DE102012006658A1

DE102012006658A1 - Mikro-Pilotventil

Info

Publication number: DE102012006658A1
Application number: DE102012006658A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Büstgens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2013-10-10
Also published as: GB2514976A8; GB201417431D0; DE112013001932A5; US20150316172A1; US9638350B2; WO2013149610A1; GB2514976A; GB2514976B

Abstract

Es wird ein Mikro-Pilotventil 1 vorgeschlagen, das zur Erzeugung eines Steuerdruckes zwischen zwei Druckniveaus 5 und 7 dient und gekennzeichnet ist durch eine Mikrokavität 2, die wenigstens einen Ventilausgang 3, eine erste Mikrobohrung 4 zu einem ersten Druckniveau 5 und eine zweite Mikrobohrung 6 zu einem zweiten Druckniveau 7 umfasst. Ein Verschlussteil 8 in der Mikrokavität 2 ist beweglich zwischen den Mikrobohrungen, wobei es in einer ersten Endposition Mikrobohrung 4 und in einer zweiten Endposition Mikrobohrung 6 verschließt. Ein Mikroaktuator 10 aktuiert über ein Übertragungselement 9, das wenigstens durch eine der Mikrobohrungen hindurchragt, das Verschlussteil 8. Das Mikro-Pilotventil 1 ermöglicht Schaltfrequenzen im kHz-Beriech bei Schaltdrücken bis zu 30 bar und findet vorzugsweise Verwendung zur Ansteuerung von pneumatisch aktuierten Dosier-, Drop-on-Demand oder Schaltventilen oder Arrays aus diesen.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Mikro-Pilotventil 1 mit sehr kurzer Schaltzeit. Pilotventile dienen der Verstärkung einer kleinen Schaltleistung mittels eines pneumatischen Druckes als Hilfsenergie zur Steuerung von Prozessen, die eine höhere Schaltleistung erfordern.
Ein gattungsgemäßes Mikro-Pilotventil mit sehr kurzer Schaltzeit kommt beispielsweise in einem pneumatisch aktuierten Druckkopf in DE 10 2009 029 946 A1 zur Verwendung. Das Ventil dient der Erzeugung eines Steuerdruckes, der zwei definierte Druckniveaus einnehmen soll. Hierzu wird zwischen zwei vorgegebenen Druckniveaus eine Reihenschaltung aus einem Mikroventil und einem pneumatischen Drosselelement verwendet, an deren gemeinsamen pneumatischen Knoten sich ein Druckwert einstellt, der als Steuerdruck genutzt wird. Während sich im Zustand des geschlossenen Ventils exakt der Druck eines jeweiligen Druckniveaus als Steuerdruck einstellt, stellt sich der Steuerdruck im geöffneten Zustand des Ventils auf einen Wert ein, der zwischen den beiden Druckniveaus liegt. Toleranzen und schon kleine Verschmutzungen des Drosselelementes bewirken unerwünschte Streuungen des resultierenden Steuerdrucks. Auch ist bei offenem Ventil ein permanenter Luftverbrauch vorzufinden.
Wünschenswert ist ein Mikro-Pilotventil mit Schaltzeiten kleiner als 0,1 ms zur Erzeugung eins Steuerdruckes, der die Werte zweier vorgegebener Druckniveaus genau annehmen können muss und welches keinen permanenten Luftverbrauch aufweist.
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Mikro-Pilotventil 1 gelöst, das zur Erzeugung eines Steuerdruckes zwischen zwei Druckniveaus 5 und 7 dient und gekennzeichnet ist durch eine Mikrokavität 2, die wenigstens einen Ventilausgang 3, eine erste Mikrobohrung 4 zu einem ersten Druckniveau 5 und eine zweite Mikrobohrung 6 zu einem zweiten Druckniveau 7 umfasst. Ein Verschlussteil 8 in der Mikrokavität 2 ist beweglich zwischen den Mikrobohrungen, wobei es in einer ersten Endposition Mikrobohrung 4 und in einer zweiten Endposition Mikrobohrung 6 verschließt. Ein Mikroaktuator 10 aktuiert über ein Übertragungselement 9, das wenigstens durch eine der Mikrobohrungen hindurchragt, das Verschlussteil 8.
Das erfindungsgemäße Mikro-Pilotventil 1 beseitigt die genannten Nachteile des Standes der Technik und kann einen Steuerdruck erzeugen, der zwei anliegende Druckniveaus genau annehmen kann, mit Schaltzeiten kleiner als 0,1 ms und Schaltfrequenzen über 5 kHz. Das erfindungsgemäße Ventil verfügt über ein Todvolumen von nur wenigen Mikrolitern, was wesentlich zu kurzen Schaltzeiten beiträgt.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Mikro-Pilotventile in einem mehrkanaligen Druck- oder Dosierkopf nach DE 10 2009 029 946 A1 , deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme zum Bestandteil dieser Anmeldung erklärt wird, zur Steuerung von pneumatisch gesteuerten Fluid-Ejektoren verwendet, welche im Freistrahl-Verfahren viskose Beschichtungsstoffe, insbesondere thixotrope Beschichtungsstoffe auf Oberflächen applizieren. Die Fluid-Ejektoren arbeiten im Drop-on-Demand-Verfahren, nach einem Ventil- oder Verdrängungsprinzip.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Mikro-Pilotventile in einem mehrkanaligen Druck- oder Dosierkopf nach DE 10 2009 029 946 A1 zur Steuerung von pneumatisch gesteuerten Fluid-Ejektoren verwendet, wobei die Fluid-Ejektoren als pneumatisch gesteuerte Flüssigkeits- oder Gasventile ausgeführt sind und zum schnellen Schalten von Flüssigkeits- oder Gasströmen in hydraulischen oder pneumatischen Anwendungen verwendet werden.
Somit können Mikro-Pilotventile 1 zur Ansteuerung von pneumatisch gesteuerten Ventilen zur hydraulischen oder pneumatischen Steuerung von Fluiden oder Gasen sowie zur Freistrahl-Applikation von gasförmigen oder fließfähigen Stoffen verwendet werden. Weiterhin kann ein Array aus Mikro-Pilotventilen 1 zur Ansteuerung eines Arrays aus pneumatisch gesteuerten Ventilen zur hydraulischen oder pneumatischen Steuerung von Fluiden oder Gasen sowie zur Freistrahl-Applikation von gasförmigen oder fließfähigen Stoffen verwendet werden. Zusammengefasst finden erfindungsgemäße Mikro-Pilotventile 1 somit vorzugsweise Verwendung zur Ansteuerung von pneumatisch aktuierten Dispensier-, Dosier-, Drop-on-Demand oder Schaltventilen oder Arrays aus diesen.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Mikro-Pilotventil 1, 2 die Vergrößerung eines Ausschnitts mit einer Variante. Kernstück des Mikro-Pilotventils 1 ist Verschlussteil 8, welches sich in Mikrokavität 2 befindet, welche Ventilausgang 3, erste Mikrobohrung 4, die mit dem ersten Druckniveau 5 verbunden ist und zweite Mikrobohrung 6, die mit dem zweiten Druckniveau 7 verbunden ist, umfasst. Mikrobohrungen 4 und 6 sind insbesondere koaxial angeordnet. Mikrokavität 2 kann in Substrat 20 oder Gehäuse des Mikroventils integriert sein oder kann ein separat gefertigter Einsatz 13 sein, welcher in Substrat 20 oder ins Gehäuse 20 des Mikro-Pilotventils 1 eingelassen wird. Mikrokavität 2 weist beispielsweise einen Deckel 17 auf, in dem sich Mikrobohrung 4 befindet. Um kurze Schaltzeiten zu erzielen, wird das Volumen von Mikrokavität 2 möglichst klein ausgelegt. Mikrokavität 2 hat dann höchstens ein Volumen von wenigen Mikrolitern. Die Durchmesser der Mikrobohrungen 4 und 6 sind je nach Anwendungsfall zwischen 0,1 mm und 0,5 mm oder 0,3 mm bis 1 mm. Verschlussteil 8 wird in Mikrokavität 2 so geführt, dass es in einer ersten Endposition die erste Mikrobohrung 4 und in einer zweiten Endposition die zweite Mikrobohrung 6 schließt. Die Kontaktfläche der Mikrobohrungen sind gleichzeitig Ventilsitz des jeweiligen Ventils. Somit werden in dem Mikro-Pilotventil 1 zwei einander gegenüberliegende Ventile durch ein sich dazwischen befindliches Verschlussteil 8 betätigt. Kleine Undichtigkeiten wirken sich nur gering auf den Wert des Steuerdruckes an Ventilausgang 3 aus und sind tolerabel. Die Abdichtung zwischen Verschlussteil 8 und Mikrobohrung 4 oder 6 kann auf einen Formschluss der beteiligten Dichtflächen, also der Ventilsitze, beruhen. Verschlussteil 8 kann von beliebiger Geometrie sein. Es kann frei beweglich in der Mikrokavität geführt sein oder mittels einer elastischen Aufhängung mit dem Gehäuse des Mikro-Pilotventils, dem Einsatz 13 oder dem Substrat 20 verbunden sein. Verschlussteil 8 ist beispielsweise eine Kugel, siehe 1, oder ein zylindrisches Teil, dessen Dichtflächen durch die jeweiligen Stirnflächen gebildet werden, oder ein zylindrisches Teil, siehe 2, dessen Stirnflächen einen gegenüber dem Zylinder eine Durchmesserverringerung aufweisen, ausgeführt beispielsweise als Abstufung oder Fase. Die Durchmesser der beiden Stirnflächen sind dann so gewählt, dass eine definierte Dichtbreite von beispielsweise 0,03 mm bis 0,2 mm um die Mikrobohrungen 4 und 6 herum besteht. In o. g. ersten Anwendungsbeispiel ist der Durchmesser des Verschlussteils 8, z. B. der Kugel, beispielsweise zwischen 0,3 und 1 mm.
Verschlussteil 8 wird durch einen Mikroaktuator 10 bewegt. Der Hub liegt typisch zwischen 0,02 und 0,1 mm. Mikroaktuator 10 ist bevorzugt als Piezoaktuator ausgeführt, insbesondere als Biegewandler oder Piezo-Stapelaktor. Geeignet sind aber auch miniaturisierte elektromagnetische oder elektrodynamische Aktuatoren, die für die genannten Hübe ausgelegt sind.
Die Übertragung der Bewegung des Mikroaktuators 10 auf das Verschlussteil erfolgt durch Übertragungselement 9. Dieses ist bevorzugt mit Mikroaktuator 10 oder Verschlussteil 8 fest verbunden. Es kann auch eine Ausformung des Mikroaktuators 10 oder des Verschlussteils 8 sein. Ist Übertragungselement 9 mit Mikroaktuator 10 fest verbunden so kann die Verbindung 11 zum Mikroaktuator 10 nach der Montage der Mikrokavität 2 und Einsetzen des Verschlussteils 8 durch einen Fügeprozess (Kleben, Löten, Schweißen) hergestellt werden. Um Nachjustierungen vornehmen zu können, kann eine lösbare Verbindung gewählt werden. Falls nur Druckkräfte übertragen werden, kann auf eine feste Verbindung verzichtet werden. 3a und 3b zeigt eine Variante, in der das Übertragungselement 9 mittels zweier Führungen 13 horizontal so zentriert ist, dass dieses auf die Kugel 8 zentrisch Kraft ausüben kann.
Das Übertragungselement 9 ragt durch Mikrobohrung 4 und überträgt die Bewegung des Mikroaktuators 10 auf das Verschlussteil 8 durch die Mikrobohrung 4 hindurch. Diese Art der Krafteinleitung erlaubt es, dass das Volumen der Mikrokavität 2 klein sein kann, da die Mikrokavität 2 ausschließlich das Verschlussteil enthält. Da das Übertragungselement 9 durch die Mikrobohrung 4 hindurchragt, kann es als Nadel oder Stange ausgeführt sein mit einem Durchmesser, je nach Größe der Mikrobohrung 4, von beispielsweise 0.05 mm bis 0.5 mm, und einer Länge von 1–2 mm. Eine vorteilhafte Ausführung des Übertragungselementes 9 ist die Ausführung als flaches Ätzteil, beispielsweise aus Plattenmaterial aus Edelstahl oder Messing mit einer Stärke von < 0,1 mm.
In einer Variante ist Mikroaktuator 10 ein Piezo-Biegewandler bestehend aus einer Substratplatte 12 der Dicke 0,05 mm bis 0,3 mm und einer (monomorph) oder zweier (bimorph) dünner Piezoplatten 12a der Dicke 0,1 mm bis 0,3 mm. Das Übertragungselement 9 ist mit dem Mikroaktuator 10 über Verbindung 11 verbunden oder integrierter Bestandteil des Mikroaktuators, z. B. eine 90° – Abbiegung eines Fortsatzes der Substratplatte 12.
In einer Variante ist das erste Druckniveau 5 niedriger als des zweite Druckniveau 7 und Mikrobohrung 4 weist einen größeren Querschnitt auf als Mikrobohrung 6.
In einer weiteren Variante ist das erste Druckniveau 5 niedriger als des zweite Druckniveau 7, Mikrobohrung 4 weist einen größeren Querschnitt auf als Mikrobohrung 6, zusätzlich weist Mikrobohrung 6 einen Durchmesser zwischen 100 Mikrometern und 300 Mikrometern auf und Mikrobohrung 4 einen Durchmesser zwischen 200 Mikrometern und 500 Mikrometern.
Beschreibung der Funktion unter Annahme der Verwendung eines Piezo-Biegewandlers: Druckniveau 7 liege zwischen 0,5 und 30 bar, Druckniveau 5 auf Umgebungsdruck. Auch kann Druckniveau 5 einen Unterdruck aufweisen. Verschlussteil 8 verschließe Druck-unterstützt durch Druckniveau 7 Mikrobohrung 4, sodass der Steuerdruck an Ventilausgang 3 den Wert von Druckniveau 7 annimmt. In dieser Stellung kann der Aktuator 10 so konfiguriert sein, dass Übertragungselement 9 mit Verschlussteil 8 in Kontakt ist oder verbunden ist, oder so, dass ein Abstand zwischen Übertragungselement 9 und Verschlussteil 8 besteht, siehe 3a. Bei elektrischer Ansteuerung des Aktuators 10 führt dieser an seinem beweglichen Ende eine Stellbewegung nach unten aus, die mittels Übertragungselement 9 durch die Mikrobohrung 4 hindurch auf Verschlussteil 8 übertragen wird. Aktuator 10 ist so ausgelegt, dass mit auseichender Kraft Verschlussteil 8 auf Mikrobohrung 6 gepresst werden kann, um diese gegen Druckniveau 7 zu verschließen, siehe 3b. Gleichzeitig wird Mikrokavität 2 über Mikrobohrung 4 entlüftet und der Steuerdruck an Auslass 3 nimmt den Wert des Druckniveaus 5, also Umgebungsdruck an. Das Ventil ist in dieser Konfiguration als Normally-Open Mikroventil konfiguriert.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Bewegung des Mikroaktuators zu dämpfen. In einem Dämpfungsspalt 14 zwischen einer Fläche des Mikroaktuators 10 und einer festen Fläche des Gehäuses 20 befindet sich eine viskose Flüssigkeit, bevorzugt ein Silikonöl, siehe 1. Die Flächen des Dämpfungsspaltes 14 sind senkrecht zur Bewegungsrichtung des Aktuators 10 ausgerichtet, somit findet Squeeze-Film-Dämpfung im Dämpfungsspalt 14 statt. Sind Flächen parallel zur Bewegungsrichtung des Aktuators gewählt, so bildet sich eine Couette-Strömung in dem Dämpfungsspalt 14 aus. 4 zeigt hierfür ei Beispiel: In eine runde oder längliche Ausnehmung 16 des Gehäuses 20 ragt eine runde oder flache Ausformung 15 des Mikroaktuators 10 hinein. Ausformung 15 kann auch als separates Teil ausgeführt sein, das beispielsweise als Dorn oder Platte und mit dem Aktuator verklebt, verlötet oder verschweißt ist. Der Dämpfungsspalt 14, siehe 1, befände sich beispielsweise zwischen einer Fläche des Mikroaktuators 10 und einer Fläche des Substrats 20.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009029946 A1 [0002, 0006, 0007]

Claims

Mikro-Pilotventil 1 zur Erzeugung eines Steuerdruckes, gekennzeichnet durch – eine Mikrokavität 2, die wenigstens einen Ventilausgang 3, eine erste Mikrobohrung 4 zu einem ersten Druckniveau 5 und eine zweite Mikrobohrung 6 zu einem zweiten Druckniveau 7 umfasst, – ein Verschlussteil 8 in der Mikrokavität 2, das beweglich ist zwischen den Mikrobohrungen, wobei es in einer ersten Endposition Mikrobohrung 4 und in einer zweiten Endposition Mikrobohrung 6 verschließt, – und einen Mikroaktuator 10, der über ein Übertragungselement 9, das wenigstens durch eine der Mikrobohrungen hindurchragt, das Verschlussteil 8 aktuiert.
Mikro-Pilotventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroaktuator 10 als Piezoaktuator, insbesondere als Biegewandler ausgeführt ist
Mikro-Pilotventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckniveau 5 niedriger als des zweite Druckniveau 7 ist und Mikrobohrung 4 einen größeren Querschnitt aufweist als Mikrobohrung 6.
Mikro-Pilotventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckniveau 5 niedriger als des zweite Druckniveau 7 ist, Mikrobohrung 4 einen größeren Querschnitt aufweist als Mikrobohrung 6, Mikrobohrung 6 einen Durchmesser zwischen 100 Mikrometern und 300 Mikrometern aufweist und Mikrobohrung 4 einen Durchmesser zwischen 200 Mikrometern und 500 Mikrometern aufweist.
Mikro-Pilotventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckniveau 5 kleiner als des zweite Druckniveau 7 ist und das Übertragungselement 9 durch Mikrobohrung 4 hindurchragt.
Mikro-Pilotventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Verschlussteil 8 eine Kugel ist.
Mikro-Pilotventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Übertragungselement 9 mit Mikroaktuator 10 und/oder Verschlussteil 8 fest verbunden ist.
Mikro-Pilotventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Übertragungselement 9 und Verschlussteil 8 aus einem Stück sind.
Mikro-Pilotventil nach Anspruch 1, zusätzlich gekennzeichnet durch Mittel zur Dämpfung der Bewegung des Mikroaktuators.
Verwendung von Mikro-Pilotventilen 1 nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Ansteuerung von pneumatisch gesteuerten Ventilen zur hydraulischen oder pneumatischen Steuerung von Fluiden oder Gasen sowie zur Freistrahl-Applikation von gasförmigen oder fließfähigen Stoffen.
Verwendung von Mikro-Pilotventilen 1 gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Arrays aus Mikro-Pilotventilen 1 zur Ansteuerung eines Arrays aus pneumatisch gesteuerten Ventilen zur hydraulischen oder pneumatischen Steuerung von Fluiden oder Gasen sowie zur Dosierung, Dispensierung oder Freistrahl-Applikation von gasförmigen oder fließfähigen Stoffen.