DE4422971A1 - Micro-valve with valve housing built up from several layers - Google Patents

Micro-valve with valve housing built up from several layers

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Abstract

A layer (12) effecting the stroke movement of the valve closing element (2) is provided, on which at least two regions (13-16) are arranged in a way with relatively high thermal expansion coefficients. A thermal loading of a part of the regions (13-16) and the layer (12) leads to an axial movement of the valve closing element (2). The regions (13-16) are located lying outside the layer (12), arranged around the central axis of the micro-valve (1). The regions (13-16) are arranged in a zone, and are fixed axially movable between a central and an outer axially unmoving zone.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Mikroventil als temperaturkom­ pensierten Mikroaktor in einem Mehrschichtaufbau, mit einem axial beweglichen Ventilschließglied nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention relates to a microvalve as Temperaturkom micro-actuator in a multi-layer construction, with a axially movable valve closing member according to the genus of Main claim.

Bei einem bekannten Mikroaktor der eingangs angegebenen Art (DE-OS 42 34 237) ist ein Biegeelement vorhanden, auf dem Materialbereiche mit einem relativ hohen Wärmeausdehnungs­ koeffizienten angeordnet sind. Durch eine gezielte Wärmebe­ aufschlagung einzelner Bereiche in Verbindung mit der Wir­ kung von benachbarten, nicht erwärmten Bereichen, die der Temperaturkompensation dienen, kann über die unterschiedli­ che Materialausdehnung eine gewünschte Bewegung des Biegee­ lementes erreicht werden. Die Bewegung des Biegeelementes kann hier zu Betätigung des Ventilschließelementes herange­ zogen werden.In a known microactuator of the type specified at the outset (DE-OS 42 34 237) there is a bending element on which Material areas with a relatively high thermal expansion coefficients are arranged. Through a targeted warmth opening of individual areas in connection with us of adjacent, unheated areas that the Temperature compensation can be used via the differ che material expansion a desired movement of the bend lementes can be achieved. The movement of the bending element can be used to actuate the valve closing element be drawn.

Es ist weiterhin ein hinsichtlich des Eingangsdrucks druck­ ausgeglichenes Mikroventil aus der DE-OS 39 19 876 bekannt, bei dem ein Ventilschließglied mittels eines elektrostati­ schen 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 einen durch ein Druckmittel erzeugten, auf den Ventilsitz wirkenden In­ nendruck bewirkt. Zur Betätigung des Mikroventils muß eine ausreichende Kraft aufgebracht werden, um insbesondere eine Auslenkung der Membran zu bewerkstelligen, die zu einer entsprechenden Bewegung des Ventilschließgliedes und damit zur Öffnung des Ventilsitzes führt.It is still a pressure regarding the inlet pressure balanced microvalve known from DE-OS 39 19 876, in which a valve closing member by means of an electrostatic  the actuator moved away from a sealing valve seat can be. The sealing starting position is here through a membrane in the rest position which holds the valve closing member, and a through a pressure medium generated, acting on the valve seat In pressure. To operate the microvalve, a sufficient force to be applied, in particular a Deflection of the membrane to bring about corresponding movement of the valve closing member and thus leads to the opening of the valve seat.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Mikroventil mit den Merkmalen des Kennzeichens des Hauptanspruchs ist insofern vorteilhaft, als daß durch eine Integration von aktiven und passiven Elementen in die Mehrschichtenstruktur des Mikroventils, ein einfacher Antrieb für die Bewegung des Ventilschließ­ gliedes geschaffen wird. Insbesondere das Einbringen von beheizbaren Materialien mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizi­ enten in einer eingespannten, beweglichen Zone konzentrisch zur Mittelachse des Mikroventils schafft günstige konstruk­ tive Möglichkeiten für eine einfache Aktuierung des Mikro­ ventils sowohl in druckausgeglichener als auch nichtdruck­ ausgeglichener Bauweise.The microvalve according to the invention with the features of Characteristic of the main claim is advantageous in that than that through an integration of active and passive Elements in the multilayer structure of the microvalve, a simple drive for the movement of the valve closing link is created. In particular, the introduction of heatable materials with high coefficient of thermal expansion ducks concentrically in a clamped, movable zone to the central axis of the microvalve creates favorable construct tive possibilities for easy activation of the micro valve in both pressure-balanced and non-pressure balanced construction.

Besondere Ausgestaltungen der Schichtenstruktur des erfin­ dungsgemäßen Mikroventils mit aktiven Kraft- und Kompensa­ tionselementen zur Aktuierung des Ventilschließgliedes sind in den Unteransprüchen angegeben.Special configurations of the layer structure of the inventions Micro valve according to the invention with active force and compensation tion elements for actuating the valve closing member specified in the subclaims.

Zeichnungdrawing

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele des erfin­ dungsgemäßen Mikroventils erläutert. Es zeigen: Based on the drawing, embodiments of the inventions are micro valve according to the invention explained. Show it:  

Fig. 1 einen Schnitt durch ein bekanntes, druckausge­ glichenes Mikroventil; Figure 1 is a section through a known, pressure balanced micro valve.

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Hälfte eines rotati­ onssymmetrisch aufgebauten Mikroventils als erstes, nichtdruckausgeglichenes Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung; Figure 2 shows a section through half of a rotati onssymmetrisch constructed microvalve as the first, non-pressure-balanced embodiment of the inven tion.

Fig. 3 ein zweites druckausgeglichenes Ausführungsbei­ spiel und Fig. 3 shows a second pressure balanced game Ausführungsbei and

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel als Abwandlung nach Fig. 3. Fig. 4 shows a third embodiment as a modification of FIG. 3.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

In der Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein, beispielsweise aus der DE-OS 39 19 876, bekanntes Mikroventil 1 darge­ stellt, bei dem im Inneren ein Ventilschließglied 2 zwi­ schen zwei druckbeaufschlagbaren Räumen 3 und 4 angeordnet ist. In dem Eingangsraum 3 ist ein Druck bin aufgebaut, wo­ bei als Druckmittel vorzugsweise eine Flüssigkeit dient, die durch einen Zulauf 6 einbringbar ist. In dem Ausgangs­ raum 4 herrscht ein Druck Pout, der vorzugsweise mittels Luft erzeugt wird. In dieser Ausführungsform ist das Ventil beispielsweise als Kraftstoff-Einspritzventil einsetzbar. Die Abdichtung zwischen den Räumen 3 und 4 erfolgt über einen hier ringförmigen Ventilsitz 5, der, in der hier dar­ gestellten druckausgeglichenen Ruhestellung, geschlossen ist. Durch Pfeile 7 ist die ausgleichende Kraftwirkung des Innendrucks Pin auf das Ventilschließglied 2 verdeutlicht, durch die ein konstantes Dichtverhalten des Ventilsitzes 5 auch bei Schwankungen des Innendrucks Pin gewährleistet ist.In Fig. 1 is a section through a, for example from DE-OS 39 19 876, known microvalve 1 Darge provides, in which inside a valve closing member 2 between two pressurized spaces 3 and 4 is arranged. A pressure b in is built up in the input space 3 , where a liquid is preferably used as the pressure medium and can be introduced through an inlet 6 . In the output space 4 there is a pressure P out , which is preferably generated by air. In this embodiment, the valve can be used, for example, as a fuel injection valve. The seal between the rooms 3 and 4 takes place via an annular valve seat 5 here , which, in the pressure-balanced rest position shown here, is closed. Arrows 7 illustrate the balancing force effect of the internal pressure P in on the valve closing element 2 , by means of which a constant sealing behavior of the valve seat 5 is ensured even with fluctuations in the internal pressure P in .

An der Unterseite des Ventilschließgliedes 2 befindet sich eine Druckausgleichskammer 8 (Kavität) mit einem Druck P₀, der im wesentlichen dem ausgangsseitigen Druck Pout ent­ spricht. Dieser Druck wirkt über die als Arbeitsmembran 9 wirkende Fläche des Ventilschließgliedes 2, die in etwa ei­ ner äußeren Oberfläche 10 des Ventilschließgliedes 2 ent­ spricht, auf das Ventilschließglied 2 ein. Zur Betätigung des Ventilschließgliedes 2 , d. h. zur Öffnung des Ventil­ sitzes 5, ist ein hier nicht dargestellter Antrieb vorhan­ den, der, beispielsweise durch elektrostatische Kraft­ wirkung, eine Bewegung der Arbeitsmembran 9 und damit des Ventilschließgliedes 2 bewirkt. Um eine einfache Montage der, vorzugsweise in einer mikromechanischen Schichtbau­ weise hergestellten, Mikroventilteile zu erreichen, sind in der Regel eine Vielzahl von Fügestellen 11 vorhanden, an der die separat hergestellten Schichten zusammengeklebt (gebondet) werden.On the underside of the valve closing member 2 is a pressure compensation chamber 8 (cavity) with a pressure P₀, which speaks ent essentially the pressure P out on the outlet side. This pressure acts via the force of a working diaphragm 9 surface of the valve closure member 2, the valve closure member 2 responds ent approximately egg ner outer surface 10 on the valve closure member 2 a. To actuate the valve closing member 2 , that is, to open the valve seat 5 , a drive, not shown here, is present, which, for example by electrostatic force, causes a movement of the working diaphragm 9 and thus the valve closing member 2 . In order to achieve simple assembly of the microvalve parts, which are preferably produced in a micromechanical layer construction, there are generally a large number of joining points 11 at which the separately produced layers are glued together (bonded).

Bei der Darstellung des erfindungsgemäßen Ausführungsbei­ spiels nach der Fig. 2 sind die mit dem Mikroventil nach Fig. 1 übereinstimmenden Bauteile mit den gleichen Bezugs­ zeichen versehen. Die zur Aktuierung notwendigen Bauteile sind auf einer Schicht 12 angeordnet; sie bestehen aus Materialbereichen mit einem, im Vergleich zur Schicht 12, hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Diese Material­ bereiche erstrecken sich ring- oder rechteckförmig, konzen­ trisch zur Mittelachse, auf der Oberfläche der Schicht 12. Es sind bei diesem Ausführungsbeispiel vier solche ringför­ mige Bereiche 13, 14, 15 und 16 vorhanden, die den be­ schriebenen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die konzentrisch zur Mittelachse des Mikroven­ tils innenliegenden Bereiche 14 und 15 sind beheizbar und die äußeren Bereiche 13 und 16 dienen der Kompensation von störenden Temperatureinflüssen, die nicht zu einer Ak­ tuierung führen dürfen. Die Bereiche 13, 14, 15 und 16 lie­ gen in einer Zone der in vertikaler Richtung übereinander liegenden Schichten des Mikroventils 1, in der nicht alle Schichten fest miteinander verbunden sind, so daß eine axiale Bewegung dieser Schichten in Richtung eines Pfeiles 17 möglich ist. Dieser bewegliche Teil bleibt jedoch einge­ spannt, da die rechts und links neben den Bereichen 13, 14, 15 und 16 liegenden Schichtbereiche in vertikaler Richtung fest miteinander verbunden sind, so daß eine Öffnung des Ventilsitzes 5 durchführbar ist.In the illustration of the game according to the invention, according to FIG. 2, the components corresponding to the microvalve according to FIG. 1 are provided with the same reference characters. The components required for actuation are arranged on a layer 12 ; they consist of material areas with a high thermal expansion coefficient compared to layer 12 . These material areas extend in a ring or rectangular shape, concentric to the central axis, on the surface of the layer 12 . There are four such ring-shaped areas 13 , 14 , 15 and 16 in this embodiment which have the relatively high thermal expansion coefficient described. The areas 14 and 15, which are concentric to the central axis of the microven, are heatable and the outer areas 13 and 16 serve to compensate for disturbing temperature influences which must not lead to an actuation. The areas 13 , 14 , 15 and 16 lie in a zone of the layers of the microvalve 1 lying one above the other in the vertical direction, in which not all layers are firmly connected to one another, so that an axial movement of these layers in the direction of an arrow 17 is possible. However, this movable part remains clamped in since the layer regions lying to the right and left next to regions 13 , 14 , 15 and 16 are firmly connected to one another in the vertical direction, so that an opening of valve seat 5 can be carried out.

Die axiale Bewegung der nicht fest miteinander verbundenen Teile wird durch eine hohe thermische Ausdehnung der kon­ zentrisch zur Mittelachse des Mikroventils innenliegenden Bereiche 14 und 15, relativ zum thermischen Aus­ dehnungsverhalten des Gesamtaufbaus, erreicht. Das hierfür erforderliche Heizelement ist hier nicht dargestellt; es kann mit einen Heizdraht in der Nähe der Bereiche 14 und 15 realisiert werden.The axial movement of the parts which are not firmly connected to one another is achieved by a high thermal expansion of the regions 14 and 15 which are located centrally in relation to the central axis of the microvalve, relative to the thermal expansion behavior of the overall structure. The heating element required for this is not shown here; it can be realized with a heating wire in the vicinity of areas 14 and 15 .

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 ist ein Druckaus­ gleich bezüglich des Eingangsdrucks Pin vorgenommen, wel­ cher durch die Pfeile 7 im Eingangsdruckraum 3 verdeutlicht ist. Im Unterschied zur Anordnung nach Fig. 2 sind hier jedoch die Heiz- und Kompensationsbereiche 15 und 16 (Fig. 2) weggelassen, da ein Kontakt des Fluids in dem Eingangs­ druckraum 3 mit beheizten Bereichen eventuell zu vermeiden ist. Beispielsweise könnte bei bestimmten Anwendungsfällen das Fluid sieden oder sich an den heißen Schichten entzün­ den.In the embodiment according to FIG. 3, a pressure equalization is made with respect to the inlet pressure P in , which is illustrated by the arrows 7 in the inlet pressure chamber 3 . In contrast to the arrangement according to FIG. 2, however, the heating and compensation areas 15 and 16 ( FIG. 2) are omitted here, since contact of the fluid in the inlet pressure chamber 3 with heated areas may have to be avoided. For example, in certain applications the fluid could boil or ignite on the hot layers.

Auch das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist hinsichtlich des Eingangsdrucks Pin druckausgeglichen (Pfeile 7 in dem Eingangsdruckraum 3). Die Durchströmung des Mikroventils 1 erfolgt hier jedoch von einem radial außen liegenden Zulauf 6 über Kanäle 19 zu dem ausgangsseitigen Raum 4, der radial weiter innen im Mikroventil 1 liegt. Ansonsten entspricht der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels dem des Mikroventils 1 nach der Fig. 3, wobei auch hier eine Beheizung der Be­ reiche in der Nähe des Eingangsdruckraums 3 vermieden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind somit nur die Heiz- und Kompensationselemente 15 und 16 vorhanden.The embodiment according to FIG. 4 is also pressure-balanced with regard to the inlet pressure P in (arrows 7 in the inlet pressure chamber 3 ). However, the flow through the microvalve 1 takes place here from a radially outer inlet 6 via channels 19 to the outlet-side space 4 , which lies radially further inside in the microvalve 1 . Otherwise, the structure of this embodiment corresponds to that of the microvalve 1 according to FIG. 3, with heating of the loading areas in the vicinity of the inlet pressure chamber 3 also being avoided here. In this exemplary embodiment, only the heating and compensation elements 15 and 16 are thus present.

Claims (5)

1. Mikroventil, mit
  • - einem aus mehreren Schichten aufgebauten Ventilgehäuse, mit
  • - einem Ventilschließglied (2), das zwischen zwei mit Druckmittel beaufschlagbaren Räumen (3, 4) in einem Ventil­ gehäuse (1) angeordnet ist und über einen Ventilsitz (5) an einer gemeinsamen Wand der Räume (3, 4) dichtend anlegbar ist und mit
  • - einer die Hubbewegung des Ventilschließgliedes (2) bewir­ kenden Schicht (12), auf der mindestens zwei Bereiche (13, 14, 15, 16) mit relativ hohem Wärmeausdehnungskoeffizien­ ten derart angeordnet sind, daß eine Wärmebeaufschlagung eines Teils der Bereiche (13, 14, 15, 16) und der Schicht (12) zu einer axialen Bewegung des Ventilschließgliedes führt, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Bereiche (13, 14, 15, 16) sich an der Schicht (12), um die Mittelachse des Mikroventils (1) herum, außenliegend befinden, wobei
  • - die Bereiche (13, 14, 15, 16) in einer Zone angeordnet sind, die axial beweglich zwischen einer zentralen und einer äußeren, axial unbeweglichen Zone eingespannt sind.
1. microvalve, with
  • - A valve housing made up of several layers, with
  • - A valve closing member ( 2 ) which is arranged between two pressurized spaces ( 3 , 4 ) in a valve housing ( 1 ) and via a valve seat ( 5 ) on a common wall of the spaces ( 3 , 4 ) can be sealingly applied and With
  • - One of the stroke movement of the valve closing member ( 2 ) effecting layer ( 12 ) on which at least two areas ( 13 , 14 , 15 , 16 ) with a relatively high coefficient of thermal expansion are arranged in such a way that heat is applied to part of the areas ( 13 , 14 , 15 , 16 ) and the layer ( 12 ) leads to an axial movement of the valve closing member, characterized in that
  • - The areas ( 13 , 14 , 15 , 16 ) are on the layer ( 12 ) around the central axis of the microvalve ( 1 ), on the outside, wherein
  • - The areas ( 13 , 14 , 15 , 16 ) are arranged in a zone which is clamped axially movable between a central and an outer, axially immovable zone.
2. Mikroventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die mindestens zwei Bereiche (13, 14, 15, 16) in der beweg­ lichen Zone derart angeordnet sind, daß die radial in der Mitte liegenden Bereiche (14, 15) beheizbar sind und die au­ ßenliegenden Bereiche (13, 16) zur Kompensation von stören­ den Temperatureinflüssen dienen.
2. Micro valve according to claim 1,
characterized in that
  • - The at least two areas ( 13 , 14 , 15 , 16 ) in the movable union zone are arranged such that the radially central areas ( 14 , 15 ) are heated and the outer areas ( 13 , 16 ) for compensation from disturbing the temperature influences.
3. Mikroventil nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - mindestens zwei Bereiche (13, 14, 15, 16) radial außen in der beweglichen Zone - von denen der innere Bereich (14) beheizbar ist - angeordnet sind und in der Schicht (12) , radial innenliegend, eine Druckausgleichskammer (18) für eine Kompensation des Eingangsdrucks Pin vorhanden ist.
3. Micro valve according to claim 2,
characterized in that
  • - At least two areas ( 13 , 14 , 15 , 16 ) radially outside in the movable zone - of which the inner area ( 14 ) is heatable - are arranged and in the layer ( 12 ), radially inside, a pressure compensation chamber ( 18 ) for there is a compensation of the inlet pressure P in .
4. Mikroventil nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - mindestens zwei Bereiche (13, 14, 15, 16) radial innenlie­ gend in der beweglichen Zone angeordnet sind und in der Schicht (12), radial außenliegend, ein Eingangsdruckraum (3) mit einer Kompensation des Eingangsdrucks Pin vorhanden ist.
4. Micro valve according to claim 2,
characterized in that
  • - At least two areas ( 13 , 14 , 15 , 16 ) are arranged radially inwardly in the movable zone and in the layer ( 12 ), radially on the outside, there is an inlet pressure chamber ( 3 ) with a compensation of the inlet pressure P in .
5. Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - das Mikroventil (1) mit Mehrschichtenstruktur in Sili­ zium-, Dünnschicht- oder Dickschichttechnologie aus Metall oder Kunststoff hergestellt ist.
5. Micro valve according to one of the preceding claims,
characterized in that
  • - The microvalve ( 1 ) with a multilayer structure in silicon, thin-film or thick-film technology is made of metal or plastic.
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