photoresists 63' z. B. zur Bildung der späteren mittleren Schicht 40 der Lochscheibe 23 dient. Die Bezugszeichen mit Strich weisen auf einen wiederholten Prozeß hin. Die einzelnen Metallschichten werden aufeinander abgeschieden und durch metallisches Haften aneinander gehalten. Für die Schichten einer Lochscheibe 23 können auch unterschiedliche Metalle 70 verwendet werden.
Abschließend erfolgt das Vereinzeln der Lochscheiben 23. Dazu wird die Opferschicht 61 weggeätzt, wodurch die Lochscheiben 23 von der Trägerplatte 60 abheben. Danach werden die Galvanikstartschichten 61' durch Ätzung entfernt und der verbliebene Photoresist 63, 63' aus den Metallstrukturen herausgelöst. Dies kann z. B. durch eine KOH-Behandlung oder durch ein Sauerstoffplasma bzw. mittels Lösungsmitteln (z. B. Aceton) bei Polyimiden ermöglicht werden. Diese Prozesse des Herauslösens des Photoresists 63, 63' sind allgemein unter dem Oberbegriff „Strippen" bekannt. Als alternative Lösung ist auch ein mechanisches Lösen von der Trägerplatte 60 bei geeigneter Wahl der
Galvanikstartschicht 61' z. B. mittels Magneten denkbar. Die Figur 20 zeigt eine dreischichtige, von der Trägerplatte 60 abgelöste Lochscheibe 23 beispielhaft, wobei die Höhe der
Einlaßöffnungen 36 und der Auslaßöffnungen 38 üblicherweise kleiner sein wird.
An dieser Stelle soll eine kurze Begriffsdefinition erfolgen, da die Begriffe „Schicht" und „Funktionsebene" für den Aufbau der Lochscheiben 23 verwendet sind. Unter einer Schicht soll die in einem Galvanikschritt aufgebaute Lage der Lochscheibe 23 verstanden werden. Eine Schicht kann jedoch mehrere Funktionsebenen aufweisen, wie anhand des „lateralen Überwachsens" in noch folgenden Abschnitten näher erläutert wird. In einem Galvanikschritt werden dann mehrere Funktionsebenen gebildet, die eine zusammenhängende Schicht darstellen. Die jeweiligen Funktionsebenen weisen dabei unterschiedliche Öffnungskonturen. (Einlaß-, Auslaßöffnungen, Kanäle) zur eweils unmittelbar folgenden Funktionsebene auf. Eine neue Funktionsebene beginnt nach dieser Definition also jeweils an der Stelle, an der sich über die axiale Erstreckung entlang der Mittelachse 2 gesehen eine Veränderung der Öffnungεkontur ergibt. Die in den Figuren 1 bis 15 dargestellten Lochscheiben 23 besitzen wirklich mindestens drei metallisch nacheinander abgeschiedene Schichten 35, 37, 40, 40', wobei jede Schicht natürlich auch einer Funktionsebene entspricht.
In der Figur 21 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lochscheibe 23 vom „S-Typ" dargestellt, die durch eine sich von der eben beschriebenen Herstellungsweise unterscheidende Technologie hergestellt ist. Diese neue Technologie kann mit dem Begriff „laterales Überwachsen" bezeichnet werden. Das Verfahren des „lateralen Überwachsens" ermöglicht, daß wenigstens zwei Funktionsebenen der Lochscheibe 23 in einem Schritt durch galvanische Abscheidung ausgebildet werden können, ohne daß bei einer drei Funktionsebenen aufweisenden Lochscheibe ein drittes Galvanisieren nötig ist. Die wenigstens zwei in einem Galvanikschritt ausgebildeten Funktionsebenen stellen nur eine Schicht im oben erklärten Sinne ohne dazwischenliegende Begrenzung dar.
Die Herstellung der unteren Schicht 37 erfolgt zunächst in bekannter Weise, wie aus den Figuren 16 bis 18 ersichtlich ist. Das galvanisch abzuscheidende Metall 70 wächst dann in der bekannten Form um die Photoresiststruktur 63 ' der zweiten Schicht bis zur Oberkante des Photoresists 63 ' (Figur 19) . Danach wächst jedoch die Galvanik über den Photoresist 63' hinaus. Das Überwachsen der Photoresiststruktur 63 ' erfolgt in horizontaler und vertikaler Richtung ungefähr in gleicher Größenordnung. Dieses Überwachsen ersetzt das Aufbringen einer weiteren Galvanikstartschicht 61 ' und die dritte Galvanikschicht an sich, da zwei Funktionsebenen 35, 40 der späteren Lochscheibe 23 in einem Galvanikschritt erzeugt werden. Die Höhe des Überwachsens wird so eingestellt, daß die gebildeten Einlaßöffnungen 36 in der oberen wachsenden Schicht 35' mit den Funktionsebenen 35, 40 den gewünschten Anforderungen entsprechen, also z.B. einen Versatz zu den Auslaßöffnungen 38 bei S-Typ-Scheiben aufweisen. Das Überwachsen wird in diesem Falle frühestens dann abgebrochen, wenn die Auslaßöffnungen 38 vollständig vom Material der überwachsenden Schicht 35' in der Projektion überdeckt sind.
Bei dieser Verfahrensweise werden also zwei Schichten des Photoresists 63, 63' umwachsen, die die Größe der Auslaßöffnungen 38 und der Kanäle 42 vorgeben. Es bietet εich auch die Möglichkeit an, die Größe der Einlaßöffnungen 36 durch Photoreεiεt 63' als weitere strukturierte Lackschicht zu definieren. Dazu liegt dann die Photoresiststruktur 63, 63' in drei Ebenen vor. Diese dritte Schicht des Photoresists 63 ' dient letztlich als „Anschlag" für das laterale Überwachsen der Schicht 35' zur definierten Ausbildung der Einlaßöffnungen 36. Das laterale Überwachsen kann auch zur Herstellung von Lochscheiben 23 angewandt werden, bei denen kein oder nur ein geringer Versatz der Ein- und Auslaßöffnungen 36 und 38 vorliegt. In idealer
Weise kann mittels lateralen Überwachsens eine Lochscheibe 23 hergestellt werden, die im oben beschriebenen Sinn nur noch eine Schicht besitzt, aber z.B. drei Funktionsebenen aufweist.
Auf diese Weise können runde, ovale oder mehreckige Einlaßöffnungen 36 erzielt werden. Mit Hilfe des „lateralen Überwachsenε" wird besonders die Zeit zur Herstellung der Lochscheibe 23 deutlich verkürzt. Außerdem ist die Rauheit der Galvanikoberfläche verringert. Mit der Zahl der aufzubringenden Schichten nimmt nämlich auch die Rauheit der Galvanikoberfläche zu. Zusätzliche Glättungsmaßnahmen, wie z. B. mittelε Elektropolieren, sind somit nicht unbedingt nötig. Ein weiterer Vorteil des lateralen Überwachsenε besteht darin, daß für die Ausformung der Einlaßöffnungen 36 keine neue Galvanikεtartεchicht 61' auf dem elektriεch nicht leitenden Photoreεiεt 63 ' aufgebracht werden muß.
In den Figuren 22 bis 33 sind weitere Ausführungεbeiεpiele von erfindungεgemäßen Lochεcheiben 23 dargeεtellt, die nur in Kurzform erläutert werden sollen, da sie alle mit der oben bereitε auεführlich beschriebenen Herstellungstechnologie aufbaubar sind und nur einige interessante Designε bzw. Gestaltungsformen aufzeigen. Vielmehr sollen diese nun folgenden Ausführungsbeispiele von Lochscheiben zeigen, daß eine riesige Gestaltungεvielfalt mit dem Herstellverfahren der galvanischen Metallabscheidung möglich ist.
Die Figuren 22 und 23 zeigen eine Lochscheibe 23, die wiederum zumindest teilweise mittels lateralen Überwachsens hergestellt ist. Dabei weist die obere Schicht 35' wenigstens zwei Funktionsebenen auf, d.h. eine Ebene, in der sich der Kanal 42' erεtreckt, und eine darüberliegende Ebene, die die Einlaßöffnung 36 auf eiεt. Die untere Schicht 37 besitzt z.B. einen wesentlich größeren Durchmesεer als die obere Schicht 35'. Während die Einlaßöffnung 36 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, sind die vier Auslaßöf nungen 38 in einer Kreisbogenform sichelförmig angeordnet. Der in der unteren Ebene der oberen Schicht 35' befindliche Kanal 42' ist ebenso wie die Einlaßöffnung 36 kreisförmig ausgeführt, und zwar mit einem Durchmesser, der etwas größer als der Außendurchmesser der sichelförmigen Auslaßöffnungen 38 ist. Der sogenannte S-Schlag des Fluids findet bei dieser Anordnung radial nach außen statt. Dadurch erhält man ein radialsymmetrisches Strahlbild mit guter Zerstäubung.
Die Figur 24 zeigt eine Lochscheibe 23 in der Draufsicht, durch die eine Flachstrahlabspritzung möglich ist. Die vier Einlaßöffnungen 36 in der oberen Schicht 35 sind rechteckförmig ausgeführt. Jeder Einlaßöffnung 36 ist genau ein Kanal 42 und eine Auεlaßöffnung 38 zugeordnet. Die Auslaßöffnungen 38 sind beiεpielsweiεe quadratisch oder rechteckig ausgebildet. Die die Ein- und Auslaßöffnungen 36 und 38 in der Projektion vollständig überdeckenden Kanäle 42 besitzen eine sechseckige Kontur, die entsprechend der Größe der Ein- und Auslaßöffnungen 36 und 38 verändert werden kann. Die Versätze der Ein- und Auslaßöffnungen 36 und 38 sind so gewählt, daß eine gute Aufbereitung mit flachen Strahlbildern in zwei Richtungen erfolgt. Ebenεo wie die Figur 24 zeigen die Figuren 25 biε 27 Lochεcheiben 23 in der Draufsicht, mit denen Flachstrahlen erzeugbar sind. Als vereinfachte Zeichnungen zeigen diese Figuren nur den zentralen mittleren Bereich der Lochscheibe 23. Der Kanal 42' iεt jeweilε εo ausgebildet, daß er die eine Einlaßöffnung 36 mit allen Auslaßöffnungen 38 verbindet. Daε Fluid εtrö t durch die zentrale rechteckförmige Einlaßöffnung 36 ein. Die Auεlaßöffnungen 38 εind beiεpielεweiεe ebenfallε mit einer rechteckigen oder quadratischen Kontur ausgebildet, wobei die
Längserεtreckungsrichtungen der rechteckigen Auslaßöffnungen 38 parallel oder senkrecht zur Längεerstreckungsrichtung der Einlaßöffnung 36 sein können. Auf jeden Fall ergibt sich aus einem solchen Versatz wiederum ein flaches Strahlbild. Durch eine Variation der Größe der Einlaßöffnung 36, der
Anordnung, der Anzahl und der Form der Auslaßöffnungen 38 kann die Strahlformgebung den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden.
Die Figur 28 zeigt eine Lochscheibe 23, die der in der Figur 24 dargestellten Lochscheibe 23 von der Geometrie und Größe der einzelnen Öffnungsbereiche stark ähnelt. Für besondere Anwendungεzwecke, wie z.B. ungewöhnliche Einbaulagen von Einspritzventilen an Brennkraftmaschinen, ist nicht nur ein aus der Lochscheibe 23 austretender Flachstrahl wünschenswert, sondern ein Absprühen unter einem bestimmten Winkel zur Ventillängsachse/Mittelachεe 2 (Figuren 1 und 3). Mit einer Lochscheibe 23 nach Figur 28 iεt dies möglich. Eine jeweilige Funktionseinheit von Einlaßöffnung 36, Kanal 42 und Auslaßöffnung 38 ermöglicht wiederum einen Sprühkegel in Richtung des S-Schlages. Vier solcher Funktionseinheiten sind bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen. Setzt man solche Sprühkegel bzw. Strahlkegel in geeigneter Weise zusammen, so kann das gesamte Strahlbild sehr g t den jeweiligen Gegebenheiten angepaßt werden. Mit der in der
Figur 28 dargestellten Lochscheibe 23 kann gezielt in zwei „fΛ ft^„Λ, ,,
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Richtungen abgespritzt werden, wobei die beiden Einzelstrahlen nicht genau entgegengesetzt gerichtet sind.
In den Figuren 29 und 30 sind zentrale Abspritzbereiche von Lochscheiben 23 dargestellt, mit denen ebenfalls außergewöhnliche Strahlbilder erzeugbar sind. Die Lochscheiben 23 besitzen jeweils drei Funktionseinheiten mit einer Einlaßöffnung 36, einem Kanal 42 und einer Auslaßöffnung 38. Je nach gewünschtem Strahlbild sind die Funktionseinheiten asymmetrisch bzw. exzentrisch um die durch den Schnittpunkt der beiden Achsen 39 verlaufende Mittelachse 2 der Lochscheibe 23 angeordnet. Mit dieεer εcheinbar ungeordneten Aufteilung sind sehr gut individuelle Strahlrichtungen erzielbar. Bei der Lochscheibe nach Figur 29 verbindet jeweils ein Kanal 42 mit kreissektorförmiger Kontur eine kreisförmige Einlaßöffnung 36 mit einer sichelförmigen Auslaßöffnung 38. Dagegen sind die Öffnungsbereiche bei der Lochscheibe 23 in Figur 30 eckig ausgeführt. Das Fluid tritt durch z.B. quadratische Einlaßöffnungen 36 ein, strömt dann durch sechseckige Kanäle 42 bis zu Auslaßöffnungen 38, die rechteckig ausgebildet sind. Zwei Einlaßöffnungen 36 zugeordnete Kanäle 42 können z.B. so verlaufen, daß sie sich im Bereich der Auslaßöffnungen 38 vereinigen, wobei das Fluid dann auch nur noch über eine V-förmige Auslaßöffnung 38 aus der Lochscheibe 23 austritt. Die Anzahl der Ein- und Auslaßöffnungen 36 und 38 muß also keineswegs übereinstimmen.
Lochscheiben 23, bei denen Ein- und Auslaßöffnungen 36 und
38 nicht in gleicher Anzahl vorgesehen sind, zeigen auch die Figuren 31 bis 33. Das Ausführungεbeiεpiel in der Figur 31 verdeutlicht eine Anordnung mit durchweg kreisförmigen Öffnungsbereichen. Das Fluid kann über eine zentrale kreisförmige Einlaßöffnung 36 der oberen Schicht 35 eintreten und verläßt die Lochscheibe 23 über vier ebenfalls kreisförmige Auslaßöffnungen 38, die in der unteren Schicht WΛ O, ,,nÄ4,
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37 symmetrisch um die Einlaßöffnung 36 ausgebildet sind. Der eine kreisförmige Kanal 42' ist εo groß gewählt, daß alle Auεlaßöffnungen 38 von ihm vollständig überdeckt werden.
In der Figur 32 ist eine Lochscheibe 23 dargestellt, die vier Funktionseinheiten mit Öffnungsbereichen aufweist. Ein Fluid tritt über vier zu jeder Funktionseinheit gehörende und damit in der Summe über sechzehn sichelförmige Einlaßöffnungen 36 in die Lochscheibe 23 ein. Jeweils vier Einlaßöffnungen 36 ist genau ein kreiεförmiger Kanal 42' zugeordnet, der beispielsweise einen solch großen Durchmeεser besitzt, daß er die sichelförmigen Einlaßöffnungen 36 vollständig überdeckt. In jeder Funktionseinheit iεt nur eine Auslaßöffnung 38 ausgeformt, die kreisförmig ausgeführt ist und in der Projektion von den sichelförmigen Einlaßöffnungen 36 umschlossen wird. Die vier Funktionseinheiten sind z.B. symmetrisch zur Mittelachse 2 auf den Achsen 39 liegend angeordnet.
In der Figur 33 ist eine Lochscheibe 23 gezeigt, die eine völlig asymmetriεche Anordnung der Öffnungsbereiche aufweiεt. Die zentral angeordnete Einlaßöffnung 36 iεt mit einer annähernd halbkreisförmigen Kontur ausgeformt, während sich die deutlich kleineren Auslaßöffnungen 38 sichelförmig auf der abgerundeten Seite der Einlaßöffnung 36 in der unteren Schicht 37 erstrecken. Die Anzahl der Auslaßöffnungen 38 kann beliebig variiert werden; im dargestellten Beispiel sind drei Auslaßöffnungen 38 vorgesehen. Der kreisförmige Kanal 42' ist wiederum so groß ausgeführt, daß alle anderen Öffnungen von ihm überdeckt werden.
Es soll noch einmal darauf hingewiesen werden, daß sich für die Anwendung der galvanischen Metallabscheidung keineswegs nur die ausführlich beschriebenen S-Typ-Scheiben mit einem Versatz von Ein- und Auslaßöffnungen und einem S-Schlag in der Strömung eignen, sondern alle Formen von Lochscheiben. Mittels Multilayergalvanik sind also auch Lochscheiben herstellbar, die fluchtende oder nur teilweise verεetzte Ein- und Auslaßöffnungen aufweisen.
Die beεchriebenen Lochεcheiben 23 εind nicht ausschließlich für den Gebrauch an Einspritzventilen vorgesehen; sie können vielmehr auch z. B. bei Lackierdüsen, bei Inhalatoren, bei Tintenstrahldruckern oder bei Gefriertrockenverfahren, zum Ab- bzw. Einspritzen von Flüsεigkeiten, wie z.B. Getränken, zum Zerstäuben von Medikamenten zum Einεatz kommen. Zur
Erzeugung feiner Sprayε, z. B. mit großen Winkeln, eignen εich die mittels Multilayergalvanik hergestellten Lochscheiben 23 ganz allgemein.

Claims

Ansprüche
1. Lochscheibe, inεbeεondere für Einspritzventile, auε wenigεtenε einem metalliεchen Material, mit einem vollständigen Durchgang für ein Fluid, mit wenigstens einer Einlaß- und wenigstens einer Auslaßöffnung, wobei jede Einlaßöffnung in einer oberen Schicht bzw. Funktionsebene der Lochscheibe und jede Auslaßöffnung in einer unteren Schicht bzw. Funktionεebene der Lochεcheibe eingebracht iεt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten bzw. Funktionεebenen (35, 35', 37, 40, 40') der Lochscheibe (23) mittels galvanischer Metallabscheidung (Multilayergalvanik) aufeinander aufgebaut sind.
2. Lochscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigεtenε drei Schichten bzw. Funktionεebenen (35, 35', 37, 40) vorgesehen εind und in wenigstens einer mittleren Schicht bzw. Funktionsebene(40) eine der Anzahl der Einlaßöffnungen (36) und der Auslaßöffnungen (38) entsprechende Zahl an Kanälen (42) vorgesehen ist, so daß genau eine Einlaßöffnung (36) über einen Kanal (42) mit einer Auslaßöffnung (38) verbunden ist.
3. Lochscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei Schichten bzw. Funktionsebenen (35, 35', 37, 40) vorgeεehen εind und in wenigstens einer mittleren Schicht bzw. Funktionsebene (40) mindestens ein Kanal (42') vorgesehen ist, mit dem wenigstens eine Einlaßöffnung (36) und wenigstens eine Auslaßöffnung (38) in Verbindung stehen.
. Lochεcheibe nach einem der Anεprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (36) und die Auslaßöffnungen (38) so angeordnet sind, daß sie sich bei einer Projektion in eine Ebene an keiner Stelle überdecken, so daß ein vollständiger Versatz vorhanden ist.
5. Lochscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (36) und die Auslaßöffnungen (38) so angeordnet sind, daß sie sich bei einer Projektion in eine Ebene zumindest teilweise überdecken.
6. Lochscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Einlaßöffnungen (36) eine andere Öffnungsweite als eine der Auslaßöffnungen (38) besitzt.
7. Lochscheibe nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (42, 42') jeweilε eine εolche Größe haben, daß εie in der Projektion die Einlaßöffnungen (36) und die Auεlaßöffnungen (38) vollεtändig überdecken.
8. Lochscheibe nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kanal (42, 42') wenigstens einen Kanalfortsatz (43, 43') beεitzt, der ein Gebiet darstellt, daε εich nicht auf dem kürzeεten Strömungεweg von den Einlaßöffnungen (36) zu den Auslaßöffnungen (38) befindet.
9. Lochscheibe nach einem der Anεprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochεcheibe (23) mit vier Schichten bzw. Funktionεebenen auεgebildet iεt, wobei in der einen mittleren Schicht bzw. Funktionsebene (40) der wenigstenε eine Kanal (42, 42') verläuft und in der anderen mittleren Schicht bzw. Funktionεebene (40 ')' Kanalfortsätze (43') vorgesehen sind, die Gebiete darstellen, die sich nicht auf dem kürzesten Strömungsweg von den Einlaßöffnungen (36) zu den Auslaßöffnungen (38) befinden.
10. Lochεcheibe nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalfortsätze (43, 43') in allen drei Richtungen, also in Länge, Breite und Tiefe vom Kanal (42, 42') ausgehend ausformbar sind.
11. Lochscheibe nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in eine mittlere Schicht bzw.
Funktionsebene (40, 40') hineinragend wenigstens eine Stolperfalle (50) angeordnet ist, durch die eine im Kanal (42, 42') vorbeistreichende Strömung eine Wirbelschleppe bildet.
12. Lochscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Einlaßöffnungen (36) denen der Auslaßöffnungen (38) von der Kontur her entsprechen.
13. Lochscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß εich die Konturen der Querschnitte der Einlaßöffnungen (36) und der Auεlaßöffnungen (38) voneinander unterεcheiden.
14. Lochscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Einlaßöffnungen (36) und der Auslaßöffnungen (38) Quadrate, Rechtecke, abgerundete Quadrate, abgerundete Rechtecke, Kreise, Kreissegmente, Ellipsen, Ellipsensegmente, Vielecke oder abgerundete Vielecke sind.
15. Lochscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Einlaß- (36) und Auslaßöffnungen (38) ungleich ist.
16. Lochscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- (36) und/oder die Auslaßöffnungen (38) asymmetriεch um eine axial verlaufende Mittelachse (2) der Lochscheibe (23) ausgeformt sind.
17. Lochscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Funktionsebene (35, 35', 37, 40, 40') eine charakteristiεche Öffnungεεtruktur (36, 38, 42, 42') besitzt, die sich von der jeweils unmittelbar darauffolgenden unterscheidet.
18. Lochscheibe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Funktionsebenen (35, 35', 37, 40, 40') genau der Anzahl der galvanisch abgeschiedenen Schichten (35, 35', 37, 40, 40') entspricht.
19. Lochscheibe nach Anεpruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Funktionεebenen (35, 35', 37, 40, 40') größer iεt alε die Anzahl der galvaniεch abgeschiedenen Schichten (35, 35', 37, 40, 40').
20. Lochscheibe nach Anspruch 19,* dadurch gekennzeichnet, daß eine galvanisch abgeschiedene Schicht (35') mindestenε zwei Funktionsebenen besitzt, die unterεchiedliche ÖffnungsStrukturen (36, 38, 42, 42') aufweisen.
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