EP0916028A1 - Ventilanordnung - Google Patents

Ventilanordnung

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Publication number
EP0916028A1
EP0916028A1 EP97938868A EP97938868A EP0916028A1 EP 0916028 A1 EP0916028 A1 EP 0916028A1 EP 97938868 A EP97938868 A EP 97938868A EP 97938868 A EP97938868 A EP 97938868A EP 0916028 A1 EP0916028 A1 EP 0916028A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wafer
valve arrangement
flaps
arrangement according
openings
Prior art date
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Granted
Application number
EP97938868A
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English (en)
French (fr)
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EP0916028B1 (de
Inventor
Heinz-Werner Etzkorn
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Gaswarme-Institut Ev
Original Assignee
Gaswarme-Institut Ev
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Filing date
Publication date
Application filed by Gaswarme-Institut Ev filed Critical Gaswarme-Institut Ev
Publication of EP0916028A1 publication Critical patent/EP0916028A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0916028B1 publication Critical patent/EP0916028B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15C—FLUID-CIRCUIT ELEMENTS PREDOMINANTLY USED FOR COMPUTING OR CONTROL PURPOSES
    • F15C5/00—Manufacture of fluid circuit elements; Manufacture of assemblages of such elements integrated circuits

Definitions

  • the invention relates to a valve arrangement for pressure and flow control of a fluid.
  • the preferred field of application of the invention is
  • valve arrangements of this type have a housing which contains a large number of individual parts, namely springs, membranes, valve elements and, if appropriate, further closure devices which may be driven by additional magnetic coils or the like.
  • the housing which is usually made of metal, is also penetrated by a large number of bores and channels of different diameters, some of which can be very fine bores.
  • the mechanical manufacture of such valve assemblies is very complex and accordingly expensive.
  • the energy content of the gas present under the supply pressure of generally 20-25 mbar is used to carry out the control in order to act on the diaphragm and return springs.
  • the usual valve arrangements therefore work with a corresponding pressure loss, which can easily amount to approximately 30%.
  • the invention has for its object to provide a structurally simple valve arrangement that works with very little pressure loss and allows dynamic control over a wide performance range.
  • valve arrangement of the type mentioned at the outset is characterized according to the invention in that
  • first silicon wafer with a plurality of etched through openings and a second silicon wafer with at least one etched through frame opening are provided, the frame opening being a multiple has a number of flaps produced by etching, which are connected in one piece to the second wafer via membrane-like webs,
  • each flap of the second wafer is assigned at least one of the through openings of the first wafer
  • control means which selectively effect the opening and closing movements of the flaps as a function of a control device.
  • This valve arrangement is extremely simple in construction and, in comparison with conventional "three-dimensional" valve arrangements, can certainly be referred to as "two-dimensional". They essentially consist of the two silicon wafers, which are subjected to a conventional anisotropic or isotropic etching process. This creates the through openings in the first wafer and the flaps in the second wafer, around which the fluid flows in their open position in which they expose the through openings. An extensive housing can be omitted. Rather, the arrangement can be installed directly in a supply line. Accordingly, there are very small sizes, which can also be used in small devices, for example in water heaters, grain brewing devices, heaters for small residential units and the like.
  • the power-dependent flow is controlled by selectively opening certain flaps of the second wafer and keeping others selectively closed. It was found that a modulating control is possible in this way, which ranges from a few percent to 100% covers. With conventional valve arrangements, the dynamic range has hitherto extended from approximately 60% to 100%.
  • Different numbers and / or sizes of through openings of the first wafer are preferably assigned to the individual flaps of the second wafer. This allows a maximum range of variation to be achieved.
  • the control ensures that the flow cross-section required in each case is made available by selecting certain numbers and / or sizes of through openings.
  • This advantage combined with the small size and the inexpensive manufacture, offers the possibility of providing a separate valve arrangement for each injector or burner segment. This enables modulating control to be achieved with optimum accuracy over a maximum range.
  • modules of passage openings and associated flaps can be controlled separately from one another in a modulating manner, so that one and the same wafer arrangement supplies several injectors or burners independently of one another.
  • the through-openings of the first wafer are tapered in the flow direction and that the associated flaps of the second wafer are provided in one piece with complementary locking projections.
  • This offers an additional control option in such a way that the passage cross section of the first wafer can be changed.
  • the etching of the tapered through openings and the complementary locking projections presents no difficulties, since the etching process can follow the crystal orientation of the silicon.
  • the flap thickness is greatly reduced compared to the thickness of the wafer.
  • the pretensioning of the membrane-like webs is particularly useful.
  • a pretension to increase the sealing effect can also be advantageous if the flaps of the second wafer rest on the surface of the first wafer anyway.
  • the two wafers are aligned exactly with one another and connected to one another by suitable adjustment, assembly and bonding techniques, if appropriate with the interposition of sealing materials.
  • the valve arrangement makes consistent use of micromachining technology.
  • the structure is filigree, and the passage cross-sections are extremely fine - with all possible variations. When used on gaseous media, in particular on fuel gases, this results in the requirement to work with gases that are as dust-free as possible. Since this is not always possible, it is proposed in a development of the invention that the second wafer has a third silicon wafer etched as a dust sieve on its side facing away from the first wafer.
  • the sieve openings can be very fine and still ensure the required passage cross section due to their large number. she offer effective protection for the downstream flaps and through-openings, the additional structural and cost-related expenditure being extremely low, since here too, the advantageous technology of micromachining is used consistently.
  • the control means are preferably provided for selectively effecting the opening and closing movements of the flaps between the first and second wafers and / or between the second and third wafers. If a third wafer is used, there is the possibility of switching between to support the first and the second wafer effective control means or to replace them entirely.
  • the control means for actuating the flaps can be of different types, always taking into account the fact that work is carried out in the field of micromechanics.
  • a thermally controlled bimetal actuation of the flaps is conceivable, for example.
  • electrical control is simpler, for example using the piezoelectric effect.
  • the control means exert capacitive or magnetic field-induced repulsive or attractive forces on the flaps. To do this, it is only necessary to provide the flaps and the adjacent wafer or wafers with opposite electrical conductors and to polarize them accordingly.
  • the arrangement is preferably such that the flaps assume their closed position when the electrical control means are de-energized. In the event of a power failure, the supply pressure, possibly supported by the pretensioning of the flap webs, automatically closes the entire valve arrangement.
  • At least one of the wafers can be provided with a coating of thermally expandable material in the region of the openings. If the valve arrangement overheats, the material of the coating swells and leads to an automatic sealing. block the openings. A separate thermal safety shut-off valve can therefore be omitted.
  • the material can cover the inner walls of the through openings of the first wafer. It can also be arranged around the through openings on one or both sides of the first wafer. Attachment to the sealing surfaces of the flaps is also an option. From a manufacturing point of view, the last two options mentioned are likely to be cheaper than coating the inner walls of the through openings. If the third wafer forming a dust sieve is used, it is particularly advantageous to coat it with the expandable material on one and / or the other side. The individual measures can also be combined with one another.
  • valve arrangement in a further development of the invention meets this requirement in that pressure load cells are etched into the first wafer, each of which is closed on the pressure side by a membrane which is integrally connected to the wafer.
  • a capillary channel is etched into the first wafer and covered except for an inflow-side inlet opening and an outflow-side outlet opening,
  • the capillary channel must have a predetermined length and is therefore meandered in the first wafer.
  • the inlet opening on the upstream side is closed and the outlet opening on the downstream side is opened.
  • the capillary channel In the capillary channel the atmospheric pressure.
  • the outflow-side outlet opening is closed and the upstream-side inlet opening is opened.
  • the gas now flows through the capillary channel at a speed that depends not only on the geometric conditions but also on the viscosity of the gas. The latter in turn is a measure of the upcoming gas quality. Since the gas quality can be recorded and included in the control system before each burner start, there is a further increase in the control quality.
  • the pressure sensor of the capillary channel as an etched pressure load cell, which is closed by a membrane which is connected in one piece to the first wafer.
  • Fig. L shows a section through a built-in valve assembly consisting of three wafers
  • Design features of the individual wafers are omitted; 2 shows a plan view of one of the wafers; 3 shows a detail from FIG. 2 in a modified embodiment;
  • FIG. 4 is a top view of another of the wafers; 5 shows a partial section through the valve arrangement; 6 shows a modified embodiment in a representation corresponding to FIG. 5. ⁇
  • a valve arrangement 1 consists of three wafers, namely a first wafer 2, a second wafer 3 and a third wafer 4.
  • the valve arrangement is installed in a fuel gas line 5, which in the present case leads to an injector burner .
  • the valve arrangement 1 allows a flow in the direction indicated by arrows.
  • the wafers 2 to 4 consist of silicon, their shape being produced by conventional etching.
  • the first wafer 2 has a plurality of through openings 6, which can be selectively opened and closed in a manner to be described in order to control the pressure and flow of the gas as a function of a control device, not shown.
  • the through openings 6 are shown as smooth openings of the same size, with a circular cross section. Their number is adapted to the respective circumstances.
  • Fig. 3 shows a modified embodiment in which the through opening 6 has a square cross section and is also tapered in the direction of flow. Smooth through openings with a square or rectangular cross-section are equally possible. It should also be noted that the through openings 6 can also be of different sizes.
  • FIG. 4 shows the second wafer 3, via which the opening and closing of the through openings 6 is effected.
  • Flaps 7, which have been produced by etching the second wafer 3, are provided as closing elements.
  • a frame opening 8 has formed in the second wafer 3, into which the flaps 7 protrude.
  • Each flap 7 is connected to the body of the wafer 3 via a membrane-like web 9.
  • the membrane-like webs 9 allow selective movement of the flaps 7.
  • Fig. 4 shows a section through the valve arrangement at the location of one of the flaps 7. It follows that the wafers 2 and 3 lie on one another, the flap 7 of the second wafer 3 closing the associated through-opening 6 of the first wafer 2. Electrical control means 10 open the flap 7.
  • the control means 10 are two conductor surfaces, one of which is assigned to the first wafer 2 and the other to the flap 7.
  • a corresponding polarity causes a capacitive repulsive force which brings the flap 7 into the open position while elastically deforming its web 9.
  • the flap 7 closes, the supply pressure of the fuel gas causing an additional closing force.
  • the arrangement works with very little pressure loss.
  • the third wafer 4 is provided with etched-in sieve openings 11 and thus forms an upstream dust sieve: which protects the downstream valve system against contamination. If the fuel gas is sufficiently dust-free, the third wafer 4 can also be dispensed with.
  • the third wafer 4 also fulfills an additional function in that it supports the opening movement of the flap 7.
  • a further set of control means 10 is provided, which are assigned to the third wafer 4 on the one hand and the flap 7 on the other hand.
  • the polarity is such that a capacitive attraction is brought about.
  • the action of force ceases as soon as the control means are switched off.
  • FIG. 5 shows that the through opening 6 is provided with a coating 12.
  • the latter consists of a thermally expandable material, especially a plastic, and serves as a thermal fuse. As soon as the temperature of the valve arrangement rises above a certain value, for example 650 ° C., the coating 12 expands and automatically closes the passage opening 6.
  • the arrangement of the coating 12 on the inner wall of the passage opening 6 was chosen as an example that can be represented in the drawing. For manufacturing reasons, it may be more advantageous to apply the coating in the area of the passage opening 6 on one and / or other surface of the wafer 2 or else on the sealing surface of the flap 7. A particularly simple possibility is to coat the third wafer 4 on one and / or the other side. A combination of the individual measures is also possible.
  • the through opening 6 is tapered conically in the flow direction.
  • the flap 7 is provided with a complementary locking projection 13. This offers the possibility of changing the cross section of the through opening 6 and thereby further increasing the variability of the dynamic control.
  • the silicon of the second wafer 3 is doped at the location of the web 9 in such a way that the flap 7 is preloaded accordingly.
  • the capillary channel 14 has an inflow-side inlet opening 15 and an outflow-side outlet opening 16, these openings being closable by flaps 7, see FIG
  • the inlet opening 15 can be subjected to the supply pressure, while the outlet opening 16 can be connected to the atmosphere.
  • the outlet opening 16 forms a pressure cell, which is provided with a membrane. The latter is formed by etching the first wafer 2.
  • the inlet opening 15 of the capillary channel 14 is closed and the outlet opening 16 is connected to the atmosphere, so that the atmospheric pressure is established within the capillary channel 14. Then the outlet opening 16 is closed and the inlet opening 15 is opened. The supply pressure then builds up in the capillary channel 14. The rise in pressure is detected at the pressure transducer assigned to the outlet opening 16 and provides information about the viscosity of the fuel gas and thus about its gas quality.
  • two further pressure transducers 17 and 18 are etched into the first wafer 2.
  • Both pressure transducers 17 and 18 have membranes made of silicon, which are formed in one piece with the wafer 2 during the etching.
  • the pressure cell 17 detects the supply pressure and the pressure cell 18 the working pressure, these values being included in the control. This increases their accuracy.
  • 2 and 4 show the assignment of a first set of through openings and flaps to an injector burner. Additional sets can be provided in order to control further injector burners or injectors of burner sets independently of one another.
  • the second wafer 3 can be placed on the first wafer 2 in the reverse orientation.
  • the web 9 of the flap 7 is then doped in such a way that the flap assumes its closed position, as is shown with reference to FIG. 6.
  • the control means 10 shown are capacitive control means. Instead of this, inductive control means can also be provided. Further there is the possibility to effect the opening and closing movements of the flaps piezoelectrically. Thermal control using a bimetal element is also conceivable.
  • the capillary channel 14 is provided on the output side with a pressure cell.
  • An anemometer can also be connected here in order to obtain information about the viscosity and thus the quality of the fuel gas via the resulting flow rate.
  • valve arrangement can also be used for other gases and also for liquids.

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Abstract

Die Ventilanordnung umfaßt zwei aufeinanderliegende gelegte Silizium-Wafer, von denen der stromab gelegene eine Mehrzahl von eingeätzten Durchgangsöffnungen (6) aufweist. Der stromauf gelegene Wafer (3) ist mit einer Mehrzahl von Klappen (7) versehen. Diese sind durch Ätzen des Siliziums ausgebildet und liegen in durchgehenden Rahmenöffnungen (8). Dabei stehen sie mit dem Wafer (3) über membranartige Stege (9) in Verbindung, die elastische Öffnungs- und Schließbewegungen zulassen. Den einzelnen Klappen (7) sind unterschiedliche Anzahlen und/oder Größen von Durchgangsöffnungen (6) zugeordnet, so daß durch selektive Betätigung der Klappen eine dynamische Druck- und Durchflußsteuerung möglich ist, die einen sehr weiten Regelbereich abdeckt. Die Betätigung der Klappen (7) erfolgt über elektrische Steuermittel, die kapazitive Abstoßungs- und Anziehungskräfte bewirken.

Description

Ventilanordnung
Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zur Druck- und Durchflußsteuerung eines Fluids . Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die
Steuerung des Gaszuflusses zu Brennern, und zwar insbesondere zu atmosphärischen Injektorbrennern.
Gebräuchliche Ventilanordnungen dieser Art weisen ein Gehäuse auf, das eine Vielzahl von Einzelteilen enthält, nämlich Federn, Membranen, Ventilelemente sowie gegebenenfalls weitere Verschlußeinrichtungen, die unter Umständen durch zusätzliche Magnetspulen oder dergleichen angetrieben werden. Auch wird das in der Regel aus Metall bestehende Gehäuse von einer Vielzahl von Bohrungen und Kanälen unter- schiedlichen Durchmessers durchsetzt, wobei es sich teilweise um sehr feine Bohrungen handeln kann. Die mechanische Fertigung derartiger Ventilanordnungen ist sehr aufwendig und dementsprechend kostenintensiv.
Hinzukommt, daß der Energieinhalt des unter dem Versor- gungsdruck von in der Regel 20-25 mbar anstehenden Gases zur Durchführung der Steuerung genutzt wird, um auf die Membrane und Rückstellfedern einzuwirken. Die gebräuchlichen Ventil - anordnungen arbeiten daher mit einem entsprechenden Druck- verlust, der ohne weiteres ca. 30% betragen kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine baulich einfache Ventilanordnung zu schaffen, die mit sehr geringem Druckverlust arbeitet und eine dynamische Steuerung über einen weiten Leistungsbereich zuläßt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Ventilanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ,
- daß ein erster Siliziurn-Wafer mit einer Mehrzahl von eingeätzten Durchgangsöffnungen und ein zweiter Siliziurn-Wafer mit mindestens einer eingeätzten, durchgehenden Rahmen- Öffnung vorgesehen sind, wobei die Rahmenöffnung eine Mehr- zahl von durch Ätzen erzeugten Klappen aufweist, welche über membranartige Stege einteilig mit dem zweiten Wafer verbunden sind,
- daß die Wafer derart miteinander verbunden sind, daß jeder Klappe des zweiten Wafers mindestens eine der Durchgangsöffnungen des ersten Wafers zugeordnet ist, und
- daß am Orte jeder der Klappen Steuermittel vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von einer Steuereinrichtung selektiv die Öffnungs- und Schließbewegungen der Klappen bewir- ken.
Diese Ventilanordnung ist extrem einfach im Aufbau und kann, im Vergleich mit gebräuchlichen "dreidimensionalen" Ventilanordnungen, durchaus als "zweidimensional" bezeichnet werden. Sie setzen sich im wesentlichen aus den beiden Sili- zium-Wafern zusammen, die einem konventionellen anisotropen oder isotropen Ätzvorgang unterworfen werden. Dabei entstehen im ersten Wafer die Durchgangsöffnungen und im zweiten Wafer die Klappen, die in ihrer Öffnungsstellung, in der sie die Durchgangsöffnungen freigeben, vom Fluid umströmt wer- den. Ein umfangreiches Gehäuse kann entfallen. Vielmehr läßt sich die Anordnung direkt in eine Versorgungsleitung einbauen. Dementsprechend ergeben sich sehr geringe Baugrößen, die einen Einsatz auch in Kleingeräten ermöglichen, zum Beispiel in Warmwasserbereitern, Kornbigeräten, Heizungen für kleine Wohneinheiten und dergleichen.
Da das Fluid nicht gegen Membranen und Rückstellfedern arbeiten muß, sind die Druckverluste sehr gering. So steht bei der Gasversorgung von Injektorbrennern der Versorgungsdruck praktisch an den Injektoren an. Dadurch lassen sich Luftzahlen einstellen, die zu wesentlich reduzierten Schadstoffemissionen beitragen.
Der leistungsabhängige Durchfluß wird dadurch gesteuert, daß bestimmte Klappen des zweiten Wafers selektiv geöffnet und andere selektiv geschlossen gehalten werden. Es wurde gefunden, daß auf dieser Weise eine modulierende Steuerung möglich ist, die einen Bereich von wenigen Prozent bis 100% abdeckt. Bei üblichen Ventilanordnungen erstreckte sich der dynamische Bereich bisher von ca. 60 % bis 100 %.
Vorzugsweise sind den einzelnen Klappen des zweiten Wafers unterschiedliche Anzahlen und/oder Größen von Durch- gangsöffnungen des ersten Wafers zugeordnet. Damit läßt sich eine maximale Variationsbreite erzielen. Die Steuerung sorgt dafür, daß durch Auswahl bestimmter Anzahlen und/oder Größen von Durchgangsöffnungen der jeweils erforderliche Durchflußquerschnitt zur Verfügung gestellt wird. Dieser Vorteil, verbunden mit der geringen Baugröße und der kostengünstigen Herstellung, bietet die Möglichkeit, jedem Injektor oder Brennersegment eine gesonderte Ventilanordnung zur Verfügung zu stellen. Dadurch läßt sich eine modulierende Steuerung mit optimaler Genauigkeit über einem maximalen Bereich er- zielen.
Auch können mehrere Module von Durchlaßöffnungen und zugehörigen Klappen gesondert voneinander modulierend gesteuert werden, so daß also ein und dieselbe Wafer-Anordnung mehrere Injektoren oder Brenner jeweils unabhängig voneinan- der versorgt.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß mindestens einige der Durchgangsöffnungen des ersten Wafers in Strömungsrichtung konisch verjüngt sind und daß die zugehörigen Klappen des zweiten Wafers einteilig mit komplemen- tär ausgebildeten Verschlußvorεprüngen versehen sind. Dies bietet eine zusätzliche Steuerungsmöglichkeit dergestalt, daß die Durchgangsöffnungen des ersten Wafers in ihrem Durchlaßquerschnitt verändert werden können. Das Ätzen der konisch verjüngten Durchlaßöffnungen und der komplementären Verschlußvorsprünge bereitet keine Schwierigkeiten, da der Ätzvorgang der Kristallorientierung des Siliziums folgen kann.
Beim Ätzen der Klappen des zweiten Wafers wird die Klappendicke gegenüber der Dicke des Wafers stark vermindert. Dies gilt insbesondere für die membranartigen Stege die die Klappen mit dem Waferkörper verbinden. Der Wafer wird also entsprechend ausgehöhlt und durchbrochen, wobei eine Klappenfläche in der Ebene einer der Waferflachen liegt. Bei der Montage kann dann diese Fläche des zweiten Wafers auf den ersten Wafer aufgelegt werden. Die Klappen überdecken unter diesen Umständen abdichtend die zugehörigen Durchgangsöffnungen des ersten Wafers. Im übrigen trägt der Versorgungsdruck des Fluids zur Erhöhung der Dichtwirkung bei . Wird hingegen der zweite Wafer in umgekehrter Orientierung auf den ersten Wafer aufgesetzt, so liegen die Klappen im Ab- stand zur Berührungsebene der Wafer. Insbesondere für diesen Fall ist es vorteilhaft, die mebramartigen Stege der Klappen durch Dotieren des Siliziums in Schließrichtung vorzuspannen. Die Vorspannung reicht aus, um die Klappen des zweiten Wafers auf den ersten Wafer zu drücken. Bei Klappen mit Ver- schlußvorSprüngen, bei denen nur diese Art der Montage möglich ist, bietet sich die Vorspannung der membranartigen Stege ganz besonders an. Allerdings kann eine Vorspannung zur Erhöhung der Dichtwirkung auch dann von Vorteil sein, wenn die Klappen des zweiten Wafers ohnehin auf der Fläche des ersten Wafers aufruhen.
Im übrigen werden die beiden Wafer durch geeignete Justier-, Montage- und Verklebetechniken exakt aufeinander ausgerichtet und miteinander verbunden, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Dichtmaterialien. Die Ventilanordnung macht in konsequenter Weise von der Technik des Micromachining Gebrauch. Der Aufbau ist filigran, und die Durchlaßquerschnitte sind - bei aller Variationsbereite - äußerst fein. Bei Anwendung auf gasförmige Medien, insbesondere auf Brenngase, resultiert hieraus die Forderung, mit möglichst staubfreien Gasen zu arbeiten. Da dies nicht immer möglich ist, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß der zweite Wafer auf seiner vom ersten Wafer abgewandten Seite einen als Staubsieb geätzten dritten Silizium-Wafer aufweist. Die Sieböffnungen können sehr fein sein und dennoch aufgrund ihrer großen Zahl den erforderlichen Durchtrittsquerschnitt gewährleisten. Sie bieten einen wirksamen Schutz für die nachgeschalteten Klappen und Durchgangsöffnungen, wobei der zusätzliche bauliche und kostenmäßige Aufwand äußerst gering ist, da auch hier die diesbezüglich vorteilhafte Technik des Micromachinings konsequent zur Anwendung kommt .
Vorzugsweise sind die Steuermittel zum selektiven Bewirken der Öffnungs- und Schließbewegungen der Klappen zwischen dem "rsten und dem zweiten Wafer und/oder zwischen dem zweiten und dem dritten Wafer vorgesehen. Kommt ein dritter Wa- fer zum Einsatz, so besteht die Möglichkeit, die zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer wirksamen Steuermittel zu unterstützen oder aber gänzlich zu ersetzen.
Die Steuermittel zum Betätigen der Klappen können unterschiedlicher Natur sein, und zwar immer unter Berücksichti- gung der Tatsache, daß auf dem Gebiet der Mikromechanik gearbeitet wird. Denkbar ist beispielsweise eine thermisch angesteuerte Bimetallbetätigung der Klappen. Einfacher ist unter Umständen eine elektrische Ansteuerung, beispielsweise unter Nutzung des piezoelektrischen Effekts. Als ganz beson- ders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Steuermittel kapazitive oder magnetfeldinduzierte Abstoßungs- bzw. Anziehungskräfte auf die Klappen ausüben. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die Klappen und den bzw. die benachbarten Wafer mit einander gegenüber- liegenden elektrischen Leitern zu versehen und diese entsprechend zu polen. Die Anordnung wird dabei vorzugsweise so getroffen, daß die Klappen bei stromlosen elektrischen Steuermitteln ihre Schließstellung einnehmen. Bei Stromausfall bewirkt der Versorgungsdruck, gegebenenfalls unterstützt durch die Vorspannung der Klappenstege, ein automatisches Schließen der gesamten Ventilanordnung.
Ferner kann es vorteilhaft sein, mindestens einen der Wafer im Bereich der Öffnungen mit einer Beschichtung aus thermisch blähfähigem Material zu versehen. Kommt es zu ei- ner Überhitzung der Ventilanordnung, so bläht sich das Material der Beschichtung und führt zu einem automatischen Ver- sperren der Öffnungen. Eine gesonderte thermische Sicher- heits-Absperrarmatur kann also entfallen.
Für die Anordnung des blähfähigen Materials bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. So kann das Material die In- nenwände der Durchgangsöffnungen des ersten Wafers bedecken. Auch kann es rund um die Durchgangsöffnungen auf einer oder beiden Seiten des ersten Wafers angeordnet sein. Ferner kommt eine Anbringung auf den dichtenden Flächen der Klappen in Frage. Die beiden letzt genannten Möglichkeiten dürften aus fertigungstechnischer Sicht günstiger sein als die Be- schichtung der Innenwände der Durchgangsöffnungen . Kommt der ein Staubsieb bildende dritte Wafer zum Einsatz, so ist es ganz besonders vorteilhaft, diesen mit dem blähfähigen Material auf der einen und/oder der anderen Seite zu beschich- ten. Die einzelnen Maßnahmen können auch miteinander kombiniert werden.
Für eine korrekte dynamische Druck- und Durchflußsteuerung ist es erforderlich, sowohl den Versorgungsdruck als auch den Arbeitsdruck zu erfassen. Dieser Forderung wird die Ventilanordnung in Weiterbildung der Erfindung dadurch gerecht, daß in den ersten Wafer Druckmeßdosen eingeätzt sind, die druckseitig jeweils von einer einteilig mit dem Wafer verbundenen Membrane geschlossen sind.
Weiterhin ist es für Gasgeräte erforderlich, die Gasqua- lität zu erfassen. Hierzu wird vorgeschlagen,
- daß in den ersten Wafer ein Kapillarkanal eingeätzt und bis auf eine anströmseitige Einlaßöffnung und eine ab- strömseitige Auslaßöffnung abgedeckt ist,
- daß der Einlaß- und der Auslaßöffnung des Kapillarka- nals je eine Klappe des zweiten Wafers zugeordnet ist und
- daß an die Auslaßöf nung ein Drucksensor oder ein Anemometer anschließbar ist. Der Kapillarkanal muß eine vorgegebene Länge aufweisen und wird daher mäanderförmig in den ersten Wafer eingeätzt. Vor Inbetriebnahme des Brenners wird die anströmseitige Einlaßöffnung geschlossen und die ab- strömseitige Auslaßöffnung geöffnet. Im Kapillarkanal stellt sich also der Atmosphärendruck ein. Sobald dies geschehen ist, wird die abströmseitige Auslaßöffnung geschlossen und die anströmseitige Einlaßöffnung geöffnet. Das Gas durchströmt nun den Kapillarkanal, und zwar mit einer Geschwin- digkeit, die neben den geometrischen Verhältnissen von der Viskosität des Gases abhängt. Letztere ist ihrerseits ein Maß für die anstehende Gasqualität. Da also vor jedem Brennerstart die Gasqualität erfaßt und in die Steuerung einbezogen werden kann, ergibt sich eine weitere Erhöhung der Re- gelgüte .
Wird an die abströmseitige Auslaßöffnung des Kapillarkanals ein Anemometer angeschlossen, so erfaßt man die dort sich einstellende Fließgeschwindigkeit. Arbeitet man hingegen mit einem Drucksensor, so wird der Druckanstieg gemes- sen.
Im letztgenannten Fall ist es vorteilhaft, den Drucksensor des Kapillarkanals als eingeätzte Druckmeßdose auszubilden, die von einer einteilig mit dem ersten Wafer verbundenen Membran geschlossen ist . Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
Fig. l einen Schnitt durch eine eingebaute, aus drei Wafern bestehende Ventilanordnung, wobei die
Konstruktionsmerkmale der einzelnen Wafer fortgelassen sind; Fig. 2 eine Draufsicht auf einen der Wafer; Fig. 3 eine Einzelheit aus Fig. 2 in abgewandelter Ausführungsform;
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen anderen der Wafer; Fig. 5 einen Teilschnitt durch die Ventilanordnung; Fig. 6 eine abgewandelte Ausführungsform in einer Darstellung entsprechend Fig. 5. θ
Nach Fig. 1 besteht eine Ventilanordnung 1 aus drei Wa- fern, nämlich einen ersten Wafer 2, einem zweiten Wafer 3 und einem dritten Wafer 4. Die Ventil nordnung ist in eine Brenngasleitung 5 eingebaut, die im vorliegenden Fall zu ei- nem Injektorbrenner führt. Die Ventilanordnung 1 läßt eine Durchströmung in der durch Pfeile angedeuteten Richtung zu.
Die Wafer 2 bis 4 bestehen aus Silizium, wobei ihre Formgebung durch konventionelles Ätzen erzeugt worden ist. Nach Fig. 2 weist der erste Wafer 2 eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 6 auf, die in noch zu beschreibender Weise selektiv geöffnet und geschlossen werden können, um Druck und Durchfluß des Gases in Abhängigkeit von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung zu steuern. In Fig. 2 sind die Durchgangsöffnungen 6 als glatte Öffnungen gleicher Größe dargestellt, und zwar mit kreisförmigen Querschnitt. Ihre Zahl ist an die jeweiligen Gegebenheiten angepaßt.
Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der die Durchgangsöffnung 6 einen quadratischen Querschnitt aufweist und außerdem in Strömungsrichtung konisch verjüngt ist. Glatte Durchgangsöffnungen mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt sind gleichermaßen möglich. Im übrigen sei darauf hingewiesen, daß die Durchgangsöffnungen 6 auch von unterschiedlicher Größe sein können.
Fig. 4 zeigt den zweiten Wafer 3, über den das Öffnen und Schließen der Durchgangsöffnungen 6 bewirkt wird. Als Schließelemente sind Klappen 7 vorgesehen, die durch Ätzen des zweiten Wafers 3 erzeugt worden sind. Dabei ist im zweiten Wafer 3 eine Rahmenöffnung 8 entstanden, in die die Klappen 7 hineinragen. Jede Klappe 7 ist über einen membran- artigen Steg 9 mit dem Körper des Wafers 3 verbunden. Die membranartigen Stege 9 lassen eine selektive Bewegung der Klappen 7 zu.
Aus Fig. 4 ergibt sich, daß den Klappen 7 unterschiedliche Anzahlen von Durchgangsöffnungen 6 zugeordnet sind. Durch entsprechende Steuerung der Klappen 7 lassen sich beliebige Durchflüsse einstellen. Dies ermöglicht eine modul- ierende dynamische Regelung, die einen extrem weiten Regelbereich überdeckt. Eine zusätzliche Feinabstimmung wird dadurch ermöglicht, daß die Durchgangsöffnungen 6 von unterschiedlicher Größe sind. Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch die Ventilanordnung am Orte einer der Klappen 7. Daraus ergibt sich, daß die Wafer 2 und 3 aufeinander liegen, wobei die Klappe 7 des zweiten Wafers 3 die zugehörige Durchgangsöffnung 6 des ersten Wafers 2 verschließt. Elektrische Steuermittel 10 bewirken ein Öffnen der Klappe 7. Bei den Steuermitteln 10 handelt es sich um zwei Leiterflächen, von denen die eine dem ersten Wafer 2 und die andere der Klappe 7 zugeordnet ist. Eine entsprechende Polung bewirkt eine kapazitive Abstoßungskraft, die die Klappe 7 unter elastischer Verformung ihres Steges 9 in die Öffnungsstellung bringt. Sobald die Steuermittel 10 stromlos geschaltet werden, schließt sich die Klappe 7, wobei der Versorgungsdruck des Brenngases eine zusätzliche Schließkraft bewirkt. Die Anordnung arbeitet mit sehr geringem Druckverlust. Fig. 5 zeigt ferner, daß der dritte Wafer 4 mit eingeätzten Sieböffnungen 11 versehen ist und somit ein vorgeschaltetes Staubsieb bildet:, das das nachgeschaltete Ventilsystem gegen Verschmutzung schützt. Sofern das Brenngas ausreichend staubfrei ist, kann auf den dritten Wafer 4 auch verzichtet werden.
Allerdings erfüllt der dritte Wafer 4 im vorliegenden Fall noch eine zusätzlich Funktion, indem er die Öffnungsbewegung der Klappe 7 unterstützt. Hierzu ist ein weiterer Satz von Steuermitteln 10 vorgesehen, die einerseits dem dritten Wafer 4 und andererseits wiederum der Klappe 7 zugeordnet sind. Die Polung erfolgt derart, daß eine kapazitive Anziehungskraft bewirkt wird. Auch hier hört die Krafteinwirkung auf, sobald die Steuermittel stromlos geschaltet werden . Schließlich zeigt Fig. 5, daß die Durchgangsöffnung 6 mit einer Beschichtung 12 versehen ist. Letztere besteht aus einem thermisch blähfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, und dient als thermische Sicherung. Sobald die Temperatur der Ventilanordnung über einen bestimmten Wert von beispielsweise 650°C ansteigt, bläht sich die Beschich- tung 12 auf und verschließt automatisch die Durchgangsöffnung 6.
Die Anordnung der Beschichtung 12 auf der Innenwandung der Durchgangsöffnung 6 wurde als zeichnerisch einfach darstellbares Beispiel gewählt. Aus fertigungstechnischen Grün- den kann es vorteilhafter sein, die Beschichtung im Bereich der Durchgangsöffnung 6 auf der einen und/oder anderen Fläche des Wafers 2 oder aber auf der dichtenden Fläche der Klappe 7 anzubringen. Eine besonders einfache Möglichkeit besteht darin, den dritten Wafer 4 auf der einen und/oder der anderen Seite zu beschichten. Eine Kombination der einzelnen Maßnahmen ist ebenfalls möglich.
Bei der Variante nach Fig. 6 ist die Durchgangsöffnung 6 in Ξtrömungsrichtung konisch verjüngt. Außerdem ist die Klappe 7 mit einem komplementär ausgebildeten Verschlußvor- sprung 13 versehen. Dies bietet die Möglichkeit, den Querschnitt der Durchgangsöffnung 6 zu verändern und dadurch die Variabilität der dynamischen Regelung weiter zu erhöhen.
Um die Klappe 7 nach Fig. 6 bei stromlosen Steuermitteln unabhängig vom Versorgungsdruck des Brenngases in der Schließstellung zu halten, ist das Silizium des zweiten Wafers 3 am Orte des Steges 9 derart dotiert, daß die Klappe 7 entsprechend vorgespannt wird.
Es sei erwähnt, daß eine solche Vorspannung auch im Falle des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 erzeugt werden kann, dort allerdings nicht unbedingt erforderlich ist.
Aus Fig. 2 ergibt sich, daß der erste Wafer 2 mit einem Kapillarkanal 14 versehen ist. Dieser wird in den Wafer 2 eingeätzt und mit geeigneten Mitteln abgedeckt. Der Kapillarkanal 14 weist eine anströmseitige Einlaßöffnung 15 und eine abströmseitige Auslaßöffnung 16 auf, wobei diese Öffnungen durch Klappen 7 verschließbar sind, siehe Fig. 4. Die Einlaßöffnung 15 kann mit dem Versorgungsdruck beaufschlagt werden, während die Auslaßöffnung 16 an die Atmosphäre anschließbar ist. Außerdem bildet die Auslaßöffnung 16 eine Druckmeßdose, die mit einer Membran versehen ist. Letztere wird durch Ätzen des ersten Wafers 2 ausgebildet.
Vor jedem Start des zugehörigen Brenners wird die Einlaßöffnung 15 des Kapillarkanals 14 geschlossen und die Auslaßöffnung 16 mit der Atmosphäre in Verbindung gesetzt, so daß sich innerhalb des Kapillarkanals 14 der Atmosphären- druck einstellt. Anschließend wird die Auslaßöffnung 16 geschlossen und die Einlaßöffnung 15 geöffnet. Es baut sich sodann der Versorgungsdruck im Kapillarkanal 14 auf. Der Druckanstieg wird an der der Auslaßöffnung 16 zugeordneten Druckmeßdose erfaßt und gibt Aufschluß über die Viskosität des Brenngases und damit über dessen Gasqualität.
Wie aus Fig. 2 ferner ersichtlich, sind zwei weitere Druckmeßdosen 17 und 18 in den ersten Wafer 2 eingeätzt. Beide Druckmeßdosen 17 und 18 verfügen über Membranen aus Silizium, die beim Ätzen einteilig mit dem Wafer 2 ausgebil- det werden. Die Druckmeßdose 17 erfaßt den Versorgungsdruck und die Druckmeßdose 18 den Arbeitsdruck, wobei diese Werte in die Regelung einbezogen werden. Dies erhöht deren Genauigkeit .
Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmög- lichkeiten gegeben. So zeigen die Fig. 2 und 4 die Zuordnung eines ersten Satzes von Durchgangsöffnungen und Klappen zu einem Injektorbrenner. Weitere Sätze können vorgesehen sein, um weitere Injektorbrenner bzw. Injektoren von Brennersätzen jeweils unabhängig voneinander zu steuern. Ferner kann bei der Anordnung nach Fig. 5 der zweite Wafer 3 in umgekehrter Orientierung auf den ersten Wafer 2 aufgesetzt sein. Dabei wird dann der Steg 9 der Klappe 7 derart dotiert, daß die Klappe ihre Schließstellung einnimmt, wie es anhand von Fig. 6 gezeigt ist. Bei den dargestellten Steuermitteln 10 handelt es sich um kapazitive Steuermittel. Anstelle dessen können auch induktive Steuermittel vorgesehen sein. Ferner besteht die Möglichkeit, die Öffnungs- und Schließbewegungen der Klappen piezoelektrisch zu bewirken. Denkbar ist ferner eine thermische Ansteuerung unter Einsatz eines Bimetallelements. Nach Fig. 2 ist der Kapillarkanal 14 ausgangs- seitig mit einer Druckdose versehen. Hier kann auch ein Anemometer angeschlossen werden, um über die sich einstellende Fließgeschwindigkeit Aussagen über die Viskosität und damit die Qualität des Brenngases zu erhalten.
Die Erfindung wurde zwar anhand einer Brennersteuerung erläutert, jedoch kann die Ventilanordnung auch für andere Gase und ferner auch für Flüssigkeiten verwendet werden.

Claims

Pa ntansprüche
1. Ventilanordnung zur Druck- und Durchflußsteuerung eines Fluids, dadurch gekennzeichnet,
- daß ein erster Silizium-Wafer (2) mit einer Mehrzahl von eingeätzten Durchgangsöffnungen (6) und ein zweiter Si- lizium-Wafer (3) mit mindestens einer eingeätzten, durchgehenden Rahmenöffnung (8) vorgesehen sind, wobei die Rahmen- Öffnung eine Mehrzahl von durch Ätzen erzeugten Klappen (7) aufweist, welche über membranartige Stege (9) einteilig mit dem zweiten Wafer (3) verbunden sind,
- daß die Wafer (2, 3) derart miteinander verbunden sind, daß jeder Klappe (7) des zweiten Wafers (3) mindestens eine der Durchgangsöffnungen (6) des ersten Wafers (2) zugeordnet ist, und
- daß am Orte jeder der Klappen (7) Steuermittel (10) vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von einer Steuereinrichtung selektiv die Öffnungs- und Schließbewegungen der Klappen (7) bewirken.
2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den einzelnen Klappen (7) des zweiten Wafers (3) unterschiedliche Anzahlen und/oder Größen von Durchgangsöff- nungen (6) des ersten Wafers (2) zugeordnet sind.
3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Durchgangsöffnungen (6) des ersten Wafers (2) in Strömungsrichtung konisch ver- jungt sind und daß die zugehörigen Klappen (7) des zweiten Wafers (3) einteilig mit komplementär ausgebildeten Ver- schlußvorsprüngen (13) versehen sind.
4. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da- durch gekennzeichnet, daß die membranartigen Stege (9) der Klappen (7) durch Dotieren des Siliziums in Schließrichtung vorgespannt sind.
5. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da- durch gekennzeichnet, daß der zweite Wafer (3) auf seiner vom ersten Wafer (2) abgewandten Seite einen als Staubsieb geätzten dritten Silizium-Wafer (4) aufweist.
6. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- durch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (10) zum selektiven Bewirken der Offnungs- und Schließbewegungen der Klappen
(7) zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer (2, 3) und/oder zwischen dem zweiten und dem dritten Wafer (3, 4) vorgesehen sind.
7. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (10) kapazitive oder magnetfeldinduzierte Abstoßungs- bzw. Anziehungskräfte auf die Klappen (7) ausüben.
8. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappen (7) bei stromlosen elektrischen Steuermitteln (10) ihre Schließstellung einnehmen.
9. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Wafer (2 bis 4) im Bereich der Öffnungen mit einer Beschichtung (12) aus thermisch blähfähigem Material versehen ist.
10. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den ersten Wafer (2) Druck- meßdosen (17, 18) eingeätzt sind, die druckseitig jeweils von einer einteilig mit dem Wafer verbundenen Membran ge- schlössen sind.
11. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
- daß in den ersten Wafer (2) ein Kapillarkanal (14) eingeätzt und bis auf eine anströmseitige Einlaßöffnung (15) und eine abströmseitige Auslaßδffnung (16) abgedeckt ist,
- daß der Einlaß- und der Auslaßöffnung (15, 16) des Kapillarkanals (14) je eine Klappe (7) des zweiten Wafers (3) zugeordnet ist und
- daß an die Auslaßöffnung (16) ein Drucksensor oder ein Anemometer anschließbar ist.
12. Ventilanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor des Kapillarkanals (14) als eingeätzte Druckmeßdose ausgebildet ist, die von einer ein- teilig mit dem ersten Wafer (2) verbundenen Membran geschlossen ist.
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