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Title:
MICRO-VALVE ARRANGEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1987/007351
Kind Code:
A1
Abstract:
Micro-valve arrangement in which at least ten micro-valves (12) are arranged per square millimetre of a surface (14). The structure of these micro-valves (12), namely the inlet (26, 46), outlet (28, 48) and valve seating (34, 50) are made by subjecting a support material (16) to surface treatment. Several micro-valves (12) can be combined to form sectors (22) using the micro-valve arrangement disposable to vary in time and space the flow rate of a flowing media. The plurality of individual micro-valves (12) ensures a high degree of protection against breakdowns in the valve arrangement (10). They can be used for high-speed regulators, such as for example fuel injection valves for internal combustion engines.

Inventors:
Grothkopp, Bernd
Application Number:
PCT/DE1987/000200
Publication Date:
December 03, 1987
Filing Date:
May 06, 1987
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH GROTHKOPP, Bernd.
International Classes:
F02M51/00; F02M51/06; F15C5/00; F16K31/06; F16K99/00; G01N30/20; F02M51/08; G01N30/60; (IPC1-7): F16K31/06; F02M51/08; G01N30/20
Foreign References:
DE2756157A11979-06-21
US4538642A1985-09-03
US4027983A1977-06-07
GB2155152A1985-09-18
DE2312489A11974-09-19
DE1933909A11970-01-22
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Claims:
- 7 -Ansprüche
1. Mikroventilanordnung aus Mikroventilen mit wenigstens einem Ein¬ laß und einem Auslaß sowie einem dazwischengeschalteten Ventilsitz, wobei Einlaß, Auslaß und Ventilsitz durch Oberflächenbearbeitung ei¬ nes Trägermaterials hergestellt sind, mit einem Schließglied, daβ gegen den Ventilsitz preßbar und mit Hilfe eines Elektromagneten be¬ wegbar ist, dadur'ch gekennzeichnet, daß wenigstens zehn Mikroventile (12) pro Quadratmillimeter auf einer Oberfläche (14) angeordnet und Einlaß (26, 46), Auslaß (28, 48) und Ventilsitz (34, 50) der Mikro¬ ventile (12) aus einem Trägermaterial (16) hergestellt sind.
2. Mikroventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroventile (12) auf einer ebenen Fläche (14) angeordnet sind.
3. Mikroventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroventile (12) auf einer gekrümnmten Fläche (14) angeordnet sind.
4. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Scnließglied (36) gegen einen ebenen Ventil¬ sitz (34, 50) arbeitet. 3 .
5. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließglied (36) gegen einen kegelartigen Ventilsitz (34, 50) arbeitet.
6. Ventilanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließglied (36) der Kern (40, 54) eines Elektromagneten (42, 44) ist.
7. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ventilsitz (34, 50) und dem metal¬ lenen Kern (40, 54) des Elektromagneten (40, 44) eine Dichtung (38, 52) vorgesehen ist.
8. Mikroventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (38, 52) aus dem Werkstoff Teflon hergestellt ist.
9. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (16) ein HalbleiterWerkstoff ist.
10. Mikroventilanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als HalbleiterWerkstoff Silizium verwendet wird.
11. Mikroventilanordnung nacheinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial (16) ein metallner Werkstoff verwendet ist.
12. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrovenr,iie (12) schachbrettartig angeord¬ net sind.
13. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung des Elektromagneten (42) durch Oberflächenbearbeitung des Trägermaterials (16) hergestellt ist.
14. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansteuerschaltung (32) des Elektromagneten (42, 44) zum Elektromagneten (42, 44) benachbart angeordnet ist.
15. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (32) des Elektromagneten (42, 44) in dem Trägermaterial (16) integriert dem Elektromagneten (42, 44) benachbart angeordnet ist.
16. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekenn¬ zeichnet durch Verwendung der Mikroventilanordnung (10) in einer pneumatischen Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs.
17. Mikroventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekenn¬ zeichnet durch die Verwendung als KraftstoffEinspritzventil für Brennkra tmaschinen.
18. Verfahren zum Betreiben der Mikroventilanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jedes einzelne Mikroventil (12) in einer vorgegebener zeitlichen Folge über Steuer¬ leitungen (20) angesteuert wird.
19. Verfahren zum Betreiben der Mikroventilanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroventil¬ anordnung (10) in Sektoren (22) eingeteilt ist und einzelne Sektoren (22) über Steuerleitungen (20) angesteuert werden.
Description:
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Mikroventilanordnung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Mikroventilanordnung nach der Gat¬ tung des Hauptanspruchs und einem Verfahren zum Betreiben der Anord¬ nung. Ein Mikroventil ist bekannt aus der Fachzeitschrift "Spektrum der Wissenschaft", Juni 1983, S. 38-50. Das beschriebene Mikroventil ist vorgesehen für die Verwendung in einem Miniatur-Gaschromatogra- fen. Die Ventilstruktur ist hergestellt durch Oberflächenbearbeitung auf einem Siliziumkörper. Zwei Ventilkammern, in die Ein- und Aus¬ lässe münden, sind durch Dichtringe voneinander getrennt. Die Ab¬ dichtung der Ventilkammern gegeneinander erfolgt durch eine flexible Teflon-Membran, die von einem Elektromagneten bewegt wird. Die ge¬ samte Ventilkonstruktion beansprucht eine Fläche von weniger als

2

1 mm auf dem Siliziumkörper . Nachteilig bei diesem Mikroventil ist es, daS bei geöffnetem Ventil nur ein geringer Mengendurchsatz pro Zeiteinheit erreichbar ist. Der Mengendurchsatz wird begrenzt durch den geringen Querschnitt für das strömende Medium.

Für spezielle Anwendungen, beispielsweise Kraftstoffeinspritzung bei Srennkra aaschinen, ist eine örtlich variable Mengensteuerung wün¬ schenswert, die jedoch mit einem einzigen Mikroventil nicht reali¬ sierbar ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Ventilanordnung hat den Vorteil, daß ein höhe¬ rer Mengendurch3atz und eine örtlich variable Mengensteuerung vorge¬ nommen werden können. Dies wird erreicht durch eine Anordnung von mehreren Ventilen auf einer Fläche. Die Ventilstrukturen aller Ven¬ tile sind durch Oberflächenbearbeitung eines Trägermaterials herge¬ stellt. Die Verwendung von mehreren Ventilen erhöht die Ausfallsi¬ cherheit der Ventilanordnung, da der Ausfall von einzelnen Ventilen nicht gleich den Gesamtausfall der Anordnung zur Folge hat.

Die Ventilanordnung ist besonders geeignet für eine Massenfertigung, bei der eine gleichbleibend hohe Genauigkeit -der mechanischen Abmes¬ sungen durch die Integrationstechnik gewährleistet ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Ventil¬ anordnung möglich.

3ei der Verwendung von Silizium als Trägermaterial ist die Integra¬ tion der elektrischen Ansteuerung für Elektromagnete, die zur Ven¬ tilansteuerung vorgesehen sind, in besonders einfacher Weise möglich.

Ferner ist es ein Vorteil, daß nur geringe Massen bewegt werden. Die erfindungsgemäße Ventilanordnung eignet sich deshalb besonders für den Einsatz bei schnellen Stellern, wie sie beispielsweise bei einem Antiblockiersyste für Kraftfahrzeugbremsen benötigt werden.

Sine weitere Anwendungsmöglichkeit i3t die Verwendung der Ventilan¬ ordnung bei Xra tstoffeinspritzanlagen für Brennkraftmaschinen. Hier ist es von Vorteil, daß die Krümmung der Oberfläche, in der die Mikroventile angeordnet sind, der Brennraumgeometrie angepaßt werden kann. Eine örtlich variable Einspritz-Mengensteuerung, die eine op¬ timale Verbrennung des Gemisches ermöglicht, ist durch Ein¬ zelansteuerung der Mikroventile möglich.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Ventil¬ anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der folgenden Beschreibung.

Zeichnung

Figur 1 zeigt eine in Sektoren eingeteilte erfindungsgemäße Ventil¬ anordnung, Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines ein¬ zelnes Mikroventils der Ventilanordnung nach Figur 1 und Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Mikroventils der Ventil- anordnung nach Figur 1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt eine Mikroventilanordnung 10, bei der Mikroventile 12 schachbrettartig in einer Ebene 14 auf einem Trägermaterial 16 ange¬ ordnet sind. Die Mikroventilanordnung 10 weist zwei Stromversor¬ gungsleitungen 18 und mehrere Steuerleitungen 20 auf, wobei die An¬ zahl der Steuerleitungen 20 wenigstens gleich der Anzahl der Mikro- vencile 12 ist. Mehrere Mikroventile 12 sind zu Sektoren 22 zusam¬ mengefaßt. In der Figur 1 sind beispielsweise vier Sektoren 22 durch unterbrochene Linien eingezeichnet.

Die Mikroventile 12 können auch in einem anderen Muster als dem in Figur 1 gezeigten schachbrettartigen Muster angeordnet sein. Das schachbrettartige Muster bietet jedoch den Vorteil einer besseren Flächenausnutzung.

Die Fläche 14 ist dem Anwendungfall anpaßbar. Neben der Anordnung in einer Ebene kann auch eine Krümmung der Fläche 14 vorteilhaft sein. Dies ist insbesondere bei der Ausgestaltung der Mikroventilanordnung 10 als Kraf stoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine vorteil¬ haft. In diesem Falle kann die Krümmung der Oberfläche der Brenn- rau geometrie angepaßt werden. Zusätzlich zur zeitlichen Steuerung der Sinspritz-Kraftstoffmenge ist somit auch eine örtlich variable Mengensteuerung möglich, da die einzelnen Mikroventile 12 über Steu¬ erleitungen 20 unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Der erfor¬ derliche Mengendurchsatz des strömenden Mediums wird dann erreicht, wenn wenigstens zehn Mikroventile 12 pro Quadratmillimeter angeord¬ net sind. Sine Zusammenfassung mehrerer, gemeinsam betätigter Mikro¬ ventile 12 in Sektoren 22 ist besonders zweckmäßig, da die Ausfall¬ sicherheit sowie die in eine bestimmte Richtung abgespritzte Kraft¬ stoffmenge steigen.

Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines einzelnen Mikro- ventiles 12. In das Trägerraaterial 16 sind durch Oberflächenbehand¬ lung eine Vertiefung 24, ein Einlaß 26 und ein Auslaß 28 sowie eine Leitungsstruktur 30 und eine Ansteuerschaltung 32 eingearbeitet. Zwischen Einlaß 26 und Auslaß 28 ist ein Ventilsitz 34 angeordnet. Das Gegenstück zum Ventilsitz 34 ist ein Schließglied 36. Das Schließglied 36 weist eine membranartige Dichtung 38 und einen me¬ tallenen Körper 40 auf. Als Dichtungsmaterial kommt vorzugsweise Teflon zur Anwendung. Ist eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit der Oberflächen gegeben, so kann auf die Dichtung 38 verzichtet werden. Die Leitungsstruktur 30 und der metallene Körper 40 mit der zugeord¬ neten Dichtung 38 bilden einen Elektromagneten 42. Sin Strorαfluß in der um den metallenen Körper 40 herum geschlossenen Leitungsstruktur 30 erzeugt ein Magnetfeld, das auf das Schließglied 36 eine Kraft ausübt, die eine Schließ- bzw. Öffnungsbewegung zur Folge hat. Der zum.3etrieb des Elektromagneten 42 erforderliche Strom wird der Mikroventilanordnung 10 über die Stromversorgungsleitungen 18 zuge-

führt. Die Aπsteuerung des Elektromagneten 42 erfolgt über eine An¬ steuerschaltung 32. Die Ansteuerschaltung 32 kann in dem Trägerraate- rial 16 integriert werden, wenn als Trägermaterial 16 ein Halblei¬ ter-Werkscoff, vorzugsweise Silizium, vorgesehen ist. Die Ansteuer¬ schaltung 32 erhält über eine Steuerleitung 20 ihr EingangsSignal. Wird als Trägermaterial 1β dagegen ein metallener Werkstoff verwen¬ det, dann müssen die Leitungsstruktur 30 und die Ansteuerschaltung 32 gegen das metallene Trägermaterial 16 isoliert werden.

In Figur 2 ist der geschlossene Betriebszustand des Mikroventils 12 gezeigt. Einlaß 26 und Auslaß 28 sind räumlich getrennt durch die Zusammenwirkung der ebenen Dichtung 38 mit dem ebenen Ventilsitz 3 1 *. Alternativ ist es auch möglich, den Ventilsitz 3 und die gegenüber¬ liegende Seite des Schließgliedes 36 zu einer kegelartigen Form aus¬ zubilden.

Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem das Mikroven¬ til 12 mehrere Ein- und Auslässe aufweist. Die Ventilstruktur ent¬ steht auch bei diesem Ausführungsbeispiel durch Oberflächenbearbei¬ tung des Trägermaterials 1β.

Drei Einlasse 46 und drei Auslässe 48 sind durch Ventilsitze 50 von¬ einander getrennt. Gegen die Ventilsitze 50 ist eine Dichtung 52 preßbar. Die Dichtung 52 steht in Verbindung mit einem metallenen Kern 54 eines Elektromagneten 44.

Bei diesem Ausführungsbeispiel tritt eine höhere Druckbelastung auf als bei einem einfacheren Mikroventil 12 gemäß Figur 2, das weniger Strömungskanäle aufweist. Der größere magnetische Fluß wird zweck¬ mäßig von einer stromdurchflossenen Drahtwicklung 56 bereitgestellt, die um den metallenen Kern 54 herum angeordnet ist. Eine Ansteuer¬ schaltung für den Elektromagneten 44 kann in das Trägermaterial 16 integriert werden, wenn es aus einem Halbleiter-Werksto f besteht.

- o -

Wird metallener Werkstoff verwendet, so muß die Ansteuerschaltung gegen das Trägermaterial 16 isoliert werden.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 eignet sich besonders für das Betreiben der Mikroventilanordnung 10 nach Sektoren 22, da die Mikroventile 12 eines Sektors 22 gemeinsam betätigt werden. Anstelle einer gleichzeitigen Ansteuerung der einzelnen Ventile eines Sektors 22, ist lediglich ein Elektromagnet mit einer größeren, der Sektor¬ fläche angepaßten Dichtungsfläche vorgesehen. Die in Figur 3 gezeig¬ ten Ein- und Auslässe 46, 48 entsprechen dann den Ein- und Auslässen mehrerer Mikroventile 12.




 
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