DE10249936A1 - Ventilanordnung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung mit einem oder mehreren Ventilen (2V, 3V, 4V), in denen jeweils eine Kugel (2K, 3K und 4K) zum Verschließen des jeweiligen Ventilsitzes (2S, 3S und 4S) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist im Bereich eines jeden Ventils (2V, 3V, 4V) wenigstens ein Permanentmagnet (9, 10) angeordnet. Der Permanentmagnet (9, 10) presst die Kugel (2K, 3K und 4K) in Abhängigkeit von seiner Position entweder gegen den Ventilsitz (2S, 3S und 4S) oder hält die Kugel (2K, 3K und 4K) in einem vorgebbaren Abstand vom Ventilsitz (2K, 3K und 4K) entfernt. Alle Kugeln (2K, 3K und 4K) sind hierfür aus einem ferromagnetischen Werkstoff gefertigt.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Ventilanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Eine solche Ventilanordnung finden in der Mikrosystemtechnik eine Anwendung, wo sie zum Öffnen und Schließen von Kanälen in Mikrosystemen genutzt wird, durch die Gase oder Flüssigkeiten geleitet werden. Das Öffnen oder Schließen von Kanälen übernehmen dabei die einzelnen Ventile.
- Es ist bereits ein Mikroventil bekannt, bei dem das Schließen des Ventils mittels Strömung und Differenzdruck erfolgt, wodurch eine Kugel auf den kreisförmigen Ventilsitz gedrückt und mit Hilfe eines Elektromagneten gehalten wird. Sind die beiden Bedingungen Strömung und/oder Differenzdruck nicht gegeben, so stellt sich ein nicht definierter Zustand der Kugel ein. Ein sicheres Schließen des Ventils wird dann nicht mehr gewährleistet. Der Elektromagnet, der die Kugel auf dem Ventilsitz hält, muss dabei ständig an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen sein, so dass hierdurch viel Energie verbraucht wird. Sind in einem solchem Mikrosystem eine Vielzahl von Ventilen integriert, so ist eine entsprechende Anzahl von Elektromagneten erforderlich. Für diese wird viel Platz benötigt, wodurch die Einrichtung unnötig vergrößert wird.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung aufzuzeigen, die geringere bauliche Abmessungen aufweist, kostengünstig hergestellt und Energie sparend betrieben werden kann.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Jedes Ventil der erfindungsgemäßen Ventilanordnung wird mit Hilfe einer Kugel verschlossen, die aus einem ferromagnetischen Werkstoff gefertigt ist. Zum Öffnen und Schließen der Ventile sind Permanentmagnete vorgesehen. Die Permanentmagnete sind außerhalb der Ventile beweglich installiert. Zum Öffnen eines Ventils wird ein Permanentmagnet über dem Ventilsitz angeordnet. Mit seiner Hilfe wird die Kugel in einem definierten Abstand über dem Ventilsitz gehalten. Zum Schließen des Ventils wird der zu letzt genannte Permanentmagnet entfernt, und ein zweiter Permanentmagnet unterhalb des Ventilsitzes angeordnet. Unter seiner Einwirkung wird die Kugel auf den Ventilsitz gepresst. Da immer nur ein Permanentmagnet entweder zum Öffnen oder Schließen eines Ventils erforderlich ist, kann der gerade nicht benötigte Permanentmagnet zum Öffnen bzw. zum Schießen eines weiteren Ventils verwendet werden. Hierfür ist es besonders vorteilhaft, dass die Permanentmagnete beweglich installiert sind.
- Die Ventile werden durch Ausnehmungen in einer ersten Platte gebildet. Diese Platte ist aus einem nicht magnetischen Material gefertigt. Jede Ausnehmung ist in eine Leitung für ein strömendes Medium integriert, die in einer Ebene innerhalb dieser Platte geführt ist. Innerhalb einer jeden Ausnehmung ist eine Kugel zum Verschließen des Ventils angeordnet. Die Abmessungen der Kugeln sind so groß gewählt, dass die Öffnungen der Ventile bzw. die Ventilsitze damit fest verschließbar sind. Erfindungsgemäß können mehrere solche Ventile in einem definierten Abstand voneinander in einer solchen Platte angeordnet werden. Die Öffnungen der Ventile sind alle nach der gleichen Seite ausgerichtet. Alle Ventile werden durch eine gemeinsame zweite Platte verschlossen, die ebenfalls aus einem nicht magnetischen Material gefertigt ist. Für die Halterung der Permanentmagnete sind Träger vorgesehen, die beispielsweise als quaderförmige Bauelemente ausgebildet sind. Einer dieser Träger ist auf der Außenfläche der zweiten Platte angeordnet, welche die Ventile verschließt, während ein zweiter Träger auf der Außenfläche der ersten Platte angeordnet ist, innerhalb deren die Ventile ausgebildet sind. Jeder der beiden Träger kann für sich alleine oder zusammen mit dem zweiten Träger parallel zu den Längsachsen der beiden Platten bewegt werden. Jeder Träger ist auf der nach außen weisenden Fläche mit Ausnehmungen versehen. In jeder Ausnehmung kann ein Permanentmagnet angeordnet werden. Durch ein ge zieltes Verschieben der beiden Träger können definierte Ventile geöffnet und/oder geschlossen. Als Träger für die Permanentmagnete können auch runde Scheiben verwendet werden. Diese sind so installiert, dass sie in Ebenen gedreht werden können, die parallel zu den Längsachsen der Platten ausgerichtet sind. Die Träger sind in Abhängigkeit von ihrer Bewegung mit einem Linearantrieb oder einem Schrittmotor verbunden.
- Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
- Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 eine Ventilanordnung, -
2 die Ventilanordnung gemäß1 mit eine anderen Anordnung der Permanentmagnete, -
3 ein Antrieb für die Träger der Permanentmagnete, -
4 scheibenförmige Träger für die Permanentmagnete. -
1 zeigt eine Ventilanordnung1 mit drei Ventilen2V ,3V und4V . Die Ventile2V ,3V und4V sind in definiertem Abstand voneinander in einer Platte5 angeordnet. Sie werden durch Ausnehmungen gebildet. Diese sind in einem definierten Abstand voneinander mit vorgegebenen Abmessungen in die Oberfläche der Platte5 geätzt. Die Platte5 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus Silizium oder Glas gefertigt. Die Ausnehmungen werden mit einem zylinderförmigen oder trapezförmigen Querschnitt versehen, wie hier dargestellt. Die Ventilsitze bzw. Öffnungen2S ,3S und4S der Ventile2V ,3V und4V sind kreisförmig ausgebildet. Jedes Ventil2V ,3V ,4V ist in eine Lei tung2L integriert, die in einer Ebene der Platte5 geführt ist. In jedem Ventil2V ,3V und4V ist eine Kugel2K ,3K ,4K vorgesehen, die aus einem ferromagnetischen Werkstoff gefertigt ist. Die Größe der Kugeln2K ,3K und4K ist so gewählt, das die Ventilsitze2S ,3S und4S fest verschlossen sind, wenn die Kugeln2K ,3K und4K dagegen gepresst werden. Die Ventile2V ,3V und4V werden mittels einer zweiten Platte6 verschlossen, die aus dem gleichen Werkstoff wie die Platte5 gefertigt ist. Die beiden Platten5 und6 werden nach dem Fertigstellen der Ventile2V ,3V und4V aufeinander gelegt und gasdicht miteinander verbunden. Die den Ventilen2V ,3V und4V zugewandte Fläche der Platte6 ist im Bereich der Ventile2 ,3 und4 gegebenenfalls auch mit Ausnehmungen versehen, so dass sich die Ventile2V ,3V und4V bis in die Platte6 erstrecken. - Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die beiden Platten
5 und6 einen 0,5 bis 1,5 mm dicken Si-Glas-Verbund. Die hierin ausgebildeten Ventile2V ,3V ,4V haben einen Durchmesser von 200 μm. Die Platten5 und6 können auch einen 0,5 bis 3 mm dicken Keramik-Kunststoff-Verbund oder einen Kunststoff-Glas-Verbund bilden, innerhalb dessen die Ventile2V ,3V ,4V mit einem Durchmesser von 100 bis 400 μm ausgebildet sind. Die Kugeln2K ,3K und4K sind alle gleich groß, und haben einen Durchmesser zwischen 100 μm und 500 μm. Sie sind aus einem ferromagnetischen Edelstahl gefertigt. Die erfindungsgemäße Ventilanordnung1 beschränkt sich nicht nur auf diese Materialen und Abmessungen. Vielmehr können auch andere Abmessungen gewählt und alle Materialen verwendet werden, welche die oben beschriebenen Eigenschaften aufweisen. - Auf der Außenfläche der Platte
5 sowie auf Außenfläche des Platte6 ist jeweils ein Träger7 ,8 unmittelbar angeordnet. Die Träger7 und8 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als quaderförmige Bauelemente ausgebildet, die aus einem nicht magnetischen Material in Form von Kunststoff, Edelstahl, Glas oder Keramik gefertigt sind. Die Träger7 und8 sind beweglich gehaltert, derart, dass sie parallel zu den Längsachsen der Platten5 und6 verschoben werden können. Hierfür werden sie mit einem Antrieb (hier nicht dargestellt) verbunden. Die Träger7 und8 sind an definierten Stellen mit nach außen offenen Ausnehmungen7A ,8A versehen. Wie1 zu ent nehmen ist, weisen die Träger7 und8 jeweils vier Ausnehmungen7A ,8A auf, die alle den gleichen Abstand voneinander aufweisen. - Die Abstände der Ausnehmungen
7A und8A sind an die Abstände der Ventile2V ,3V ,4V angepasst. Sind die ersten Enden5E und6E der beiden Platten5 und6 sowie die ersten Enden7E und8E der beiden Träger7 und8 wie in1 dargestellt, in einer Ebene senkrecht zu den Längsachsen der Platten5 und6 angeordnet, so ist unterhalb bzw. oberhalb der Ventile2V ,3V ,4V jeweils eine Ausnehmung7A ,8A angeordnet. Die Ausnehmungen7A oberhalb der Ventile2V und3V sind mit jeweils einem Permanentmagneten9 bestückt, während die Ausnehmung7A über dem Ventil4V leer ist. Die vierte Ausnehmung7A , die sich außerhalb der Ventile2V ,3V ,4V befindet, ist ebenfalls mit einem Permanentmagneten9 versehen. Auf der Unterseite der Ventile2V ,3V ,4V ist lediglich in der Ausnehmung8A , die sich unter dem Ventil4V befindet, ein Permanentmagnet10 angeordnet. Wie1 desweiteren zu entnehmen ist, wird die Kugel4K , die in dem Ventil4V angeordnet ist, von dem Permanentmagnet10 angezogen und gegen den Ventilsitz4S gepresst. Die Kugeln2K ,3K in den Ventilen2V ,3V werden von den Permanentmagneten9 angezogen, wodurch die Ventile2V und3V offen gehalten werden. - Die in
2 dargestellte Ventilanordnung unterscheidet sich von der Ventilanordnung1 gemäß1 lediglich dadurch, dass hier die beiden Ventile2V und4V geöffnet und das Ventil3V geschlossen ist. Gleich Bauteile sind deshalb mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Schließen des Ventils3V bzw. das Öffnen des Ventils4V wird dadurch erreicht, dass die beiden Träger7 und8 aus der Sicht des hier dargestellten Ausführungsbeispiels vollständig nach links verschoben sind. Durch die Permanentmagnete10 über den Ventilen2V und4V werden die Kugeln2K von den Ventilsitzen2S und4S ferngehalten. Beim Ventil3V ist dagegen nur auf der Unterseite ein Permanentmagnet10 angeordnet, der die Kugel3K gegen den Ventilsitz3S presst. - In
3 ist ein Antrieb15 dargestellt. Mit seiner Hilfe können die beiden Träger7 und8 parallel zu den Platten5 ,6 bewegt werden. Der Antrieb15 besteht aus zwei Mag netspulen16 und17 , die mechanisch so in einer Reihe angeordnet sind, dass ein Kern18 aus einem ferromagnetischen Material, im Innern der beiden Magnetspulen16 und17 von der einen Magnetspule16 zur anderen Magnetspule17 bewegt werden kann und umgekehrt. Elektrisch werden die beiden Magnetspulen getrennt angesteuert. Wird ein kurzer Stromimpuls auf die Magnetspule16 gegeben, so wird der Kern18 in die Magnetspule16 gezogen. Nach dem Abschalten des Stroms verbleibt der Kern18 innerhalb der Magnetspule16 . Erst wenn ein Stromimpuls auf die Magnetspule17 geben wird, wird der Kern18 dort hinein gezogen. Werden die ersten Enden7B ,8B der beiden Träger7 und8 über eine Zugstange19 mit dem Kern18 verbunden, so können sie zum Öffnen und Schließen der Ventile2V ,3V ,4V in der oben beschriebenen Weise bewegt werden. Selbstverständlich kann auch jeder Träger7 ,8 für sich mit je einem Antrieb15 verbunden werden. Damit ist es möglich, beide Träger7 ,8 getrennt voneinander zu bewegen. - Wie
4 zu entnehmen ist, können die Träger7 und8 für die Permanentmagnete9 und10 auch als drehbare, runde Scheiben ausgebildet werden. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur eine der beiden Scheiben7 ,8 im Detail dargestellt. Die Dicke der Scheiben7 ,8 ist so groß bemessen, dass sie ebenso wie die quaderförmigen Bauelemente7 ,8 für die Aufnahme von Permanentmagneten geeignet sind. Wie4 zeigt, erfolgt die Anordnung der Ausnehmungen7A für die Permanentmagnete9 bei den Scheiben7 ,8 in radialer Richtung. Der Abstand zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Ausnehmungen7A richtet sich nach den Abständen zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Ventilen2V ,3V ,4V . Damit auch bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel die Ventile2V und4V offen gehalten werden, während das Ventil3V schlossen ist, ist in den Ausnehmungen7A , die über den Ventilen2V ,4V angeordnet sind, jeweils ein Permanentmagnet9 angeordnet, während nur in einer Ausnehmung der zweiten Scheibe8 , die sich auf der Unterseite des Ventils4V befindet, ein Permanentmagnet (hier nicht dargestellt) angeordnet ist. - Um das Ventil
4V zu schließen, werden die beiden Scheiben7 ,8 um 90° gegen den Uhrzeiger gedreht. Hierdurch werden die Permanentmagnete in der gleichen Weise wie in3 dargestellt und in der zugehörigen Beschreibung erläutert über bzw. unter den Ventilen2V ,3V ,4V angeordnet. Damit werden die beiden Ventile2V und3V offen gehalten, während das Ventil4V geschlossen wird. Als Antrieb für die beiden Scheiben7 ,8 kann ein Schrittschaltwerk in Form eines Schrittmotors (hier nicht dargestellt) verwendet werden. - Bei allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen können die Permanentmagnete
9 und10 auch gleichzeitig dazu benutzt werden, die augenblicklichen Positionen der Permanentmagnete9 und10 anzuzeigen. Mit Hilfe eines Reed-Kontakts oder eines Hall-Schaltkreises (hier nicht dargestellt), der sich beispielsweise in einer festen Position innerhalb der Platte5 ,6 befindet, ist eine solche Erfassung möglich. - Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr umfasst sie alle Variationen der Anordnung, die dem Kern der Erfindung zugeordnet werden können.
Claims (7)
- Ventilanordnung mit wenigstens einem Ventil (
2V ,3V ,4V ), das mit einer Kugel (2K ,3K und4K ) verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines jeden Ventils (2V ,3V ,4V ) wenigstens ein Permanentmagnet (2M ) angeordnet ist, der die innerhalb des Ventils (2V ,3V ,4V ) angeordnete Kugel (2K ,3K und4K ) gegen den Ventilsitz (2S ,3S und4S ) presst oder in einem vorgebbaren Abstand davon hält. - Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (
2K ,3K und4K ) aus einem ferromagnetischen Werkstoff gefertigt ist, und zwei oder mehrere Ventile (2V ,3V ,4V ) vorgesehen sind, die durch zylinderförmige Ausnehmungen in der Oberfläche einer ersten Platte (5 ) gebildet sind, die nach außen durch eine zweite Platte (6 ) verschlossen sind, dass jedes Ventil (2V ,3V ,4V ) in jeweils eine Leitung (2L ) für strömende Medien integriert ist, die innerhalb der ersten Platte (5 ) in einer parallelen Ebene dazu geführt ist, und dass die beiden Platten (5 ,6 ) aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff gefertigt sind. - Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Platte (
6 ) zur Vergrößerung einer jeden Ausnehmung (7A ) der ersten Platte (5 ) an den gleichen Stellen ebenfalls mit je einer Ausnehmung (8A ) versehen ist, die zu den Ausnehmungen (7A ) hin offen sind, dass die beiden Platten (5 und6 ) gasdicht miteinander verbunden sind, und dass auf der Unterseite der ersten Platte (5 ) und auf der Oberseite der zweiten Platte (6 ) jeweils ein Träger (7 ,8 ) aus einem nicht magnetischen Werkstoff für Permanentmagnete (9 ,10 ) angeordnet ist. - Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Träger (
7 ,8 ) als quaderförmiges Bauelement ausgebildet und mit Ausnehmungen (7A ,8A ) versehen ist, die senkrecht zur Längsachse des Trägers (7 ,8 ) ausgerichtet und deren Abstände so bemessen sind, dass oberhalb und unterhalb einen jeden Ventils (2V ,3V ,4V ) jeweils eine Ausnehmung (7A ,8A ) vorgesehen ist. - Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in drei Ausnehmungen (
7A ) des Trägers (7 ) jeweils ein Permanentmagnet (9 ) und in einer Ausnehmung (8A ) des Trägers (8 ) ein Permanentmagnet (10 ) angeordnet ist. - Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (
7 ,8 ) als runde, drehbare Scheiben ausgebildet und mit Ausnehmungen (7A ,8A ) für die Aufnahme von Permanentmagneten (9 ,10 ) versehen sind, die radial ausgerichtet und deren Abstände so bemessen sind, dass oberhalb und unterhalb eines jeden Ventils (2V ,3V ,4V ) jeweils eine Ausnehmung (7A ,8A ) vorgesehen ist. - Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die quaderförmigen Bauelementen (
7 ,8 ) mit einem Linearantrieb und die drehbaren Scheiben (7 ,8 ) mit einem Schrittmotor in Verbindung stehen.
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