VENTILANORDNUNG _. INSBESONDERE FÜR PNEUMATISCHE STEUERUNGEN

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung, insbesondere für pneumatische Steue¬ rungen.

Pneumatische Steuerungen sind aufgrund ihrer Leistungskraft, Robustheit und hohen Lebensdauer weit verbreitet. Im einfachsten Fall wird über einen elektropneumati- schen Wandler (Pilotventil) mit Druckluft als Druckmittel ein pneumatisches Stellele¬ ment (Kolben, Membran) betätigt, das seinerseits einen Gas- oder Flüssigkeitsstrom manipuliert. Alle Stellelemente weisen eine mehr oder weniger große Leckrate auf. Ein Pilotventil muß daher bei entsprechender Energiezufuhr permanent im geöffneten Zustand verbleiben, um das Stellelement in seiner ausgelenkten Position zu halten. Ein elektromagnetisches Hubanken/entil benötigt im betätigten Zustand z.B. Haltelei¬ stungen um 1 W.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ventilanordnung anzugeben, die nur für den Umschaltvorgang von einem Zustand in den anderen Energie verbraucht und den gewählten Zustand leistunglos halten kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Gegenstand der Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Besondere Ausgestaltungen der Ventilanordnung sind in den Unteransprü¬ chen angegeben.

Die erfindungsgemäße Ventilanordnung besteht aus einer Kammer mit mindestens 2 Ventilen, einem Einlaßventil und einem Auslaßventil. Mit dem Einlaßventil wird der Zufluß eines Druckmittels (z.B. eines Gases) zu einem mit der Kammer verbundenen Stellelement geregelt. Das Stellelement kann beispielsweise ein Kolben sein, der durch den anliegenden Druck bewegt wird. Das Auslaßventil steuert den Abfluß des

Druckmittels vom Stellelement, das dadurch wieder in seine Ausgangslage zurück¬ kehrt.

Die Ventilanordnung zeichnet sich dadurch aus, daß das Einlaßventil ein Mikroventil mit Ventilsitz und Schließglied ist, das neben einer offenen und einer geschlossenen Schaltstellung auch eine davon abweichende Ruhestellung einnehmen kann. Wäh¬ rend die offene und geschlossene Stellung des Ventils durch externe Mittel (z.B. Druck, Temperatur, elektrische Spannung usw.) geschaltet werden, nimmt das Schließglied (z.B. eine Membran) die Ruhestellung dann ein, wenn keine externen Mittel einwirken, d.h. wenn es weder in der offenen noch in der geschlossenen Schaltstellung gehalten wird. Als externes Mittel in diesem Sinne ist auch eine am Ventil anliegende Druckdifferenz zu verstehen, die einen bestimmten Mindestbetrag überschreitet. Beide Ventile sind so ausgestaltet, daß sie durch eine anliegende Druckdifferenz in geschlossenem Zustand gehalten werden (vgl. z.B. das Ventil aus Figur 1). In der Ruhestellung besteht ein Spalt zwischen Ventilsitz und Schließglied, der so dimensioniert ist, daß Leckströme am Stellelement oder an anderen Teilen der Anordnung durch über den Spalt nachströmendes Druckmittel ausgeglichen wird. Die Spaltbreite kann gemäß Anspruch 2 so klein gewählt werden, daß das Schlie߬ glied bei einer vorgegebenen (kritischen) Druckdifferenz am Ventil durch den resultie¬ renden Druckmittelfluß aufgrund des aerodynamischen Effektes gegen den Ventilsitz gepreßt wird, also selbsttätig schließt (geschlossene Stellung). Der Spalt läßt sich unter Ausnutzung der spezifischen Fertigungs- und Aufbautechni¬ ken der Siliziumtechnologie bei der Herstellung des Mikroventils sehr einfach und re¬ produzierbar erzeugen (z.B. durch Trockenätzen). Die Spaltbreite kann beispielsweise zwischen 10 und 100 μm betragen.

Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere Einlaßventile der genannten Art oder mehrere Auslaßventile nebeneinander in der Ventilanordnung einzusetzen. Ebenso sind Ventile mit mehreren Ventilsitzen und Schließgliedern verwendbar. Die Ventilan¬ ordnung hat aufgrund ihrer Wirkungsweise die Eigenschaften eines bistabilen 3/2- Wegeventils (im folgenden auch als Schalter bezeichnet) mit zwei Schaltpositionen. In der ersten Schaltposition ist das Auslaßventil geschlossen und das Einlaßventil geöff-

net oder in Ruhestellung. In der zweiten Schaltposition ist das Einlaßventil geschlos¬ sen und das Auslaßventil geöffnet oder in Ruhestellung.

In der besonderen Ausgestaltungsform nach Anspruch 3 ist auch das Auslaßventil ein Mikroventil mit einer gesonderten Ruhestellung.

Anhand dieser Ausführungsform wird im folgenden die Wirkungsweise der Ventilan¬ ordnung für die Bewegung eines Kolbens als Stellelement erläutert (vgl. hierzu Figu¬ ren 2 und 3).

Wird das Einlaßventil (7) kurzzeitig angesteuert (geöffnet), füllt sich das Volumen am Kolben (10) mit Druckmittel, beispielsweise Gas, so daß der Kolben aus seiner Aus¬ gangsposition bewegt wird. Das Schließglied des Auslaßventils (8) (Entlüftungsventil) wird gegen den Ventilsitz gedrückt, d.h. das Auslaßventil wird geschlossen (aufgrund der Druckdifferenz am Auslaßventil). Es fließt so lange Gas über das Einlaßventil, bis der Eingangsdruck pj _n erreicht ist. Dabei baut sich die Druckdifferenz über dem Ein¬ laßventil ab. Das Einlaßventil kann nun abgeschaltet werden. Da ein Druckabfall an diesem Ventil fehlt, liegt das Schließglied nicht auf dem Ventilsitz auf, d.h. es befindet sich in der Ruhestellung. Leckströme am Kolben können durch über den Spalt nach¬ strömendes Gas kompensiert werden. Das Auslaßventil wird durch die anliegende Druckdifferenz geschlossen gehalten (pjn>Pou -

Das Volumen am Kolben (10) wird durch kurzzeitiges Ansteuern des Auslaßventils (8) entlüftet. Dadurch entsteht eine Druckdifferenz über dem Einlaßventil (7), dessen Schließglied durch das nachströmende Gas gegen den Ventilsitz gedrückt, also selbst¬ tätig geschlossen wird. Das Volumen am Kolben entleert sich bis auf den Druck p _Q _\. Der Kolben geht in die Ruhestellung zurück. Das Auslaßventil kann ausgeschaltet werden, da nun kein Druck mehr an diesem Ventil anliegt (Ruhestellung). Eventuell auftretende Leckströme der Anordnung werden über den entsprechend dimensio ^¬ nierten Spalt des Auslaßventils ausgeglichen. Das Einlaßventil wird durch die anlie¬ gende Druckdifferenz geschlossen gehalten. Das Schließen des Ein- oder Auslaßven¬ tils kann selbstverständlich auch durch andere externe Mittel durch gezieltes Ansteu¬ ern bewirkt werden. Das Antriebsprinzip der eingesetzten Ventile spielt für die erfin¬ dungsgemäße Funktion der Ventilanordnung keine Rolle. So können beispielsweise

Ventile mit magnetischem, piezoelektrischem oder thermomechanischem Antriebs¬ prinzip eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Ventilanordnung verbraucht nur für den Umschaltvorgang zwischen beiden Schaltpositionen Energie und kann den jeweils eingenommenen Schaltzustand leistungslos halten. Ein Druckmittelverlust am Stellelement wird im (leistungslosen) Ruhezustand des Einlaßventils in vorteilhafter Weise durch über den Spalt nachströmendes Druckmittel ausgeglichen. Der besondere Vorteil der Ventilan¬ ordnung liegt daher im geringen Energieverbrauch, der insbesondere beim Einsatz in pneumatischen Steuerungen von erheblicher Bedeutung ist.

Sind gemäß Anspruch 3 in Verbindung mit Anspruch 4 Ein- und Auslaßventile ver¬ gleichbar ausgebildet, so läßt sich zudem ein Umschalten zwischen beiden Schaltpo¬ sitionen allein durch Ansteuerung eines der beiden Ventile bewirken. Ein weiterer Energieaufwand ist hierbei nicht nötig.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ventilanordnung werden im folgenden anhand der Zeichnungen und Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Dabei zeigen:

Figur 1 ein Beispiel für den schematischen Aufbau eines Mikroventils, wie es als Einlaßventil in der erfindungsgemäßen Ventilanordnung eingesetzt wird,

Figur 2 ein Beipiel für eine erfindungsgemäße Ventilanordnung,

Figur 3 ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Ventilanordnung,

Figur 4 die schematische Darstellung eines Meßaufbaus zum Vermessen der Zeit¬ konstanten der Ventilanordnung,

Figur 5 ein Ergebnis der Messung,

Figur 6 eine Meßkurve für das öffnen des Einlaßventils, und

Figur 7 eine Meßkurve für das öffnen des Auslaßventils.

In Figur 1 ist schematisch ein Mikroventil dargestellt, das als Einlaßventil in der erfin- dungsgemäßen Ventilanordnung geeignet ist. Das Mikroventil, das auf einem Chip¬ träger (1), z.B. aus Keramik, aufgebracht ist, besteht in diesem Beispiel aus einem Si¬ liziumsubstrat (2), das mit einem zweiten Siliziumkörper (3) verbunden ist (z.B. durch Bonden). Das Siliziumsubstrat (2) weist eine Membran (4) als Schließkörper auf, der dem um eine Durchgangsöffnung (Ventilöffnung) des zweiten Substratkörpers (3) gebildeten Ventilsitz (5) gegenüberliegt. Zwischen Membran (4) und Ventilsitz (5) wird bei der Herstellung des Ventils ein Spalt (6) erzeugt (z.B. durch Trockenätzen). Der Spalt kann so dimensioniert werden, daß die Membran durch eine geringe Druckdifferenz am Ventil gegen den Ventilsitz gepreßt wird. Das Ventil ist dann ge¬ schlossen. Es wird durch eine anliegende Druckdifferenz (Pin>Pou ' ⁿ geschlossenem Zustand gehalten. Beim Ansteuern des Ventils (zum Öffnen) hebt sich die Membran gegen den anliegenden Druck pj _n vom Ventilsitz ab. Dabei wird die Ventilöffnung freigegeben. Der Antrieb kann auf verschiedene Art erfolgen, so z.B. magnetisch, piezoelektrisch oder thermomechanisch.

Ein Beipiel für eine erfindungsgemäße Ventilanordnung ist in Figur 2 dargestellt. Ein¬ laßventil (7) und Entlüftungsventil (8) sind hier auf einem gemeinsamen Chipträger (1) montiert. Der Chipträger befindet sich in einem Gehäuse (9), das einen Einlaßka¬ nal (Druck pj _n ) und einen Auslaßkanal (Druck p _ou t) bildet. Mit dem Gehäuse ist ein Miniaturkolben (10) verbunden. Der Miniaturkolben (10) wird gegen die Kraft einer Rückstellfeder durch den Druck pj _n nach oben bewegt, sobald das Einlaßventil (7) geöffnet wird (Entlüftungsventil geschlossen). Nach Erreichen des Druckes pj _n am Kolben nimmt das Einlaßventil durch Abschalten der Ansteuerung zum Öffnen des Ventils seine Ruhestellung ein. Die Leckrate des Kolbens oder des Gehäuses wird

durch den Gasfluß ausgeglichen, der über den Spalt des Einlaßventils nachströmt. Auf diese Weise wird ein Druckverlust am Stellelement verhindert. Nach Schließen des Einlaßventils und öffnen des Entlüftungsventils (8) entleert sich das Volumen am Kolben bis auf den Druck p _ou χ (Pin^out)- ^so daß der Kolben durch die Feder in seine Ausgangsposition zurückgestellt wird. Das Stellelement könnte natürlich auch direkt in das obere Gehäuseteil integriert werden. Ebenso kann die Ansteuerung für die Ventile direkt auf dem Chipträger an¬ geordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform (Anspruch 8) können auch beide Ventile in einem gemeinsamen Chip integriert sein.

Figur 3 zeigt ein weiteres Beipiel für die erfindungsgemäße Ventilanordnung. Die An¬ ordnung arbeitet in der bereits bei Figur 2 beschriebenen Weise. Bei dieser Ausfüh¬ rungsform sind Ein- und Auslaßventil auf unterschiedlichen Chipträgern (1) montiert, die in einem Gehäuse (9) übereinander angeordnet sind. Das Stellelement (10) ist seitlich am Gehäuse angebracht.

Die erfindungsgemäße Ventilanordnung weist in diesem Ausführungsbeispiel Mikro- ventile auf, die nach einem kombinierten thermomechanisch thermopneumatischen Wirkungsprinzip arbeiten, wie beispielsweise in der DE 44 18 450 beschrieben. Die eingestellte Spaltbreite beträgt in diesem Beispiel ca. 30 μm. Die gesamte Ventilan¬ ordnung hat Abmessungen von ca. 10 x 10 x 7 mrc . Aufgrund der Volumina der Ventilanordnung des Kolbens sind die Schaltzeiten sehr kurz.

Figur 4 zeigt den Aufbau einer Meßanordnung, mit der das dynamische Verhalten des bistabilen Schalters untersucht wurde. Anstelle des Miniaturkolbens wurde ein temperaturkompensierter Siliziumdrucksensor (1 1) angeschlossen. Mit einem Silizium¬ durchflußsensor (12) wurde der Gasfluß beim Schalten gemessen (Verzögerung 3 ms). Um Oszillationen in der Zuleitung zu verringern, ist ein 0,4 Liter großer Druck¬ speicher (13) vor den Durchflußsensor geschaltet.

In Figur 5 sind die entsprechenden Meßwerte für unterschiedliche Eingangsdrücke Pj _n dargestellt. T _on entspricht der Zeitspanne bis zum Erreichen von 90% des Wertes

von pj _n am Drucksensor (1 1) (Druck p _s ). T ₀ ff ist dementsprechend die Zeit bis p _s auf 10% von pj _n gefallen ist. Die Dauer des Anteuerungsimpulses (Impuls) zum öffnen der Ventile liegt in diesem Beispiel zwischen 30 und 100 ms.

Die Figuren 6 und 7 zeigen Meßkurven für 2,5 bar Eingangsdruck pj _n , die die in den vorangegangenen Absätzen beschriebenen Schaltvorgänge unterstreichen.

Figur 6 zeigt den Gasfluß durch den Durchflußsensor bzw. den Druckanstieg am Drucksensor (p _s ) bei Ansteuern des Einlaßventils für 50 ms bei einer Leistung von 4,5 W und einem Eingangsdruck von 2,5 bar.

Figur 7 zeigt den Gasfluß durch den Durchflußsensor bzw. den Druckabfall am Drucksensor (p _s ) beim Ansteuern des Entlüftungsventils für 50 ms bei einer Leistung von 4,5 W und einem Eingangsdruck von 2,5 bar. Der kurze Gasfluß, der in Figur 7 zu erkennen ist, dokumentiert das Schließen des Eingangsventils (7) durch den bei Ansteuern des Entlüftungsventils (8) im Schalter entstehenden Druckabfall. Entscheidend für die Schaltzeiten sind die Volumina von Schalter und Stellelement. Die Bistabilität des Schalters kommt in den Meßkurven der Abbildungen 6 und 7 deutlich zum Ausdruck. Ist der elektrische Impuls zu kurz, reduziert sich der Druck nach einer gewissen Zeit auf den Ausgangswert.

Pro Schaltzyklus (ein und aus) wird ca. 1 cm^ Gas verbraucht. Als Arbeitsgas kann ne¬ ben N2 z.B. auch CO2 verwendet werden, das in kleinen Gaspatronen erhältlich ist. Der effektive Verbrauch an elektrischer Energie ist gering. Die erzielbaren Kräfte und Stellwege sind hoch.

Unter Verwendung einer derartigen Ventilanordnung könnte beispielsweise ein Mi¬ kroanalysesystem auf der Basis von Si-Wafern aufgebaut werden. Mit den Sensorele¬ menten müssen nur passive Strukturen in das Analysesystem integriert werden. Die aktiven Elemente (Antrieb für Ventile und Pumper) können hybrid aufgebracht wer¬ den. Einerseits ist der Antrieb somit mediengetrennt. Andererseits läßt sich das Analy¬ sesystem, das aufgrund der Strukturen im μm-Bereich anfällig gegen Verschmutzung

z.B. durch die Proben ist, verhältnismäßig einfach auswechseln. Es ist daher relativ preiswert.