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DE4422945C2 - Valve - Google Patents

Valve

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DE4422945C2
DE4422945C2 DE4422945A DE4422945A DE4422945C2 DE 4422945 C2 DE4422945 C2 DE 4422945C2 DE 4422945 A DE4422945 A DE 4422945A DE 4422945 A DE4422945 A DE 4422945A DE 4422945 C2 DE4422945 C2 DE 4422945C2
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Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Ventilschließglied zwischen zwei druckbeaufschlagbaren Räumen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Aus der DE 39 19 876 A1 ist bereits ein Ventil bekannt, bei dem das Ventilschließglied mittels eines elektrostatischen Antriebs von einem dichtenden Ventilsitz wegbewegt werden kann. Die dichtende Ausgangsstellung wird hierbei durch eine sich in der Ruhestellung befindliche Membran, an der das Ventilschließglied gehalten ist, und durch die verschiedenen am Ventilschließglied und an der Membran angreifenden Druckkräfte bewirkt. Zur Öffnung des Ventils muß eine ausreichende Kraft aufgebracht werden, um insbesondere eine Auslenkung der Membran zu bewerkstelligen, die zu einer entsprechenden Bewegung des Ventilschließgliedes führt.The invention relates to a valve with a valve closing member between two pressurizable rooms according to the preamble of claim 1. Aus DE 39 19 876 A1 a valve is already known in which the valve closing member moved away from a sealing valve seat by means of an electrostatic drive can be. The starting position is sealed by a Resting membrane on which the valve closing member is held, and due to the different ones acting on the valve closing element and on the membrane Pressure forces. Sufficient force is required to open the valve are applied, in particular to deflect the membrane accomplish the corresponding movement of the valve closing member leads.

Ein Ventil mit allen Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE 38 14 150 A1 bekannt. Auch hier ist ein Ventilschließglied, das zwischen zwei mit Druckmittel beaufschlagbaren Räumen in einem Ventilgehäuse angeordnet und an einen Ventilsitz an einer gemeinsamen Wand der Räume dichtend anlegbar ist, über eine Membrananordnung mit dem Ventilgehäuse federnd verbunden ist. Die Membrananordnung weist hier nur eine Membran auf. Das Ventil besitzt einen Piezoantrieb und einen elektrostatischen Antrieb. Der Piezoantrieb ist dafür ausgelegt, um einen möglichst großen Weg zu machen und dabei das Ventilschließglied gegen die Kraft der Membran zu bewegen, während der elektrostatische Antrieb auf eine möglichst hohe Haltekraft ausgelegt ist. Bei dem bekannten Ventil ist somit der Hub des Ventilschließgliedes durch den Hub des Piezoantriebs bestimmt. A valve with all the features from the preamble of claim 1 is from known from DE 38 14 150 A1. Again, there is a valve closing member that is between two pressurized spaces arranged in a valve housing and can be sealed to a valve seat on a common wall of the rooms is resiliently connected to the valve housing via a membrane arrangement. The Here, the membrane arrangement has only one membrane. The valve has one Piezo drive and an electrostatic drive. The piezo drive is for that designed to make the greatest possible way and thereby Valve closing member to move against the force of the membrane during the electrostatic drive is designed for the highest possible holding force. In which known valve is thus the stroke of the valve closing member by the stroke of the Piezo drive determined.  

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Ventil ist insofern vorteilhaft, daß durch das Zusammen­ wirken der Federeigenschaften der Membranen ständig Energie im Bewegungs­ system des Ventils gespeichert ist, so daß zur Betätigung des Ventils nur relativ geringe zusätzliche Energie aufgebracht werden muß. Der mit elektrostatischen Antrieben realisierbare geringe Hub läßt sich durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Ventils stei­ gern. Durch eine geeignete Dimensionierung des Systems kann erreicht werden, daß der Arbeitsbereich der elektro­ statischen Antriebe bestmöglichst ausgenutzt wird.The valve according to the invention is advantageous in that the combination the spring properties of the membranes constantly have energy in motion System of the valve is stored, so that only relatively relative to the actuation of the valve  little additional energy must be applied. The one with electrostatic drives can be realized small stroke rise through the construction of the valve according to the invention gladly. By appropriately dimensioning the system can be achieved that the working area of the electro static drives is used as much as possible.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind mit Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventils gemäß der Unteransprüche zu schaffen. Insbesondere eine einfache und sehr wirkungsvolle Herstellungsweise mit mikromechanischen Fertigungsverfahren in Schichtbauweise weist erhebliche Vorteile auf.Advantageous further developments are with embodiments of valve according to the invention according to the dependent claims create. In particular, a simple and very effective Manufacturing method with micromechanical manufacturing processes in layered construction has considerable advantages.

Zeichnungdrawing

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:An embodiment of the valve according to the invention is explained using the drawing. Show it:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ventil mit geschlos­ senem Ventilsitz, Fig. 1 shows a section through a valve with CLOSED senem valve seat,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Ventil mit geöffnetem Ventilsitz, Fig. 2 shows a section through a valve seat with the valve open,

Fig. 3 ein Diagramm der Federkennlinien der unter­ schiedlichen Membranen über dem zurückgelegten Weg des Ventilschließgliedes, Fig. 3 is a graph of the spring characteristics of the difference union membranes above the path covered by the valve closing member,

Fig. 4 die Kennlinien von Antrieben des Ventils und Fig. 4 shows the characteristics of drives of the valve and

Fig. 5 und 6 weitere Diagramme mit Kraftverläufen bei unterschiedlichen Antriebssituationen. FIGS. 5 and 6 further diagrams with force development at different drive situations.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

In der Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein Ventilgehäuse 1 dargestellt, bei dem im Inneren ein Ventilschließglied 2 zwischen zwei druckbeaufschlagbaren Räumen 3 und 4 angeord­ net ist. Im inneren Raum 3 ist ein Druck P2 aufgebaut, wo­ bei als Druckmittel vorzugsweise eine Flüssigkeit dient, die durch einen hier nicht gezeigten Zulauf einbringbar ist. Im äußeren Raum 4 herrscht ein Druck P1, der vorzugsweise mittels Luft erzeugt wird. In dieser Ausführungsform ist das Ventil beispielsweise als Kraftstoff-Einspritzven­ til einsetzbar. Die Abdichtung zwischen den Räumen 3 und 4 erfolgt über einen hier ringförmigen Ventilsitz 5.In Fig. 1 a section through a valve housing 1 is shown, in which inside a valve closing member 2 between two pressurizable spaces 3 and 4 is net angeord. A pressure P2 is built up in the inner space 3 , where a liquid is preferably used as the pressure medium, which can be introduced through an inlet, not shown here. A pressure P1 prevails in the outer space 4 , which is preferably generated by means of air. In this embodiment, the valve can be used, for example, as a fuel injection valve. The sealing between the rooms 3 and 4 takes place via an annular valve seat 5 here .

Zur weiteren Erläuterung wird auch auf die Fig. 2 Bezug genommen, die einen Schnitt durch das gleiche Ausführungs­ beispiel mit geöffnetem Ventilschließglied 2 zeigt. Zur Be­ tätigung des Ventilschließgliedes 2 sind Antriebe 6 und 7 vorhanden, die beispielsweise durch elektrostatische Kraft­ wirkung eine Bewegung des Ventilschließgliedes 2 bewirken. Das Ventilschließglied 2 ist mit einer Anordnung aus ring­ förmigen Membranen 8 und 9 über einen zylindrischen Absatz 10 verbunden. Die dem Ventilschließglied 2 zugewandte Mem­ bran 8 besitzt einen nahezu linearen Kraft-Federwegverlauf und die andere Membran 9 weist jeweils in ihren End- /Ruhestellungen einen stabilen Charakter auf, sodaß quasi ein Einrasten des Ventilschließgliedes 2 mit relativ klei­ nen Kräften gewährleistet ist.For further explanation, reference is also made to FIG. 2, which shows a section through the same embodiment, for example, with the valve closing member 2 open. For actuation of the valve closing member 2 , drives 6 and 7 are provided, which effect a movement of the valve closing member 2 , for example, by electrostatic force. The valve closing member 2 is connected to an arrangement of ring-shaped membranes 8 and 9 via a cylindrical shoulder 10 . The valve closing member 2 facing Mem bran 8 has an almost linear force-spring travel and the other membrane 9 each has a stable character in its end / rest positions, so that quasi locking of the valve closing member 2 is ensured with relatively small forces.

Zur Erläuterung der Funktionsweise des dargestellten Ausführungsbeispiels wird auf die in den Fig. 3 bis 6 gezeigten Diagramme verwiesen. In der Fig. 3 ist der Ver­ lauf des von der bistabilen Membran 9 zurückgelegten Weges S in Abhängigkeit von der aufgebrachten Kraft F gestrichelt (Kurve 11) gezeichnet. Die punktierte Kurve 12 zeigt den Verlauf des Federweges der Membran 8 und die Kurve 13 zeigt den Summenverlauf aus beiden Kurven 11 und 12, der den tatsächlichen Verhältnissen am Ventilschließglied 2 ent­ spricht. An der Flanke 14 in der Kurve 11 ist das Einrasten der Membran 9 bei Erreichen ihrer einen Ruhestellung nach Aufbringen einer ausreichenden Kraft F zu erkennen. Die un­ terschiedlichen Steigungen der Kurve 12 an der Flanke 14 resultiert aus einem Anlegen der Membran 8 an die Membran 9 während der Abwärtsbewegung.To explain the mode of operation of the exemplary embodiment shown, reference is made to the diagrams shown in FIGS. 3 to 6. In Fig. 3, the United course of the path S traveled by the bistable membrane 9 in dependence on the applied force F is drawn in broken lines (curve 11 ). The dotted curve 12 shows the course of the spring travel of the diaphragm 8 and the curve 13 shows the sum course of the two curves 11 and 12 , which speaks ent the actual conditions on the valve closing member 2 . On the flank 14 in curve 11 , the engagement of the membrane 9 can be seen when it reaches its one rest position after applying a sufficient force F. The different slopes of the curve 12 on the flank 14 results from the application of the membrane 8 to the membrane 9 during the downward movement.

In der Fig. 4 ist mit der Kurve 15 der hyperbolische Ver­ lauf der Wirkung des elektrostatischen Antriebs 6 bei der Öffnung des Ventilschließgliedes 2, d. h. bei der Abwärtsbe­ wegung und der Überwindung der Federkraft der Membranen 8 und 9 gezeigt. Nach Einrasten der bistabilen Membran 9 wird der Antrieb 7 als Halteantrieb zugeschaltet (Kurve 16), mit dem insbesondere die Rückstellkraft der nunmehr gespannten Membran 8 überwunden wird.In Fig. 4 with the curve 15 of the hyperbolic United course of the action of the electrostatic drive 6 at the opening of the valve closing member 2 , ie in the downward movement and overcoming the spring force of the membranes 8 and 9 is shown. After the bistable membrane 9 has engaged, the drive 7 is switched on as a holding drive (curve 16 ), with which the restoring force of the membrane 8, which is now tensioned, is overcome.

Die Fig. 5 zeigt anhand der Kurve 17 den Öffnungsvorgang des Ventilschließgliedes 2 bei eingeschalteten Antrieben 6 und 7. Die Energie der Antriebe 6 und 7 wird hierbei nur in den Bereichen, in denen der Federkennlinienverlauf (vgl. Fig. 1, Kurve 13 vor Flanke 14 und ab Punkt 19) positiv (schließend) wirkt, benötigt. Der durch das Einrasten der bistabilen Membran 9 zurückgelegte Weg (negative, öffnende Kraft der Kurve 13 in Fig. 1) muß hierbei nicht von den An­ trieben 6 oder 7 bewältigt werden, wodurch der Gesamthub des Systems entsprechend vergrößert wird. Fig. 5 shows by means of curve 17 the opening operation of the valve closing member 2 when the front actuators 6 and 7. The energy of the drives 6 and 7 is only required in the areas in which the spring characteristic curve (cf. FIG. 1, curve 13 in front of edge 14 and from point 19 ) has a positive (closing) effect. The path covered by the latching of the bistable membrane 9 (negative, opening force of the curve 13 in Fig. 1) does not have to be managed by the drives 6 or 7 , whereby the overall stroke of the system is increased accordingly.

In der Fig. 6 ist der Kennlinienverlauf beim Schließvor­ gang des Ventilschließgliedes 2 anhand der Kurve 18 darge­ stellt. Nach dem Abschalten der beiden Antriebe 6 und 7 zieht die beim Öffnen vorgespannte Membran 8 das Ventil­ schließglied 2 zu, wobei die kinetische Energie der beweg­ ten Teile groß genug sein muß, um eine Überwindung des Rastpunktes der bistabilen Membran 9 zu gewährleisten. Die Arbeitsrichtung der Membranen 8 und 9 anhand des Kraftver­ laufs ist hier wie bei der Fig. 5 durch Pfeile ge­ kennzeichnet.In FIG. 6, the characteristic curve is in gear Schließvor the valve closure member 2 by the curve 18 represents Darge. After switching off the two drives 6 and 7, the biased upon opening membrane 8 pulls the valve closing member 2 , the kinetic energy of the moving parts must be large enough to ensure that the latching point of the bistable membrane 9 is overcome. The working direction of the membranes 8 and 9 based on the Kraftver course is marked here by arrows as in FIG. 5.

Claims (8)

1. Ventil mit
einem Ventilschließglied (2), das zwischen zwei mit Druckmittel beaufschlagbaren Räumen (3, 4) in einem Ventilgehäuse angeordnet und an einen Ventilsitz (5) an einer gemeinsamen Wand der Räume (3, 4) dichtend anlegbar ist,
einer Membrananordnung (8, 9), über die das Ventilschließglied (2) mit dem Ventilgehäuse (1) federnd verbunden ist und
mit zwei in dieselbe Richtung wirkenden Antrieben (6, 7) zur Betätigung des Ventilschließgliedes (2) zwischen zwei Ruhepositionen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Membrananordnung (8, 9) eine erste Membran (8), die ein nahezu lineares Auslenkverhalten mit einer Ruhestellung besitzt, und eine zweite, bistabile Membran (9) aufweist, die zwei Ruhestellungen besitzt und
daß von einem ersten Antrieb (6) im wesentlichen nur im Nahbereich der einen Ruheposition des Ventilschließgliedes (2) und vom zweiten Antrieb (7) im wesentlichen nur im Nahbereich der anderen Ruheposition des Ventilschließgliedes (2) eine Kraft auf das Ventilschließglied (2) und die Membrananordnung (8, 9) ausübbar ist.1st valve with
a valve closing member ( 2 ) which is arranged between two spaces ( 3 , 4 ) which can be pressurized in a valve housing and which can be sealed against a valve seat ( 5 ) on a common wall of the spaces ( 3 , 4 ),
a membrane arrangement ( 8 , 9 ), via which the valve closing member ( 2 ) is resiliently connected to the valve housing ( 1 ) and
with two drives ( 6 , 7 ) acting in the same direction for actuating the valve closing member ( 2 ) between two rest positions,
characterized by
that the membrane arrangement ( 8 , 9 ) has a first membrane ( 8 ), which has an almost linear deflection behavior with a rest position, and a second, bistable membrane ( 9 ), which has two rest positions and
that from a first drive ( 6 ) essentially only in the vicinity of a rest position of the valve closing member ( 2 ) and from the second drive ( 7 ) essentially only in the vicinity of the other rest position of the valve closing member ( 2 ) a force on the valve closing member ( 2 ) and the membrane arrangement ( 8 , 9 ) can be exercised. 2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Membrane (8, 9) Ring- oder Rechteckmembrane sind, die jeweils an ihrem äußeren Rand in einem Abstand voneinander in Bewegungsrichtung des Ventilschließgliedes (2) im Innenraum des Gehäuse (1) und an ihrem inneren Rand gemeinsam an einem zylinderförmigen oder rechteckigen Absatz (10) des Ventilschließgliedes (2) befestigt sind, wobei die zweite, bistabile Membran (9) an der dem Ventilschließglied (2) abgewandten Seite der Membrananordnung (8, 9) liegt.2. Valve according to claim 1, characterized in that the two membranes ( 8 , 9 ) are ring or rectangular membrane, each at their outer edge at a distance from each other in the direction of movement of the valve closing member ( 2 ) in the interior of the housing ( 1 ) and are fastened together at their inner edge to a cylindrical or rectangular shoulder ( 10 ) of the valve closing member ( 2 ), the second bistable membrane ( 9 ) being located on the side of the membrane arrangement ( 8 , 9 ) facing away from the valve closing member ( 2 ). 3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe (6, 7) elektrisch betätigbar sind. 3. Valve according to claim 1 or 2, characterized in that the drives ( 6 , 7 ) are electrically operable. 4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Antriebe (6, 7) das Ventilschließglied (2) über elektrostatische Kräfte betätigen.4. Valve according to claim 3, characterized in that the drives ( 6 , 7 ) actuate the valve closing member ( 2 ) via electrostatic forces. 5. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe (6, 7) das Ventilschließglied (2) über elektromagnetische Kräfte betätigen.5. Valve according to claim 3, characterized in that the drives ( 6 , 7 ) actuate the valve closing member ( 2 ) via electromagnetic forces. 6. Ventil nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß es als Mikroventil mit Mehrschichtenstruktur in Silizium-Technologie hergestellt ist.6. Valve according to one of the preceding claims, characterized in that it is manufactured as a micro valve with a multilayer structure in silicon technology. 7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es als Mikroventil mit Mehrschichtenstruktur in Dünnschicht- oder Dickschicht-Technologie hergestellt ist.7. Valve according to one of claims 1 to 5, characterized in that it as a microvalve with a multi-layer structure in thin-layer or thick-layer technology is made. 8. Ventil nach einem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch seine Verwendung in der Mikrodosiertechnik, insbesondere für Kraftstoff-Einspritzventile oder für Servoventile.8. Valve according to any preceding claim, marked by its use in microdosing technology, especially for fuel injectors or for servo valves.
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