DE3873019T2

DE3873019T2 - Eine silikon-ventileinrichtung zur kontrolle des durchflusses.

Info

Publication number: DE3873019T2
Application number: DE8888308580T
Authority: DE
Inventors: Robert Clifford Gardner; Joseph Mario Giachino; William Frederick Horn
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1987-10-19
Filing date: 1988-09-16
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2008-09-17
Also published as: CA1298530C; DE3873019D1; EP0314286B1; US4768751A; EP0314286A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Siliziumventileinheit zur Durchflußregelung von Flüssigkeit.
Ein Artikel mit dem Titel "Fabrication of Novel Three- Dimensional Microstructures by the Anisotropic Etching of (100) and (110) Silicon" von E. Bassous, IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-25, Nr. 10, Oktober 1978, Seiten 1178-85, beschreibt die Anwendung des anisotropen Ätzens von Einkristallsilizium zur Herstellung von Tintenstrahldüsen, Lichtwellenleitern, elektrischen Mehrfachminiaturverbindungselementen und elektromechanischen Vorrichtungen.
Die U.S.-Patente 4,157,935 von Solyst und 4,455,192 von Tamai beschreiben Methoden zur Herstellung einer Tintenstrahldüsenanordnung durch chemisches Ätzen eines Siliziumwafers.
Ebenfalls bekannt ist die Herstellung konventioneller Flüssigkeitsdosierventile aus Metall, wie beispielsweise solche Ventile, bei denen entsprechend angepaßte Formstücke aus sehr präzise maschinell bearbeiteten Metallbauteilen zum Einsatz kommen. Typische Toleranzen für geläppte Teile liegen im Bereich von millionstel Zoll. Dies ist ein kompliziertes, arbeitsintensives, zeitaufwendiges Herstellverfahren, mit dessen Hilfe Bauteile erhalten werden, die teuer und hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit problematisch sind, wenn sich die inneren Toleranzen aufgrund von Verschleiß sowie durch den Kontakt mit Kraftstoff und Kraftstoffverunreinigungen verändern. Es wäre wünschenswert, Kraftstoffeinspritzvorrichtungen sowie andere Ventile mit einem wesentlich geringeren Aufwand an Zeit und Arbeit mit Hilfe eines wesentlich weniger komplizierten Herstellverfahrens fertigen zu können.
Dies bedeutet, daß bessere Toleranzen sowie eine Unempfindlichkeit gegenüber Kraftstoffverunreinigungen und eine verbesserte Zuverlässigkeit erwünscht sind.
Ebenfalls bekannt ist die Verwendung eines Siliziumventiles zur Durchflußregelung von Flüssigkeit, bei dem erste und zweite Siliziumelemente zum Einsatz kommen. Das erste Siliziumelement ist im allgemeinen planar und verfügt über eine Blende für das Durchströmen der Flüssigkeit. Das zweite Siliziumelement besitzt eine planare Siliziumoberfläche, die entsprechend der Blende ausgerichtet und im Verhältnis dazu bewegbar ist, um die Blende wahlweise öffnen und schließen und so den Durchfluß von Flüssigkeit durch die Blende regeln zu können. Ein derartiges Siliziumventil und eine Methode für dessen Herstellung sind weiterhin im U.S.-Patent 4,628,576 vom 16. Dezember 1986 sowie in EP-A-0,208,386 und U.S.-Patent 4,647,013 vom 03. März 1987 beschrieben.
Das U.S.-Patent 1,243,122 beschreibt ein Ventil, das zur Verdampfung eines Benzin/Luft-Gemisches bei Austritt des Gemisches aus dem Vergaser eines Motors verwendet wird. Fig. 1 des vorgenannten Patentes zeigt das Ventil mit den Lochplatten 10, 12, die so angeordnet sind, daß sie das Benzin/Luft-Gemisch aus dem Vergaser 6 aufnehmen können. Die Platten 10, 11 sind normalerweise gegeneinanderliegend angeordnet, wobei die Perforation in jeder Platte versetzt vorgesehen ist, um so jeglichen Durchfluß durch das Ventil zu blockieren. Wenn im Krümmer 5 ein Teilvakuum anliegt, löst sich die Platte 12 von der Festplatte 10 und bewirkt dadurch eine Verdampfung des Benzingemisches, wie aus Fig. 3 des vorstehenden Patentes ersichtlich. Der Einsatz von Silizium zur Fertigung eines Ventiles wird jedoch im vorstehend erwähnten Patent weder vorgestellt noch vorgeschlagen.
Das U.S.-Patent 4,538,642 beschreibt ein Ventil, das, wie aus Fig. 1 ersichtlich, ein elektrisch leitfähiges, plattenähnliches Element 4 umfaßt, das eine elektrisch isolierende Stirnfläche 6 und eine Anordnung von Öffnungen 7-11 aufweist. Ein zweites elektrisch leitfähiges, plattenähnliches Element 12 stößt an der Stirnfläche 6 an das erste Element 4, um so die Öffnungen 7-11 zu verschließen. Das zweite plattenähnliche Element 12 weist Öffnungen 16-13 auf, die nicht entsprechend den Öffnungen 7-11 ausgerichtet sind. Um das Ventil zu öffnen, wird der Schalter 28 geschlossen, so daß elektrischer Strom durch das Element 4, dann durch den Leiter 26 und anschließend 5 durch das Element 12 fließt, um so gegenüberliegende elektromagnetische Felder zu erzeugen, die die Plattenelemente 4, 6 anheben, wie aus Fig. 3 ersichtlich. Auch hier wird der Einsatz von Silizium zur Fertigung des Ventiles weder vorgestellt noch vorgeschlagen.
Der vorstehend beschriebene Stand der Technik hat gezeigt, daß sich eine präzise Durchflußregelung, die gasförmige, flüssige oder Vakuumzustände umfaßt, nur sehr schwer erreichen läßt. Die konventionelle Lösung mit dem Einsatz von Metallventilsystemen erfordert eine präzise maschinelle Bearbeitung sehr kleiner Bauteile. Die Abweichungen von Ventil zu Ventil lassen sich nur sehr schwer beherrschen, und das gesamte Verfahren ist sehr kostenaufwendig. Bei diesen Metallventilen, die normalerweise ein Metallgehäuse und einen Zapfen umfassen, kommt es aufgrund von sehr kleinen Fremdstoffen, die mit den Flüssigkeiten eingetragen werden, sehr leicht zu Verstopfungen. Andere Konstruktionen, die im Einsatz sind, umfassen das Spritzgießen eines Kunststoffventilsitzes, gegen den ein mit einer Gummiklappe versehener Kolben gedrückt wird, um so ein Verschließen zu bewirken. Diese Ventilausführung neigt aufgrund von Umweltbedingungen, wie beispielsweise sehr niedrige Temperaturen, zum Verkleben. Eine einfachere Betätigung und eine verbesserte Durchflußregelung bei Siliziumventilen wären ebenfalls wünschenswert. Dies sind einige der Probleme, die mit Hilfe der vorliegenden Erfindung überwunden werden.
Gemäß vorliegender Erfindung wird eine Siliziumventileinheit zur Durchflußregelung von Flüssigkeit vorgesehen, umfassend eine erste, im allgemeinen planare Siliziumventilplatte mit einer Strömungsblende für durchströmende Flüssigkeiten und einer Stellgliedöffnung, eine zweite, im allgemeinen planare Siliziumdüsenplatte mit einer planaren Siliziumoberfläche und in der Ebene der genannten Düsenplatte ausgebildeten Düsenblenden für in einem Sprühmuster durchströmende Flüssigkeit, wobei die genannte Düsenplatte und die genannte Ventilplatte in einer im allgemeinen parallelen und angrenzenden Position angeordnet sind, und wobei eine Stellgliedvorrichtung durch die genannte Stellgliedöffnung auf die genannte Düsenplatte einwirkt, um so die genannte Düsenplatte und die genannte Ventilplatte zu trennen, damit Flüssigkeit durch die genannte Ventileinheit strömen kann, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Düsenplatte und die genannte Ventilplatte nicht miteinander verbunden sind und die genannte Einheit dafür eine Federvorrichtung umfaßt, um damit die genannte Düsenplatte und die Ventilplatte gegeneinander zu drücken, um so die genannte Ventileinheit zur Verhinderung eines Flüssigkeitsdurchflusses abzudichten, wobei die genannte Stellgliedvorrichtung ebenfalls auf die genannte Federvorrichtung einwirkt, um die genannte Düsenplatte und die genannte Ventilplatte zu trennen.
Die Ventilplatte und die Düsenplatte sind gegeneinander nicht abgedichtet, und der Betrieb des Ventiles hängt nicht von der Elastizität des Siliziums ab. Dies bedeutet, daß die Düsenplatte und die Ventilplatte voneinander getrennt sind, um so Flüssigkeit durchströmen zu lassen, und daß sie zusammengebracht werden, um ein Durchströmen von Flüssigkeit zu unterbinden.
Die Federvorrichtung verringert die Kraft, die das Stellglied erzeugen muß, um das Ventil zu öffnen, im Vergleich zu der Kraft, die benötigt wird zum Biegen einer Siliziumplatte. Die Ventilplatte kann mit Hilfe eines gleichzeitigen doppelseitigen Ätzverfahrens hergestellt werden.
Die Erfindung wird nunmehr beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben; es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht einer Ventilplatte einer Ventileinheit entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Seitenansicht der Ventilplatte aus Fig. 1;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie 3-3 in Fig. 1;
Fig. 4 eine Schnittdarstellung entlang der Linie 4-4 in Fig. 1;
Fig. 5 eine Draufsicht einer Düsenplatte einer Ventileinheit entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine Schnittdarstellung entlang der Linie 6-6 in Fig. 5;
Fig. 7 eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Darstellung der Ventilplatteneinheit aus Fig. 1 und der Düsenplatte aus Fig. 5;
Fig. 8 eine Draufsicht einer Ventilplatte entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 eine Seitenansicht der Ventilplatte aus Fig. 8;
Fig. 12 eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Darstellung einer Ventileinheit mit der Düsenplatte aus Fig. 5 und der Ventilplatte aus Fig. 8 entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13 eine Seitenschnittansicht einer Ventileinheit in Kombination mit einer Ventilunterlegscheibe und einem Stellglied in einer geschlossenen Position; und
Fig. 14 die Ventilkombination aus Fig. 13 in einer geöffneten Position zeigt.
Eine Draufsicht einer Ventilplatte 20 umfaßt, unter Bezugnahme auf die Fig. 1-4, vier Strömungsblenden 21, eine zentrale Stellgliedöffnung 22, vier Erhebungen 23, die um die zentrale Öffnung 22 herum angeordnet sind, sowie vier eingekerbte Ecken 24.
Eine Düsenplatte 50 umfaßt, unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6, vier Öffnungen 51 für durchströmende Flüssigkeit, die entsprechend den Erhebungen 23 der Ventilplatte 20 ausgerichtet sind. Fig. 7 zeigt die Ventileinheit 30 mit der Ventilplatte 20 und der Düsenplatte 50.
Die eingekerbten Ecken 24 der Ventilplatte 20 tragen in vorteilhafter Weise dazu bei, die Oberfläche des Ventiles zu vergrößern. Wenn die Ventilplatte 20 in eine kreisförmige Öffnung eingepaßt ist, kann eine vorteilhaft große Abdeckung der Öffnung durch Entfernen der Ecken der Ventilplatte 20 erzielt werden.
Eine Ventilplatte 80 umfaßt, unter Bezugnahme auf die Fig. 8-11, die Herstellung mittels doppelseitigem Ätzen und weist Strömungsöffnungen 81 auf, die in der Nähe der vier Ecken der Ventilplatte 80 und um eine zentrale Öffnung 83 herum angeordnet sind. Doppelseitiges Ätzen wird eingesetzt, um die Ecken 82 von der Ventilplatte 80 zu entfernen. Eine zentrale Öffnung 83 ist von Erhebungen 84 umgeben, die zwischen den angrenzenden Strömungsöffnungen 81 vorgesehen sind. Das doppelseitige Ätzen der Ventilplatte 80 ist aus der Seitenansicht Fig. 9 ersichtlich. Die Ventilplatte 80 umfaßt ebenfalls eine Umfangswand 85 sowie eine zwischen der Umfangswand 85 und den Erhebungen 84 angeordnete Membrane 86.
Die Ventilplatte 80 kann mit einer beliebigen Anzahl von Düsenplatten, wie der in den Fig. 5 und 12 dargestellten Düsenplatte 50, kombiniert werden. Die Fig. 13 und 14 zeigen den Einsatz einer Ventilunterlegscheibe 100, die die Ventilplatte 80 gegen die Düsenplatte 50 drückt und von einem Stellglied 101 abgehoben wird, um so für einen Abstand der Düsenplatte 50 von der Ventilplatte 80 zu sorgen und ein Durchströmen von Flüssigkeit durch die Öffnungen in der Düsenplatte 50 zu ermöglichen. Bei der Ventilunterlegscheibe 100 kann es sich um eine Tellerfeder oder auch um eine aus elastomerem Material geformte Unterlegscheibe handeln.

Claims

1. Siliziumventileinheit zur Durchflußregelung von Flüssigkeit, umfassend eine erste, im allgemeinen planare Siliziumventilplatte (20, 80) mit einer Strömungsblende (21, 81) für durchströmende Flüssigkeiten und einer Stellgliedöffnung (22, 83), eine zweite, im allgemeinen planare Siliziumdüsenplatte (50) mit einer planaren Siliziumoberfläche und in der Ebene der genannten Düsenplatte ausgebildeten Düsenblenden (51) für in einem Sprühmuster durchströmende Flüssigkeit, wobei die genannte Düsenplatte (50) und die genannte Ventilplatte (20, 80) in einer im allgemeinen parallelen und angrenzenden Position angeordnet sind, und wobei eine Stellgliedvorrichtung (10) durch die genannte Stellgliedöffnung (22, 83) auf die genannte Düsenplatte (50) einwirkt, um so die genannte Düsenplatte (50) und die genannte Ventilplatte (20, 80) zu trennen, damit Flüssigkeit durch die genannte Ventileinheit strömen kann, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Düsenplatte (50) und die genannte Ventilplatte (20, 80) nicht miteinander verbunden sind und die genannte Einheit dafür eine Federvorrichtung (100) umfaßt, um damit die genannte Düsenplatte (50) und die Ventilplatte (20, 80) gegeneinander zu drücken, um so die genannte Ventileinheit zur Verhinderung eines Flüssigkeitsdurchflusses abzudichten, wobei die genannte Stellgliedvorrichtung (10) ebenfalls auf die genannte Federvorrichtung (100) einwirkt, um die genannte Düsenplatte (50) und die genannte Ventilplatte (20, 80) zu trennen.

2. Siliziumventileinheit nach Anspruch 1, wobei die Seitenwände der genannten Ventilplatte (20, 80) zwei durch doppelseitiges Ätzen ausgebildete Winkelebenen aufweisen.

3. Siliziumventileinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei der genannten Ventilplatte (20, 80) um eine im allgemeinen rechtwinklige Platte mit äußeren Ecken handelt, denen ein vierseitiger Abschnitt entnommen worden ist, um so auf der genannten Ventilplatte insgesamt acht außenliegende Ecken auszubilden.

4. Siliziumventileinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei es sich bei der genannten Federvorrichtung (100) um eine Tellerfeder handelt.

5. Siliziumventileinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die genannte Federvorrichtung (100) aus einem elastomeren Material besteht.