Beschreibung

Mikroventil

Die Erfindung betrifft ein Mikroventil zur Einstellung eines Volumenstroms eines Fluids durch einen Kanal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mikroventile können allgemein in der Pneumatik und Fluidik bei der Steuerung von Gas- oder Flüssigkeitsströmungen, also Fluidströmungen, verwendet werden. Ein solches Ventil kann dabei entweder die Funktion eines Vorsteuerventils besitzen, beispielsweise in elektropneumatischen Stellungsreglern, oder es kann direkt der Steuerung eines Volumenstroms bzw. Drucks in einem Arbeitskolben oder dergleichen dienen oder es wird in mikroverfahrenstechnischen Geräten oder Analysegeräten verwendet .

Beispielsweise aus der DE 197 35 156 Cl ist ein piezoelek- trisch betätigtes Mikroventil bekannt, das die folgenden Komponenten aufweist: einen Grundkörper mit einer Durchlassöffnung, einen Stößel, eine Aufhängungsvorrichtung, durch die der Stößel gegenüber dem Grundkörper derart führbar ist, dass die Durchlassöffnung durch den Stößel verschlossen oder frei- gegeben werden kann, und eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung zur Betätigung des Stößels, deren Erstreckung in Längsrichtung durch das Anlegen einer elektrischen Spannung veränderbar ist. Zur Regelung eines Volumenflusses durch das Ventil kann das bekannte Mikroventil prinzipiell entweder kontinuierlich verstellt oder mit einer Puls-Breiten-Modulation beaufschlagt werden. Eine kontinuierliche Verstellung hat dabei den Nachteil, dass sich die Ventilstellung, die zur Erzielung des gewünschten Durchflusses erforderlich ist, mit der Zeit verändern kann. Ursachen dafür können Ablagerungen auf dem Schließkörper, ein Abrieb durch das durchströmende

Medium am Schließkörper oder eine Relaxation sein. Bei einem gepulsten Betrieb, bei welchen die Ansteuerung mit PuIs- Breiten-moduliertem Signal zum vollständigen öffnen und

Schließen des Mikroventils erfolgt, tritt ein erhöhter Verschleiß auf, da der Schließkörper ständig gegen einen harten Anschlag fährt. Bei längerem Verharren der beweglichen Teile in einer Endlage kann es zudem vorkommen, dass diese sich festsetzen und somit das Ventil ausfällt.

Die genannten Nachteile liegen auch bei den meisten weiteren bekannten Ventiltypen vor, beispielsweise bei Ventilen mit einem Kugelhahn, einem Schieber, einer Kombination einer Düse und Prallplatte, bei Ventilen mit einem magnetisch angesteuerten Aktor, einem Nadelventil usw.. Bei Ventilen, in welchen Teile beispielsweise zur Betätigung des Schließkörpers aneinander reiben, kann zudem der so genannte Stick-Slip-Effekt auftreten, bei welchem die gegeneinander bewegten Teile eine Bewegungsfolge aus Haften, Verspannen, Trennen und Gleiten bis zum nächsten Haften ausüben. Dieser Effekt führt zu Schwingungen und kann sich ebenfalls nachteilig auf die Genauigkeit der Einstellung des Schließkörpers und damit auf die Genauigkeit der Einstellung des durch das Mikroventil strömenden Volumens auswirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikroventil zu schaffen, mit welchem ein Volumenstrom kontinuierlich verstellbar ist und das sich durch gute Langzeiteigenschaften auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Mikroventil der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmal auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.

Durch elektromechanische Wandler werden aktive Strukturen in mindestens einer Kanalwand gebildet, durch welche der freie Strömungsquerschnitt im Kanal verändert wird. Durch die ge- zielte alternierende Anregung benachbarter aktiver Elemente im Gegentakt und/oder, wenn mehr als eine aktive Kanalwand vorhanden ist, durch alternierende Anregung gegenüberliegender aktiver Elemente im Gleichtakt kann eine stehende Welle

im Nahbereich bei den aktiven Strukturen erzeugt werden. Dazu werden benachbarte Wandler im Gegentakt angesteuert, das heißt während ein Wandler sich in Richtung einer Querschnittsverengung bewegt, ist die Bewegung des oder der be- nachbarten Wandler genau entgegengesetzt, nämlich in Richtung einer Querschnittserweiterung. Die Bewegung der aktiven Strukturen beeinflusst den Strömungswiderstand im Kanal somit zum einen mit einer statischen Komponente aufgrund der jeweiligen Veränderung des Strömungsquerschnitts und zum anderen durch eine dynamische Komponente aufgrund des erhöhten Strö- mungsverlusts durch Turbulenzen im Bereich der elektromecha- nischen Wandler und aufgrund einer Erhöhung der Wirbelviskosität durch die gezielte Anregung der elektromechanischen Wandler.

In vorteilhafter Weise werden bei dem erfindungsgemäßen Mik- roventil die oben genannten Nachteile herkömmlicher Mikroven- tile weitgehend vermieden. Zudem hat das erfindungsgemäße Mikroventil den Vorteil, dass es sich durch eine erhöhte Aus- fallsicherheit auszeichnet, da eine Vielzahl von elektromechanischen Wandlern als veränderliche Strömungshindernisse vorgesehen ist, die zudem teilweise redundant ausgelegt werden können. Aufgrund der alternierenden Bewegung der elektromechanischen Wandler tritt in vorteilhafter Weise ein Selbst- reinigungseffekt ein, da sich an bewegten Teilen Ablagerungen in geringerem Maße bilden als an feststehenden. Da sich mit dem erfindungsgemäßen Mikroventil ein vorgegebener Volumenstrom sehr genau einstellen lässt, ist es besonders gut für eine Verwendung als Stellglied in einem Regelkreis zur Rege- lung des Volumenstroms verwendbar.

Wenn das Feld von einander benachbarten elektromechanischen Wandlern eindimensional ausgebildet ist, das heißt, die Wandler in einer im Wesentlichen geradlinigen Reihe angeordnet sind, und wenn die Reihe der Wandler im Wesentlichen parallel zur Fließrichtung des Fluids verläuft, hat dies den Vorteil, dass durch die oben beschriebene Bewegung der Wandler eine stehende Welle erzeugbar ist, deren Wellenhöhe den verblei-

benden freien Strömungsquerschnitt des Kanals verringert. Dabei kann durch Variation der Amplitude der Wandlerbewegungen die Wellenhöhe und somit der Volumenstrom beeinflusst werden.

Zudem ist in vorteilhafter Weise eine Feinregelung möglich, indem die Frequenz der alternierenden Veränderung des Strömungsquerschnitts durch die Ansteuereinrichtung verändert wird. Durch gezielte Anregung kann das Fluid zusätzlich in Schwingungen versetzt werden, wodurch sich der Strömungswi- derstand verändert. Die laminare Strömung wird gestört und die Wirbelviskosität erhöht. Mit der Frequenz steigt somit die Wirbelviskosität und der Volumenstrom durch den Kanal wird verringert.

Die elektromechanischen Wandler können als kapazitive oder piezoelektrische, mikromechanisch hergestellte Ultraschallwandler ausgebildet sein. Das hat den Vorteil, dass auf eine bereits erprobte Technik zur Realisierung derartiger Wandler zurückgegriffen werden kann. Derartige Wandler werden häufig als capacitive micromachined ultrasonic transducer (cMUT) bzw. piezoelektric micromachined ultrasonic transducer (pMUT) bezeichnet .

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 einen Regelkreis mit einem Mikroventil zur Einstellung eines vorgebbaren Volumenstroms,

Figuren 2 und 3 Prinzipdarstellungen zur Erläuterung der dynamischen Effekte und

Figuren 4, 5 und 6 Strömungsbilder zur Erläuterung der Ver - wirbelung.

Gemäß Figur 1 weist ein Mikroventil 1 zur Einstellung eines Volumenstroms eines Fluids durch einen Kanal 2, dessen Richtung mit einem Pfeil 3 angedeutet ist, vier an einer Kanal- wand 4 in einer parallel zur Fließrichtung verlaufenden Reihe angeordnete elektromechanische Wandler 5, 6, 7 und 8 auf, die an eine Ansteuervorrichtung 9 angeschlossen sind. Mindestens eine Kanalwand ist wie beschrieben ausgebildet. Bei entsprechender Ansteuerung führen die elektromechanischen Wandler 5...8 eine Bewegung senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums aus, so dass der Strömungsquerschnitt des Kanals 2 veränderbar ist. Durch geeignete Ansteuerung der Wandler 5...8 kann der Volumenstrom des Fluids auf einen Sollwert eingestellt werden, welcher der Ansteuervorrichtung 9 über einen Eingang 10 von außen, beispielsweise über eine Kommunikationsverbindung von einer übergeordneten Steuerung, vorgebbar ist. Mit einem Durchflusssensor 11, dessen Messsignal 12 e- benfalls auf die Ansteuervorrichtung 9 geführt ist, wird der jeweils aktuell herrschende Volumenstrom erfasst. In der An- Steuervorrichtung 9 wird der aktuelle Volumenstrom als Istwert mit dem vorgegebenen Volumenstrom als Sollwert verglichen und die Ansteuerung der Wandler 5...8 bei eventuellen Abweichungen derart verändert, dass die Abweichungen ausgeregelt werden. Da das Mikroventil eine genaue Feineinstellung des Volumenstroms ermöglicht, kann der vorgegebene Wert des Volumenstroms sehr genau eingehalten werden.

Zur Verdeutlichung des Wirkungsprinzips des Mikroventils sind in den Figuren 2 und 3 verschiedene Bewegungszustände von elektromechanischen Wandlern 20...27, die in einer Wand 28 eines Kanals 29 eingebaut sind, dargestellt. Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Senkrecht verlaufende Pfeile zeigen die jeweilige Bewegungsrichtung der Wandler 20...27. Da die Wand 28 und die Befesti- gung der Wandler 20...27 in prinzipiell beliebiger Weise dazu ausgebildet sein können, dass ihre wirksamen Unterseiten die Bewegungen ausführen können, ist die Wand 28 in den Figuren 2 und 3 lediglich mit durchbrochenen Linien angedeutet. Die

Wandler 20...27 führen durch entsprechende Ansteuerung mit einer in den Figuren 2 und 3 der übersichtlichkeit wegen nicht dargestellten Ansteuervorrichtung Auf- und Abwärtsbewegungen zur alternierenden Veränderung des Strömungsquer- Schnitts aus. Sind mehrere Wände mit aktiven Elementen ausgestattet, werden gegenüberliegende aktive Elemente im Gleichtakt angesteuert. Dies verstärkt den Effekt. Die Bewegungen jeweils benachbarter Wandler sind im Gegentakt. Bei der in Figur 2 dargestellten Bewegung werden die Wandler 20, 22, 24 und 26 nach unten verschoben, während sich die Wandler 21, 23, 25 und 27 nach oben bewegen. Vor der Unterseite der Wandler 20, 22, 24 und 26 befindliches Medium wird bei dieser Bewegung verdrängt und in den unter den Wandlern 21, 23, 25 und 27 entstehenden Raum verschoben. Diese Volumenverschie- bung des Fluids ist durch gekrümmte Pfeile im Kanal 29 angedeutet. Eine Bewegung in genau umgekehrter Richtung zeigt Figur 3. An den beiden Figuren 2 und 3 wird deutlich, dass bei alternierender Bewegung der Wandler 20...27 in deren Nachbarschaft Wirbel entstehen, die den freien Strömungsquerschnitt im Kanal 29 einschränken. Die Bewegung der Wandler 20...27 verändert den Volumenstrom im Kanal 29 zum einen aufgrund der tatsächlichen Veränderung des Strömungsquerschnitts und zum anderen aufgrund der Wirbel, welche im Kanal 29 erzeugt werden. Je nach Amplitude und Frequenz der Bewegungen wird somit eine Feinstellung des Volumenstroms ermöglicht.

Anhand der Strömungsbilder in den Figuren 4 bis 6 soll dies noch einmal verdeutlicht werden. Die Figuren 4 bis 6 zeigen Strömungslinien, die in einem horizontal verlaufenden Kanal bei einer Strömung eines Fluids von links nach rechts entstehen. Ein elektromechanischer Wandler 40 dringt bei der Strömung gemäß Figur 4 nur wenig in den Strömungskanal ein. Eine Verwirbelung findet hier kaum statt und es herrscht eine weitgehend laminare Strömung vor. Der freie Strömungsquer- schnitt des Kanals ist kaum verändert.

Dagegen ragt in Figur 5 ein elektromechanischer Wandler 50 statisch weit in den Kanal hinein und verringert den freien

Kanalquerschnitt erheblich. In der Nähe des Wandlers 50 entstehen Turbulenzen, wobei sich in Strömungsrichtung hinter dem Wandler 50 ein großer Wirbel 51 bildet. Der Volumenstrom wird auf einen kleinen Bereich oberhalb der Wirbel be- schränkt.

Der in Figur 6 dargestellte Wandler 60 führt eine alternierende Bewegung in senkrechter Richtung aus. Obwohl er im Mittel ähnlich weit in den Kanal hineinragt wie der in Figur 5 gezeigte Wandler 50, wird durch die Bewegung gemäß Figur 6 eine wesentlich stärkere Wirbelbildung erhalten. Die Größe der Turbulenzen führt zu einer weiteren Verringerung des verbleibenden Volumenstroms in Kanal. Sie hängt zum einen von der Amplitude der Wandlerbewegungen und zum anderen von deren Frequenz ab.

Anhand der Figuren 5 und 6 wird besonders deutlich, dass auch die dynamische Bewegung des Wandlers 60 einen erheblichen Einfluss auf den Strömungswiderstand des Kanals hat und dass somit durch Veränderungen der Dynamik in vorteilhafter Weise eine Einstellung des Volumenstroms vorgenommen werden kann.