DE29514308U1

DE29514308U1 - Pneumatik-Ventil mit integriertem Druckverstärker

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Publication number: DE29514308U1
Application number: DE29514308U
Authority: DE
Original assignee: CMS Mikrosysteme GmbH Chemnitz
Current assignee: Cms Mikrosysteme Chemnitz De GmbH
Priority date: 1995-09-05
Filing date: 1995-09-05
Publication date: 1995-11-09
Anticipated expiration: 2005-09-06

Description

1
Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Pneumatik-Ventil mit integiertem Druckverstärker.

Membranventile mit vielfältigen Konstruktionsmerkmalen, Antriebsmechanismen und Materialien der Membran sind in den unterschiedlichsten Veröffentlichungen zu finden. Den Aufbau von Membranventilen beschreiben unter anderem die EP 0 190 414, EP 0 424 676, EP 0 444 007 und EP 0 608 523.

Die EP 0 190 414 Druckmittelbetätigtes Membranventil beschreibt eine besondere Gestaltung der Ventilfläche, die mit einer zusätzlichen Dichtkante ausgerüstet ist.

In der EP 0 424 676 Membranventil wird die Membran an einem Druckstück befestigt. Damit muß das Druckstück zur schließenden Öffnung mitgeführt werden, daß die Schaltfrequenz wesentlich verringert. Eine Beeinflussung der notwendigen Anpreßdrücke beim Verschließen des Ventils über den Aufbau selbst ist dabei nicht möglich.

Eine ähnliche Lösung ist in der EP 0 608 523 Membranventil mit Schließhubbegrenzung aufgeführt. Diese Lösung dient aber nur einer durch ein Handrad und einer Gewindemutter voreinstellbaren Hubbegrenzung im Ventilweg. Die Membran ist bei dieser Lösung wiederum mit dem Schließmechanismus fest verbunden und besitzt damit gleiche Nachteile, wie sie die Lösung der EP 0 424 676 aufweist.

Die EP 0 444 007 Elektromagnetisch betätigbares Ventil beschreibt ein Membranventil, wobei die Membran scheibenförmig ausgebildet ist und eine gehäusefeste Einspannung aufweist. Die Betätigung erfolgt wiederum durch einen beweglichen Kolben, der direkt auf diese Membran wirkt. Allen Lösungen ist eine unmittelbare Kopplung von Membran

und Antrieb gemeinsam. Der Antrieb wirkt damit direkt auf den Ventilverschluß. Die Dichtheit wird direkt durch den Anpreßdruck, den der Antrieb ausübt, gewährleistet. Lösungen, in denen das fließende Medium auf den Stellmechanismus wirkt, sind unter anderem in Schriften DE OS 37 03 303 und DE OS 43 00 733 zu finden.

In der DE OS 37 03 303 wird ein Schnellschluß-Absperrschieber beschrieben. Ein Kolben, der durch Eigenmedium beaufschlagt wird, das aus der Zuleitung entnommen wird, ist dabei mit einem Absperrorgan in Form eines Schiebers verbunden. Ein selbsttätiges Öffnen ist dabei nach dem Schließvorgang nicht vorgesehen.

In der DE OS 43 00 733 ist ein Ventil veröffentlicht. Ein Ventilteller wird dabei ausschließlich durch den Mediumsdruck entgegen der Strömung des Mediums gegen den Ventilsitz gedrückt. Damit erfolgt ein sanftes Schließen des Ventils.

Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Schließzeit eines Pneumatik-Ventils bei gleichbleibenden Antriebsbedingungen wesentlich zu verkürzen .

Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung einer Druckkammer erfolgt eine Vergrößerung der Auslenkung des Antriebs auf die Bewegung einer flexiblen Wand als Schließanordnung des Pneumatik-Ventils Damit kann zum einen die Masse des Antriebs verringert werden, das zu einer Verstärkung der Dynamik des gesamten Pneumatik-Ventils führt. Zum anderen können Antriebe mit kleinen Auslenkungen eingesetzt werden, wobei ebenfalls die Dynamik

des gesaraten Pneumatik-Ventils gesteigert wird. Ein weiterer Aspekt stellt die Erhöhung des Anpressdruckes der flexiblen Wand durch die Anordnung der Druckkammer auf die Ventilöffnung gegenüber einer Anordnung ohne Druckkammer bei vergleichsweise gleichen Auslenkungen des Antriebs dar. Damit können Medien mit höheren Drücken beeinflußt werden. Begünstigt wird dieses Verhalten zum einen mit der Anordnung einer Düse zur Druckkammer, die mit dem Eingangskanal verbunden ist. Dadurch ergeben sich die gleichen Druckverhältnisse in der Druckkammer und dem Eingangskanal·. Während des Schließvorganges des Ventiis steigt der Druck im Eingangskanal, wodurch der Druck in der Druckkammer entsprechend steigt und den Schließvorgang unterstützt.

Zum anderen erfolgt eine Druckverstärkung während der Bewegung des Antriebs mit der daran befestigten Membran zur Abdichtdüse durch die Verhältnisse Druckkammer-, Anschlußkammervolumen und Größe der Abdichtdüse.

Die Öffnung nach außen in der Auslaßkammer dient dem Druckausgleich des Ventils.

Die universelle Gestaltungsmöglichkeit der Geometrie des Eingangs- und Ausgangskanals erlaubt eine beliebige Anpassung an bestehende oder zu entwickelnde Anlagen.

Ein Schichtaufbau des Gehäuses und damit des gesamten Pneumatik-Ventils begünstigt eine Miniaturisierung. Die einzelnen Schichten und damit die Strukturen werden durch fotolithografische Prozesse und Ätzen hergestellt. Damit können die bekannten Verfahren der Halbleiterherste^ung eingesetzt werden.

Mit dieser Anordnung können unter anderem die Zusammensetzungen von den Produktionsprozeß bestimmenden Athmosphären in kurzer Zeit verändert werden. Damit ergeben sich besondere Vorteile bei der Herstellung mikroelektronischer oder -mechanischer Bauteile oder Baugruppen. Weiterhin ergeben sich besondere Vorteile bei medizinischen Anwendungen, bei denen Dosierungen eine wesentliche Bedeutung haben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen 2 bis 9 angegeben.

Das Resultat einer Druckerhöhung in der Druckkammer bei Auslenkung des Antriebes zur Abdichtdüse entsteht durch Anäherung der Membran zum Rand der Abdichtdüse, entsprechend der Weiterbildung nach Schutzanspruch 2.

Die Weiterbildung nach Schutzanspruch 3 führt dazu, daß bei Betätigung des Antriebes der daraus resultierende Druck in Richtung der flexiblen Wand und nicht durch die Düse auf den Eingangskanal wirkt.

Die Schutzansprüche 4 und 5 zeigen Weiterbildungen hinsichtlich der Gestaltung der flexiblen Wand auf.

Die Realisierung des Pneumatik-Ventils mit einem Schichtaufbau aus Silizium entsprechend den Weiterbildungen der Schutzansprüche 7 und 8 begünstigt die Miniaturisierung und die Herstellung eines mikromechanischen Bauelements.

Die Weiterbildung nach Schutzanspruch 9 beschreibt die Kraft-Weg-Kennünie des verwendeten Antriebs.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dieses und ein weiteres wird im folgenden näher beschrieben.

Die Figur zeigt den prinzipiellen Aufbau des Pneumatik-Ventils mit integriertem Druckverstärker in einer Schnittdarstellung.

Das Pneumatik-Ventil mit integriertem Druckverstärker entsprechend der Figur wird über den Eingangs- 7 und Auslaßkanal 12 in den zu beeinflussenden Medienstrom plaziert. Sie sind als rohrförmige Stutzen ausgebildet, so daß Schlauchenden

über diese geschoben werden. Damit ergibt sich eine sehr einfache Montagemöglichkeit in neu zu konzipierende oder bereits bestehende Anlagen.

Der Eingangs- 7 und Auslaßkanal 12 sind über die Ventilöffnung 10, die Ventilkammer 9 und die Austrittsöffnung 11 räumlich miteinander verbunden, aber durch eine feste Wand voneinander getrennt.

Die Ventilöffnung 10 weist eine geringere Grundfläche als die Grundfläche der Ventilkammer 8 auf. Den Abschluß der Ventilkammer 9 bildet eine Seite einer flexiblen Wand 8, die mit dem Gehäuse 17 fest und luftdicht verbunden ist und sich über der mittig angeordneten Ventilöffnung befindet. Bei einer Auslenkung der flexiblen Wand 8 zur Ventilöffnung 10, wird diese vollständig durch dieselbe verschlossen'und der Fluß vom Eingangs- 7 zum Auslaßkanal 12 unterbrochen. Die flexible Wand 8 besteht vollständig aus Gummi, einem gummiartigen Material oder einem Schichtverbund aus einem gummiartigen Material und einer profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder mit vorzugsweise einem verformungssteifen Zentrum. Im zweiten Fall befindet sich das gummiartige Material auf der Seite zur Ventilöffnung 10. Auf der anderen Seite der flexiblen Wand 8 ist eine Druckkammer 5 angeordnet, die vorzugsweise eine der Ventilkammer 9 analoge geometrische Grundfläche besitzt. Diese wird durch das Gehäuse 17 seitlich begrenzt. Die Druckkammer 5 besitzt in der Seitenwand des Gehäuses 17 eine Düse 6 in Form einer Bohrung, die über einen sich anschließenden Kanal im Gehäuse 17 mit dem Eingangskanal 7 verbunden ist.

Auf der der flexiblen Wand 8 gegenüberliegenden Seite der Druckkammer 5 befindet sich mittig in der Deckplatte eine Abdichtdüse 2, die diese mit einer Auslaßkammer 3 verbindet. Diese Abdichtdüse weist einen in die Auslaßkammer 3 hineinragenden Rand 13 auf. Die Öffnung der Düse 6 ist dabei kleiner als die der Abdichtdüse 2.
Die Auslaßkammer 3 wird durch das Gehäuse 17 und eine Membran

16, die rait dem Gehäuse 17 fest und luftdicht verbunden und an die der Antrieb 1 angekoppelt ist, begrenzt. Weiterhin weist diese eine Öffnung mit einem Auslaßstutzen 15 nach außen auf, so daß bei Öffnung des Pneumatik-Ventils der Druck der Druckkammer 5 nach außen entweichen und sich damit die flexible Wand 8 in den Ausgangszustand begeben kann. Der Abstand zwischen Oberkante des Randes 13 der Abdichtdüse 2 und der Membran ist so zu bemessen, daß bei vollständiger Auslenkung der Membran durch den Antrieb 1 die Abdichtdüse 2 vollständig oder nicht vollständig geschlossen ist. Der Antrieb 1 ist zweckmäßigerweise in das Gehäuse 17 des Pneumatik-Ventils integriert und weist eine lineare, progressive oder degressive Kraft-Weg-Kennlinie auf.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 17 in Schichten aufgebaut. Die einzelnen Schichten bestehen aus

- Eingangs- 7 und Auslaßkanal 12,

- Ventilkammer 9 mit der Ventilöffnung 10, der Austrittsöffnung 11 und dem Kanal 14,

- Druckkammer 5 mit der flexiblen Wand 8 und der Düse 6,

- Auslaßkammer 3 mit der Abdichtdüse 2 und der Öffnung 4 und

- Antrieb 1 mit der Membran 16, die übereinander angeordnet und miteinander fest verbunden sind.

Dabei bestehen das Gehäuse 17, die flexible Wand 8 und die Membran 16 aus Silizium.

Die Schichtfolge kann auch vom Antrieb 1 zu dem Eingangs-7 und Auslaßkanal 12 realisiert werden, so daß eine Platte sowohl den Eingangs- 7 als auch den Auslaßkanal 12 abschließt.

Claims

Schutzansprüche

1. Pneumatik-Ventil mit integriertem Druckverstärker, gekennzeichnet dadurch, daß ein Eingangskanal (7) über eine Ventilöffnung (10) mit einer Ventilkammer (9) und ein vorzugsweise gleichgestalteter Auslaßkanal (12) über eine Austrittsöffnung (11) mit dieser verbunden ist, daß die Grundfläche der Ventilöffnung (10) kleiner als die der Ventilkammer (9) ist und sich die Ventilöffnung in der Mitte befindet, daß sich über der Ventilöffnung (10) eine erste Seite einer flexiblen Wand (8), die die Ventilkammer (9) luftdicht abschließt, so angeordnet ist, daß bei einer Auslenkung der flexiblen Wand (8) zur Ventilöffnung (10) diese vollständig abgedeckt ist, daß die andere Seite der flexiblen Wand (8) und das Gehäuse (17) eine Druckkammer (5) bilden, die zum einen durch eine Düse (6) im Gehäuse (17) und einen daran sich anschließendem Kanal (14) mit dem Eingangskanal·

(7) verbunden ist und zum anderen auf der der flexiblen Wand

(8) gegenüberliegenden Seite eine mittig angeordnete Abdichtdüse (2) aufweist, daß diese in ihrer Grundfläche kleiner als die Grundfläche der Druckkammer (5) ist und daß durch diese eine Verbindung zwischen der Druckkammer (5) und einer Auslaßkammer (3), die durch eine Zwischenwand des Gehäuses (17) mit der Abdichtdüse (2), dem Gehäuse (17) und einer mit diesem fest verbundener und diese dadurch luftdicht abschließender Membran (16) gebildet wird und die mit dem Antrieb (1) fest zusammengekoppelt ist, besteht, daß die Auslaßkammer (3) nach außen eine Öffnung (4) im Gehäuse (17) aufweist und daß die Abdichtdüse (2) zum Antrieb (1) mit einem in die Auslaßkammer (3) ragenden Rand (13) ausgestattet ist.

2. Pneumatik-Ventil nach Schutzanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Antrieb (1) so über dem Rand (13) der Abdichtdüse (2) angeordnet ist, daß bei einer Bewegung der Membran (16) zur Abdichtdüse (2) diese im Umkehrpunkt voll ständig oder nicht vollständig geschlossen ist.

3. Pneumatik-Ventil nach Schutzanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Öffnung der Düse (6) kleiner als die Öffnung der Abdichtdüse (2) ist.

4. Pneumatik-Ventil nach Schutzanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die flexible Wand (8) vorzugsweise aus Gummi oder einem gummiartigen Material besteht.

5. Pneumatik-Ventil nach Schutzanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die flexible Wand (8) vorzugsweise aus einem Materialverbund vorzugsweise einer profilierten und/oder durchbrochenen Membranfeder und Gummi besteht.

6. Pneumatik-Ventil insbesondere nach Schutzanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Gehäuse (17) einen Schichtaufbau aufweist.

7. Pneumatik-Ventil nach Schutzanspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Schichten

- Eingangs- (7) und Auslaßkanal (12),

- Ventilkamtner (9) mit der Ventilöffnung (10), der Austrittsöffnung (11) und dem Kanal (14),

- Druckkammer (5) mit der flexiblen Wand (8) und der Düse (6),

- Auslaßkammer (3) mit der Abdichtdüse (2) und der Öffnung (4) und

- Antrieb (1) mit der Membran (16) übereinander angeordnet und miteinander fest verbunden sind.

8. Pneumatik-Ventil nach Schutzanspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß das Gehäuse (17), die flexible Wand (8) und die Membran (16) vorzugsweise aus Silizium bestehen.

9. Pneumatik-Ventil nach den Schutzansprüchen 1 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Antrieb (1) eine lineare, progressive oder degressive Kraft-Weg-Kennlinie besitzt.