DE20218622U1 - Microvalve with 3/2 function having a control section to seal the tube channel and open a fluid channel - Google Patents
Microvalve with 3/2 function having a control section to seal the tube channel and open a fluid channelInfo
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Abstract
Description
G 22170 - les 9. Oktober 2 0G 22170 - les 9. October 2 0
FESTO AG & Co, 73734 Esslingen Mikroventil FESTO AG & Co, 73734 Esslingen Micro valve
Die Erfindung betrifft ein Mikroventil, das sich mit einer 3/2-Funktionalität betreiben lässt.The invention relates to a micro valve that can be operated with a 3/2 functionality.
Mikroventile werden bisher üblicherweise als Sitzventile mit elektrostatischer Betätigung ausgebildet. Exemplarisch kann in diesem Zusammenhang auf die EP 0485739 Bl verwiesen werden. Nachteilig bei diesen bekannten Mikroventilen sind Einschränkungen bei den realisierbaren Durchflusswerten.Microvalves have so far usually been designed as seat valves with electrostatic actuation. EP 0485739 B1 is an example in this context. The disadvantage of these known microvalves is the limitations in the achievable flow values.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikroventil zu schaffen, das trotz miniaturisierter Abmessungen hohe Durchflusswerte des zu steuernden Fluides zulässt.It is the object of the present invention to provide a microvalve which, despite miniaturized dimensions, allows high flow rates of the fluid to be controlled.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Mikroventil mit 3/2-Funktionalität, mit einem Ventilgehäuse, das einen zwischen einem ersten und einem zweiten Kanalanschluss verlaufenden Durchgangskanal definiert, der eine einen dritten Kanalanschluss bildende seitliche Öffnung aufweist, und mit einem sich unter Überbrückung des dritten Kanalanschlusses zwischen dem ersten und dem zweiten Kanalanschluss erstreckenden, rohrähnlich gestalteten Steuerelement, das axial von einemThis object is achieved by a micro valve with 3/2 functionality, with a valve housing which defines a through-channel running between a first and a second channel connection, which has a lateral opening forming a third channel connection, and with a tube-like control element which extends between the first and the second channel connection, bridging the third channel connection and which is axially connected by a
Rohrkanal durchsetzt ist und einen unter Abdichtung ständig mit dem ersten Kanalanschluss verbundenen ortsfesten Endabschnitt (Befestigungsabschnitt) sowie einen entgegengesetzten, gummielastisch verformbaren Endabschnitt (Steuerabschnitt) aufweist, wobei der Steuerabschnitt unter dem Einfluss von Betätigungsmitteln wahlweise eine erste oder eine zweite Schaltstellung einnehmen kann, wobei in der ersten Schaltstellung bei gleichzeitig offenem Rohrkanal eine abgedichtete Verbindung zwischen dem Steuerabschnitt und dem zweiten Kanalanschluss vorliegt und in der zweiten Schaltstellung der Steuerabschnitt so eingeschnürt ist, dass der Rohrkanal dicht abgesperrt und gleichzeitig ein Fluiddurchgang zwischen dem zweiten und dem dritten Kanalanschluss freigegeben ist.Pipe channel is penetrated and has a fixed end section (fastening section) which is permanently connected to the first channel connection under a seal, and an opposite, rubber-elastically deformable end section (control section), wherein the control section can optionally assume a first or a second switching position under the influence of actuating means, wherein in the first switching position, with the pipe channel simultaneously open, there is a sealed connection between the control section and the second channel connection and in the second switching position the control section is constricted in such a way that the pipe channel is tightly closed off and at the same time a fluid passage is released between the second and the third channel connection.
Das erfindungsgemäße Mikroventil wird üblicherweise so betrieben, dass der erste Kanalanschluss zu einem Speisekanal, der zweite Kanalanschluss zu einem Arbeitskanal und der dritte Kanalanschluss zu einem Entlastungskanal bzw. - bei einem pneumatischen Ventil - zu einem Entlüftungskanal gehört. In der ersten Schaltstellung des Steuerabschnittes kann somit dem Druckmedium der volle Querschnitt des Rohrkanals zur Versorgung eines an den Arbeitskanal angeschlossenen Verbrauchers zur Verfügung gestellt werden. Der Durchfluss wird nicht behindert, sodass hohe Durchflusswerte und ein hoher Wirkungsgrad vorliegen. Die andere, zweite Schaltstellung wird durch Einschnüren des Steuerabschnittes erhalten, wasThe microvalve according to the invention is usually operated in such a way that the first channel connection belongs to a feed channel, the second channel connection to a working channel and the third channel connection to a relief channel or - in the case of a pneumatic valve - to a vent channel. In the first switching position of the control section, the full cross-section of the pipe channel can thus be made available to the pressure medium to supply a consumer connected to the working channel. The flow is not impeded, so that high flow values and a high level of efficiency are achieved. The other, second switching position is obtained by constricting the control section, which
insbesondere durch ein Zusammenquetschen des Steuerabschnittes bewirkt wird. Dabei legen sich einander gegenüberliegende Wandungsbereiche des Steuerabschnittes dicht aneinander an, sodass der Rohrkanal abgesperrt ist. Die sich dabei verändernde Außenkontur des Steuerabschnittes hat zur Folge, dass gleichzeitig die dichte Verbindung zum zweiten Kanalanschluss aufgehoben wird und letzterer, seitlich am zusammengedrückten Steuerabschnitt vorbei, mit dem dritten Kanalanschluss in Fluidverbindung steht. Bei der vorgenannten Einsatzform führt dies zu einem Entlasten bzw. Entlüften des am Arbeitskanal angeschlossenen Verbrauchers. Da zum Absperren des Rohrkanals, anders als bei einem Sitzventil, nicht entgegen der Strömungskraft geschlossen werden muss, erfordert der entsprechende Schaltvorgang nur geringe Betätigungskräfte, was sehr kleine Abmessungen des Mikroventils zulässt. Wird anschließend der Rohrkanal wieder freigegeben und der dritte Kanalanschluss wieder vom zweiten Kanalanschluss getrennt, kann der am ersten Kanalanschluss, herrschende Druck sofort dem zweiten Kanalanschluss zur Verfügung gestellt werden, wobei kein Totvolumen auftritt. Das Mikroventil lässt sich insgesamt sehr kostengünstig realisieren.in particular by squeezing the control section together. Opposite wall areas of the control section come into close contact with one another so that the pipe channel is blocked. The changing outer contour of the control section means that the tight connection to the second channel connection is simultaneously eliminated and the latter is in fluid communication with the third channel connection, past the side of the compressed control section. In the aforementioned application form, this leads to a relief or venting of the consumer connected to the working channel. Since, unlike with a seat valve, the pipe channel does not have to be closed against the flow force to block it, the corresponding switching process requires only low actuation forces, which allows the micro valve to be very small. If the pipe channel is then released again and the third channel connection is separated from the second channel connection again, the pressure prevailing at the first channel connection can be made available to the second channel connection immediately, with no dead volume occurring. The micro valve can be implemented very cost-effectively overall.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Advantageous further developments of the invention emerge from the subclaims.
Als Steuerelement ist insbesondere ein gummielastisch verformbarer Schlauchkörper vorgesehen. Dieser kann zu geringenA rubber-elastic, deformable hose body is provided as a control element. This can be used to
Kosten auch mit sehr kleinem Querschnitt des von ihm definierten Rohrkanals ausgebildet werden. Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, zur Bildung des Schlauchkörpers zwei aufeinanderliegende und randseitig unter Abdichtung, beispielsweise durch Verschweißen, Verkleben oder mechanisches Klemmen, miteinander verbundene Membranelemente vorzusehen. Das Verklemmen kann durch das Ventilgehäuse selbst bewirkt werden.It can also be designed with a very small cross-section of the pipe channel defined by it at low cost. However, it is also possible to form the hose body using two membrane elements that are placed one on top of the other and connected to one another at the edges with a seal, for example by welding, gluing or mechanical clamping. The clamping can be achieved by the valve housing itself.
Es ist von Vorteil, wenn wenigstens ein und vorzugsweise beide Endabschnitte des Steuerabschnittes in den zugeordneten Kanalabschnitt eingesteckt sind. Der im Rohrkanal anstehende Druck bewirkt dann ein Anpressen der Wandung des Steuerelementes an den Innenumfang des zugeordneten Kanalabschnittes, was eine Dichtfunktion hervorruft oder zumindest unterstützt.It is advantageous if at least one and preferably both end sections of the control section are inserted into the associated channel section. The pressure in the pipe channel then causes the wall of the control element to be pressed against the inner circumference of the associated channel section, which creates or at least supports a sealing function.
Das Steuerelement sollte, vor allem wenn es komplett aus gummielastischem Material besteht, möglichst kurz gehalten werden, damit es bei Druckbeaufschlagung des Rohrkanals nicht zu sehr aufgebläht wird, was eine Längenreduktion zur Folge haben kann.The control element should be kept as short as possible, especially if it is made entirely of rubber-elastic material, so that it does not inflate too much when the pipe channel is pressurized, which can result in a reduction in length.
Die Betätigungsmittel verfügen zweckmäßigerweise über ein im Bereich der seitlichen Öffnung des Durchgangskanals auf das Steuerelement einwirkendes Beaufschlagungsglied, mit dem auf den Steuerabschnitt eine diesen zusammenquetschende Beaufschlagungskraft ausübbar ist. Bevorzugt ist das Beaufschla-The actuating means expediently have an actuating element acting on the control element in the area of the lateral opening of the through-channel, with which an actuating force can be exerted on the control section, squeezing it together. The actuating element is preferably
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gungsglied außerhalb des Durchgangskanals fixiert und wirkt von außen her, durch den dritten Kanalanschluss hindurch, auf die Seitenwand des Steuerabschnittes ein. Bevorzugt ist das Beaufschlagungsglied zumindest partiell federelastisch ausgebildet, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass es im unbetätigten Zustand den Steuerabschnitt des Steuerelementes in die zweite Schaltstellung vorspannt.The actuating member is fixed outside the through-channel and acts from the outside, through the third channel connection, on the side wall of the control section. The actuating member is preferably designed to be at least partially spring-elastic, with particular provision being made for it to pre-tension the control section of the control element into the second switching position in the unactuated state.
Zur Betätigung des Beaufschlagungsgliedes ist zweckmäßigerweise ein elektrisch aktivierbarer Antrieb vorgesehen, der bevorzugt als elektromagnetischer Antrieb ausgebildet ist. Aufgrund der erzielbaren hohen Stellkräfte ist ein solcher Antrieb für eine Anwendung prädestiniert, bei der bei der Betätigung eine Federkraft überwunden werden muss. Weniger vorteilhaft in dieser Hinsicht, gleichwohl jedoch prinzipiell einsetzbar, sind elektrostatische oder piezoelektrische Antriebe, die jedoch in der Regel mit höheren Spannungen betrieben werden müssen.To actuate the actuating element, an electrically activated drive is expediently provided, which is preferably designed as an electromagnetic drive. Due to the high actuating forces that can be achieved, such a drive is predestined for an application in which a spring force must be overcome during actuation. Less advantageous in this respect, but nevertheless usable in principle, are electrostatic or piezoelectric drives, which usually have to be operated with higher voltages.
Der Antrieb kann unmittelbar in einer mit dem dritten Kanalanschluss kommunizierenden Gehäusekammer des Ventilgehäuses untergebracht sein. Er sitzt zweckmäßigerweise an einer Platine, die einen die Gehäusekammer begrenzenden Wandabschnitt bildet. An ihr befinden sich zweckmäßigerweise auch elektrische Anschlussmittel für die elektrische Kontaktierung des Antriebes. Außerdem kann die Platine an einer oder an beiden großflächigen Platinenflächen mit passiven oder aktiven e-The actuator can be housed directly in a housing chamber of the valve housing that communicates with the third channel connection. It is conveniently located on a circuit board that forms a wall section that delimits the housing chamber. Electrical connection means for electrically contacting the actuator are also conveniently located on this. In addition, the circuit board can be equipped with passive or active e-
lektronischen Bauelementen bestückt sein, die bei der Aktivierung des Antriebes mitwirken. Beispielsweise können sie für eine Haltestromabsenkung des Elektromagneten eingesetzt werden oder für eine optische Stellungsanzeige. Die Elektronikkomponenten können zum Schutz in einer Vergussmasse gekapselt sein.electronic components that help activate the drive. For example, they can be used to reduce the holding current of the electromagnet or for an optical position indicator. The electronic components can be encapsulated in a potting compound for protection.
Das Mikroventil kann sowohl monostabil als auch bistabil konzipiert sein. Bei einer bistabilen Funktionsweise werden die einzelnen stabilen Stellungen des Beaufschlagungsgliedes zweckmäßigerweise durch eine Kulisse definiert, mit der ein insbesondere federelastisch am Beaufschlagungsglied gelagertes Folgeglied zusammenarbeiten kann.The micro valve can be designed to be either monostable or bistable. In a bistable mode of operation, the individual stable positions of the actuating element are expediently defined by a link with which a follower element, which is mounted on the actuating element in a particularly spring-elastic manner, can work together.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which:
Figur 1 in schematischer Darstellungsweise eine aufgeschnittene Seitenansicht einer ersten Bauform des erfindungsgemäßen Mikroventils, etwa gemäß Schnittlinie I-I aus Figur 2,Figure 1 shows a schematic side view of a first design of the microvalve according to the invention, approximately along section line I-I in Figure 2,
Figur 2 das Mikroventil aus Figur 1 in Draufsicht gemäß Pfeil II und teilweise geschnitten, wobei eine Explosionsdarstellung gewählt ist, um eine bevorzugte Integration des Antriebes zu verdeutlichen,Figure 2 shows the microvalve from Figure 1 in plan view according to arrow II and partially cut away, whereby an exploded view is chosen to illustrate a preferred integration of the drive,
Figur 3 eine vereinfachte, vergrößerte Prinzipdarstellung des Mikroventils gemäß Figuren 1 und 2 unter Weglassung des Antriebes und bei die erste Schaltstellung einnehmendem Steuerelement,Figure 3 is a simplified, enlarged schematic diagram of the microvalve according to Figures 1 and 2, omitting the drive and with the control element in the first switching position,
Figur 4 die Anordnung aus Figur 3 im Querschnitt gemäß Schnittlinie IV-IV,Figure 4 shows the arrangement from Figure 3 in cross section according to section line IV-IV,
Figur 5 eine der Figur 3 entsprechende Darstellung, wobei das Steuerelement bei Einnahme der zweiten Schalt-Stellung gezeigt ist,Figure 5 is a view corresponding to Figure 3, showing the control element in the second switching position,
Figur 6 einen Querschnitt durch die Anordnung aus Figur 5 gemäß Schnittlinie VI-VI,Figure 6 shows a cross-section through the arrangement of Figure 5 along section line VI-VI,
Figur 7 in wiederum schematischer Darstellung, beschränkt auf eine Abbildung der Betätigungsmittel, eine weitere Bauform des Mikroventils, mit dem sich eine bistabile Funktionsweise realisieren lässt, wobei das Betätigungsglied bei Einnahme seiner stabilen Grundstellung gezeigt ist, undFigure 7, again in a schematic representation, limited to an illustration of the actuating means, shows another design of the microvalve with which a bistable mode of operation can be implemented, with the actuating element being shown when it assumes its stable basic position, and
Figur 8 die Anordnung aus Figur 7 bei in die stabile, ausgelenkte Stellung umgeschaltetem Beaufschlagungsglied. Figure 8 shows the arrangement from Figure 7 with the loading element switched to the stable, deflected position.
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Das in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Mikroventil der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele ist unter Anwendung an sich bekannter, mikrosystemtechnischer Verfahren hergestellt, beispielsweise mittels Abformtechniken, galvanischen Technologien oder mechanischen Mikrostruk- ■ turierungsmaßnahmen.The microvalve of the embodiments shown in the drawing, designated in its entirety with reference number 1, is manufactured using known microsystem technology processes, for example by means of molding techniques, galvanic technologies or mechanical microstructuring measures.
Das Mikroventil 1 enthält ein Ventilgehäuse 2, das bevorzugt aus mehreren durch Kleben oder Bonden fest miteinander verbundenen Schichten 3 aufgebaut ist, die in Figuren 3 bis 6 exemplarisch dargestellt sind.The microvalve 1 contains a valve housing 2, which is preferably constructed from several layers 3 firmly connected to one another by gluing or bonding, which are shown as examples in Figures 3 to 6.
Im Innern des Ventilgehäuses 2 verläuft ein linearer Durchgangskanal 4, der einenends einen ersten Kanalanschluss 5 und andernends einen zweiten Kanalanschluss 6 aufweist. Diese Kanalanschlüsse 5, 6 kommunizieren mit einer an der Außenseite des Ventilgehäuses 2 vorgesehenen ersten bzw. zweiten Anschlussöffnung 8, 9, an denen sich wegführende Fluidleitungen, beispielsweise schlauchförmiger Art, anschließen lassen. Bei der in der Zeichnung abgebildeten bevorzugten Betriebsweise bildet der erste Kanalanschluss 5 einen Speisekanal, an den über die erste Anschlussöffnung 8 eine Druckquelle anschließbar ist. Der zweite Kanalanschluss 2 repräsentiert einen Arbeitskanal, an den über die zugeordnete zweite Anschlussöffnung 9 ein zu betätigender Verbraucher, beispielsweise ein durch Fluidkraft aktivierbarer Antrieb, anschließbar ist.A linear through-channel 4 runs inside the valve housing 2, which has a first channel connection 5 at one end and a second channel connection 6 at the other end. These channel connections 5, 6 communicate with a first or second connection opening 8, 9 provided on the outside of the valve housing 2, to which fluid lines leading away, for example of a hose-shaped type, can be connected. In the preferred mode of operation shown in the drawing, the first channel connection 5 forms a feed channel to which a pressure source can be connected via the first connection opening 8. The second channel connection 2 represents a working channel to which a consumer to be operated, for example a drive that can be activated by fluid force, can be connected via the associated second connection opening 9.
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Der Durchgangskanal 4 ist zwischen dem ersten und zweiten Kanalanschluss 5, 6 mit einer seitlichen Öffnung 12 versehen, die einen dritten Kanalanschluss 7 bildet. Dieser kommuniziert mit einer im Ventilgehäuse 2 definierten Gehäusekammer 13, die mit einer ebenfalls zur Außenseite des Ventilgehäuses 2 ausmündenden dritten Anschlussöffnung 10 kommuniziert. Letztere steht mit der Atmosphäre in Verbindung, sodass der dritte Kanalanschluss 7 einen mit der Umgebung kommunizierenden Entlastungskanal bildet.The through-channel 4 is provided between the first and second channel connections 5, 6 with a lateral opening 12 which forms a third channel connection 7. This communicates with a housing chamber 13 defined in the valve housing 2, which communicates with a third connection opening 10 which also opens out to the outside of the valve housing 2. The latter is connected to the atmosphere, so that the third channel connection 7 forms a relief channel which communicates with the environment.
Wenn das Mikroventil nicht zur Steuerung hydraulischer Medien, sondern zur Steuerung von Druckluft eingesetzt wird, kann der Kanalanschluss 7 als Entlüftungskanal bezeichnet werden. Bei einem Betrieb mit hydraulischen Medien ist die dritte Anschlussöffnung 10 zweckmäßigerweise mit einem Tank verbunden.If the micro valve is not used to control hydraulic media but to control compressed air, the channel connection 7 can be referred to as a vent channel. When operating with hydraulic media, the third connection opening 10 is expediently connected to a tank.
Innerhalb des Durchgangskanals 4 erstreckt sich zwischen dem ersten und zweiten Kanalanschluss 5, 6 ein rohrähnlich gestaltetes Steuerelement 14. Es ist koaxial von einem zur besseren Unterscheidung als Rohrkanal 15 bezeichneten Fluidkanal durchsetzt.Within the through-channel 4, a tube-like control element 14 extends between the first and second channel connections 5, 6. It is coaxially penetrated by a fluid channel, referred to as tube channel 15 for easier differentiation.
Das rohrförmige Steuerelement 14 verfügt über einen dem ersten Kanalanschluss 5 zugeordneten ortsfesten ersten Endabschnitt, der unter Abdichtung ständig mit dem ersten Kanalan-The tubular control element 14 has a stationary first end section associated with the first channel connection 5, which is permanently connected to the first channel connection by sealing.
Schluss 5 verbunden ist und als Befestigungsabschnitt 16 bezeichnet sei. Der entgegengesetzte zweite Endabschnitt des Steuerelements 14 bildet das Ventilglied des Mikroventils 1 und ist gummielastisch verformbar ausgebildet, wobei er als Steuerabschnitt 17 bezeichnet sei.End 5 is connected and is referred to as fastening section 16. The opposite second end section of the control element 14 forms the valve member of the microvalve 1 and is designed to be elastically deformable, wherein it is referred to as control section 17.
Es wäre prinzipiell möglich, das Steuerelement 14 aus mehreren Komponenten und/oder Materialien auszubilden, sodass lediglich im Bereich des Steuerabschnittes 17 die gummielastische Verformbarkeit gegeben ist, im Bereich des Befestigungsabschnittes 16 jedoch eine starre Struktur vorliegt. Es ergibt sich jedoch ein besonders einfacher und gleichwohl effektiver Aufbau, wenn das Steuerelement 14, wie beim Ausführungsbeispiel, in seiner Gesamtheit aus einem gummielastisch verformbaren Schlauchkörper 18 besteht. Dieser Schlauchkörper 18 ist zweckmäßigerweise von einem einzigen Schlauchelement gebildet, wenngleich die Möglichkeit besteht, ihn - wie in Figur 4 strichpunktiert angedeutet - durch zwei aufeinanderliegende und randseitig unter Abdichtung fest miteinander verbundene Membranelemente 22a, 22b zu realisieren.In principle, it would be possible to form the control element 14 from several components and/or materials, so that the rubber-elastic deformability is only present in the area of the control section 17, but a rigid structure is present in the area of the fastening section 16. However, a particularly simple and yet effective structure results if the control element 14, as in the exemplary embodiment, consists in its entirety of a rubber-elastic deformable hose body 18. This hose body 18 is expediently formed from a single hose element, although it is possible to realize it - as indicated in dash-dotted lines in Figure 4 - by two membrane elements 22a, 22b lying on top of one another and firmly connected to one another at the edges with a seal.
Das Steuerelement 14 überbrückt die seitliche Öffnung 12, wobei zweckmäßigerweise sowohl der Befestigungsabschnitt 16 als auch der Steuerabschnitt 17 ein Stück weit in den jeweils zugeordneten ersten bzw. zweiten Kanalabschnitt 5, 6 hineinragen. Beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben ist der Befestigungsabschnitt 16 derart gehäusefest fixiert, dass ei-The control element 14 bridges the lateral opening 12, whereby both the fastening section 16 and the control section 17 expediently extend a little into the respective associated first or second channel section 5, 6. For example, by welding or gluing, the fastening section 16 is fixed to the housing in such a way that a
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ne fluiddichte Verbindung zwischen dem Rohrkanal 15 und dem ersten Kanalanschluss 5 vorliegt. Auf eine zusätzliche Dichtung kann in diesem Falle verzichtet werden.There is a fluid-tight connection between the pipe channel 15 and the first channel connection 5. In this case, an additional seal is not necessary.
In ihrer Gesamtheit mit Bezugsziffer 23 bezeichnete Betätigungsmittel ermöglichen es, den Steuerabschnitt 17 dazu zu veranlassen, dass dieser wahlweise entweder eine aus Figuren 3 und 4 hervorgehende erste Schaltstellung oder eine aus Figuren 5 und 6 hervorgehende zweite Schaltstellung einnimmt.Actuating means designated as a whole by reference numeral 23 make it possible to cause the control section 17 to optionally assume either a first switching position as shown in Figures 3 and 4 or a second switching position as shown in Figures 5 and 6.
Die Beaufschlagungsmittel 23 enthalten unter anderem ein bewegliches Beaufschlagungsglied 24, das in der Lage ist, im Bereich der seitlichen Öffnung 12 bzw. des dritten Kanalanschlusses 7 auf den Steuerabschnitt 17 des Steuerelementes einzuwirken, um diesen zum Zwecke einer Freigabe oder eines Verschließens des Rohrkanals 15 mehr oder weniger stark quer zur Längsrichtung des Steuerelementes 14 zu verformen.The loading means 23 contain, among other things, a movable loading member 24 which is able to act on the control section 17 of the control element in the region of the lateral opening 12 or the third channel connection 7 in order to deform it to a greater or lesser extent transversely to the longitudinal direction of the control element 14 for the purpose of releasing or closing the pipe channel 15.
Beim Ausführungsbeispiel ist das Beaufschlagungsglied 24 zumindest partiell federelastisch ausgebildet. Mit einem Befestigungsbereich 25 ist es gehäusefest mit Bezug zum Ventilgehäuse 2 fixiert, außerdem verfügt es über einen relativ zu dem Befestigungsbereich 25 quer zur Längsrichtung des Steuerelementes 14 bewegbaren Beaufschlagungsabschnitt 26. Die mögliche Bewegung des Beaufschlagungsabschnittes 26 ist bei 27 durch einen Doppelpfeil angedeutet.In the exemplary embodiment, the loading member 24 is at least partially spring-elastic. It is fixed to the housing with respect to the valve housing 2 by means of a fastening region 25, and it also has an loading section 26 that can be moved relative to the fastening region 25 transversely to the longitudinal direction of the control element 14. The possible movement of the loading section 26 is indicated at 27 by a double arrow.
Bei den Ausführungsbeispielen sitzt der Beaufschlagungsabschnitt 26 am einen Ende eines beispielsweise bandförmigen ersten Federarmes 28, der andernends den Befestigungsbereich 2 5 aufweist. Innerhalb der Gehäusekammer 13 ist der Federarm 2 8 mit einem derart gekrümmten Verlauf verlegt, dass sein Beaufschlagungsabschnitt 2 6 durch die sich ergebende Federkraft gegen den Außenumfang des Steuerelements 14 vorgespannt ist. Die Vorspannung ist so stark, dass der Beaufschlagungsabschnitt 2 6 den Steuerabschnitt 17 so zusammenquetscht, dass dieser gemäß Figuren 5 und 6 eingeschnürt wird, wobei die sich gegenüberliegenden Wandabschnitte des Schlauchkörpers 18 dicht gegeneinandergepresst werden und folglich der Rohrkanal 15 fluiddicht abgesperrt ist.In the exemplary embodiments, the application section 26 is located at one end of a first spring arm 28, which is, for example, a band-shaped one and has the fastening area 25 at the other end. Within the housing chamber 13, the spring arm 28 is laid with a curved course such that its application section 26 is prestressed against the outer circumference of the control element 14 by the resulting spring force. The prestress is so strong that the application section 26 squeezes the control section 17 so that it is constricted as shown in Figures 5 and 6, with the opposite wall sections of the hose body 18 being pressed tightly against one another and the pipe channel 15 consequently being sealed off in a fluid-tight manner.
Weil durch die dadurch hervorgerufene Verformung der äußeren Querschnittskontur des Steuerabschnittes 17 kein vollumfänglicher Kontakt mehr zwischen dem Außenumfang des Steuerabschnittes 17 und dem Innenumfang des zweiten Kanalanschlusses 6 gegeben ist, stellt sich gleichzeitig die Freigabe eines spaltartigen Fluiddurchganges 32 zwischen dem zweiten Kanalanschluss 6 und dem dritten Kanalanschluss 7 ein.Because the resulting deformation of the outer cross-sectional contour of the control section 17 means that there is no longer complete contact between the outer circumference of the control section 17 and the inner circumference of the second channel connection 6, a gap-like fluid passage 32 is simultaneously opened up between the second channel connection 6 and the third channel connection 7.
Bei den Mikroventilen 1 der Ausführungsbeispiele bildet diese Stellung des Beaufschlagungsgliedes 24 eine stabile Grundstellung, die im deaktivierten Zustand eines ebenfalls zu den Betätigungsmitteln 23 gehörenden, elektrisch aktivierbaren Antriebes 33 gegeben ist. Diese Stellung entspricht derIn the microvalves 1 of the embodiments, this position of the actuating element 24 forms a stable basic position, which is given in the deactivated state of an electrically activated drive 33, which also belongs to the actuating means 23. This position corresponds to the
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Schließstellung des Mikroventils, wobei gemäß der oben geschilderten Kanalverteilung die Druckquelle abgesperrt ist und der angeschlossene Verbraucher über den dritten Kanalanschluss 7 hinweg entlastet ist.Closed position of the micro valve, whereby according to the channel distribution described above the pressure source is shut off and the connected consumer is relieved via the third channel connection 7.
Um das Mikroventil 1, das als 3/2-Wegeventil konzipiert ist, in eine Offenstellung umzuschalten, wird der Antrieb 33 elektrisch aktiviert. Als Folge wird das Beaufschlagungsglied 24 entgegen der Federkraft verformt und vom Steuerabschnitt 17 wegbewegt. Dieser weitet sich daher aufgrund seiner ihm innewohnenden Gummielastizität auf, bis er mit seinem Außenumfang ringsum am Innenumfang des zweiten Kanalanschlusses 6 anliegt. Dies entspricht der in Figuren 3 und 4 gezeigten ersten Schaltstellung, wobei das Beaufschlagungsglied 24 eine durch Aktivierung des Antriebes 33 erreichte ausgelenkte Stellung einnimmt.In order to switch the micro valve 1, which is designed as a 3/2-way valve, to an open position, the drive 33 is electrically activated. As a result, the actuating element 24 is deformed against the spring force and moved away from the control section 17. This expands due to its inherent rubber elasticity until its outer circumference rests all around on the inner circumference of the second channel connection 6. This corresponds to the first switching position shown in Figures 3 and 4, with the actuating element 24 assuming a deflected position achieved by activating the drive 33.
Aufgrund der gummielastischen Materialeigenschaften wird der Steuerabschnitt 17 dicht gegen den Innenumfang des zweiten Kanalanschlusses 6 angedrückt, sodass der dritte Kanalanschluss 7 sowohl vom ersten (5) als auch vom zweiten (6) Kanalanschluss abgetrennt ist. Gleichzeitig ist der Rohrkanal 15 offen, sodass die ersten und zweiten Kanalanschlüsse 5, 6 miteinander kommunizieren und über den ersten Kanalanschluss 5 eingespeistes Druckmedium zu einem an den zweiten Kanalanschluss 6 angeschlossenen Verbraucher gelangen kann.Due to the rubber-elastic material properties, the control section 17 is pressed tightly against the inner circumference of the second channel connection 6, so that the third channel connection 7 is separated from both the first (5) and the second (6) channel connection. At the same time, the pipe channel 15 is open, so that the first and second channel connections 5, 6 communicate with each other and pressure medium fed in via the first channel connection 5 can reach a consumer connected to the second channel connection 6.
Die Abdichtung zwischen dem verformbaren Steuerabschnitt 17 und dem zweiten Kanalanschluss 6 wird durch den im Rohrkanal 15 herrschenden Fluiddruck unterstützt, da dieser die Wandung des Steuerelementes 14 verstärkt gegen die Wandung des zweiten Kanalanschlusses 6 drückt.The sealing between the deformable control section 17 and the second channel connection 6 is supported by the fluid pressure prevailing in the pipe channel 15, since this presses the wall of the control element 14 more strongly against the wall of the second channel connection 6.
Da beim Ausführungsbeispiel die den Steuerabschnitt 17 in der zweiten Schaltstellung zusammenquetschende bzw. einschnürende Beaufschlagungskraft allein durch die Federvorspannung des Beaufschlagungsgliedes 24 hervorgerufen wird, bedarf es einer entsprechend hohen Stellkraft, um das Beaufschlagungsglied 24 auszulenken. Aus diesem Grund kommt als Antrieb 33 beim Ausführungsbeispiel ein Elektromagnet-Antrieb zum Einsatz. Gegenüber elektrostatischen und piezoelektrischen Antrieben hat ein elektromagnetischer Wandler den Vorteil, dass er auch bei geringen Spannungen hohe Stellkräfte erzeugen kann. Weitere Vorteile liegen in den relativ geringen Ansteuerspannungen.Since in the exemplary embodiment the application force that squeezes or constricts the control section 17 in the second switching position is caused solely by the spring preload of the application element 24, a correspondingly high actuating force is required to deflect the application element 24. For this reason, an electromagnetic drive is used as the drive 33 in the exemplary embodiment. Compared to electrostatic and piezoelectric drives, an electromagnetic converter has the advantage that it can generate high actuating forces even at low voltages. Further advantages lie in the relatively low control voltages.
Zugunsten einer kompakten Bauweise ist der Antrieb 33 bevorzugt in der Gehäusekammer 13 untergebracht. Das federelastische Beaufschlagungsglied 24 kann sich dabei zumindest ein Stück weit um den Antrieb 33 herum erstrecken. Beim Ausführungsbeispiel ist das Beaufschlagungsglied 24 so installiert, dass es einen U-förmigen Verlauf hat, wobei der Antrieb 33 im Innern des U sitzt.In order to achieve a compact design, the drive 33 is preferably housed in the housing chamber 13. The spring-elastic loading element 24 can extend at least a short distance around the drive 33. In the exemplary embodiment, the loading element 24 is installed in such a way that it has a U-shaped course, with the drive 33 sitting inside the U.
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Aus Figur 2 wird deutlich, dass der Antrieb 33 bevorzugt an einer der beiden großflächigen Seitenflächen - nachfolgend als Innenfläche 34 bezeichnet - einer Platine 36 befestigt ist, beispielsweise eine Leiterplatte. Diese Platine 36 bil-•det einen Wandabschnitt der Gehäusekammer 13, sodass mit ihrer Montage gleichzeitig zum einen das Ventilgehäuse 2 verschlossen und gleichzeitig der Antrieb 33 installiert wird.From Figure 2 it is clear that the drive 33 is preferably attached to one of the two large side surfaces - hereinafter referred to as the inner surface 34 - of a circuit board 36, for example a printed circuit board. This circuit board 36 forms a wall section of the housing chamber 13, so that when it is mounted, the valve housing 2 is closed and the drive 33 is installed at the same time.
An der der Innenfläche 34 entgegengesetzten großflächigen Außenfläche 35 der Platine sind elektrische Anschlussmittel für den Antrieb 33 vorgesehen, beispielsweise Steckkontakte. Außerdem ist die Platine 3 6 an der Außenfläche 35 mit Elektronikkomponenten 38 bestückt, die zu einer elektrischen Schaltung gehören und bei der Aktivierung des Antriebes 33 mitwirken. Sie können beispielsweise für eine Haltestromabsenkung des Elektromagneten eingesetzt werden. Sofern der Platz ausreicht, können die Elektronikkomponenten 3 8 alternativ oder zusätzlich auch an der Innenfläche 34 der Platine 3 6 angeordnet sein.Electrical connection means for the drive 33, for example plug contacts, are provided on the large outer surface 35 of the circuit board, which is opposite the inner surface 34. In addition, the circuit board 36 is equipped on the outer surface 35 with electronic components 38 which belong to an electrical circuit and are involved in activating the drive 33. They can be used, for example, to reduce the holding current of the electromagnet. If there is sufficient space, the electronic components 38 can alternatively or additionally be arranged on the inner surface 34 of the circuit board 36.
Mittels einer strichpunktiert angedeuteten Vergussmasse 42 können die Elektronikkomponenten 3 8 vor Umgebungseinflüssen geschützt werden. Für die elektrische Verbindung zwischen der Außenfläche 35 und der Innenfläche 34 können nicht näher dargestellte Vias eingesetzt werden.The electronic components 38 can be protected from environmental influences by means of a potting compound 42 indicated by a dot-dash line. Vias (not shown in detail) can be used for the electrical connection between the outer surface 35 and the inner surface 34.
Die Platine 36 kann mit dem anderen Bestandteil des Ventilgehäuses 2 beispielsweise verklebt oder zusammengesteckt werden. The circuit board 36 can be glued or plugged together with the other component of the valve housing 2, for example.
Ein Vorteil des Mikroventils 1 besteht darin, dass die Gehäusekammer 13 in der Offenstellung des Mikroventils 1 drucklos ist, sodass keine nachteiligen Auswirkungen für die Platine 36 entstehen.An advantage of the microvalve 1 is that the housing chamber 13 is pressureless when the microvalve 1 is in the open position, so that no adverse effects occur for the circuit board 36.
Wie aus Figuren 1 und 8 hervorgeht, verfügt der elektromagnetische Antrieb 33 über einen Spulenkern 43, an den sich das Beaufschlagungsglied 24 in der ausgelenkten Stellung mit seinem ersten Federarm 28 angelegt hat. Um genügend elektromagnetische Kraft für die Federauslenkung zu entwickeln, kann dabei auch ein magnetischer Wanderkeil realisiert werden. Dabei wird das federelastische Beaufschlagungsglied 24 im Ruhezustand mit geringfügiger Neigung relativ zur zugewandten Spulenkern-Oberfläche 44 angeordnet.As can be seen from Figures 1 and 8, the electromagnetic drive 33 has a coil core 43, against which the loading element 24 is placed in the deflected position with its first spring arm 28. In order to develop sufficient electromagnetic force for the spring deflection, a magnetic moving wedge can also be implemented. In the resting state, the spring-elastic loading element 24 is arranged with a slight inclination relative to the facing coil core surface 44.
Zumindest im Bereich des Steuerabschnittes 17, vorzugsweise jedoch über die gesamte Länge hinweg, verfügt das Steuerelement 14 zweckmäßigerweise über einen länglichen und dabei insbesondere ellipsenähnlichen Querschnitt. Eine besonders zweckmäßige Gestaltung in dieser Hinsicht geht aus Figur 4 hervor. Das Steuerelement 14 ist dabei so angeordnet, dass das Beaufschlagungsglied 24 mit einem der beiden im Quer-At least in the area of the control section 17, but preferably over the entire length, the control element 14 expediently has an elongated and in particular elliptical cross-section. A particularly expedient design in this respect is shown in Figure 4. The control element 14 is arranged in such a way that the loading member 24 is connected to one of the two transverse
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schnitt gesehen längeren Wandabschnitte des Steuerelements 14 zusammenwirkt.sectionally longer wall sections of the control element 14 interact.
Vorteilhaft ist ferner, wenn das Beaufschlagungsglied 24 zumindest an seinem Beaufschlagungsabschnitt 2 6 einen zum Steuerabschnitt 17 hin konvex ausgewölbten Querschnittsverlauf hat, sodass in der Grundstellung gemäß Figuren 5 und 6 die beiden einander gegenüberliegenden Wandabschnitte des Steuerabschnittes 17 sicher über ihre gesamte Breite gegeneinandergedrückt werden. Der nicht unmittelbar mit dem Beaufschlagungsglied 24 kooperierende untere Wandabschnitt des Steuerelementes 14 wird dabei von einer gehäusefesten Abstützfläche 47 abgestützt, die eine ähnliche Krümmung aufweist.It is also advantageous if the loading member 24 has a cross-sectional profile that is convexly curved towards the control section 17 at least at its loading section 26, so that in the basic position according to Figures 5 and 6 the two opposing wall sections of the control section 17 are securely pressed against each other over their entire width. The lower wall section of the control element 14 that does not cooperate directly with the loading member 24 is supported by a support surface 47 that is fixed to the housing and has a similar curvature.
Während das in Figuren 1 bis 6 gezeigte Mikroventil 1 einen monostabilen Aufbau hat, offenbaren die Figuren 7 und 8 eine Weiterbildung, die - auch - einen bistabilen Betrieb zulässt.While the microvalve 1 shown in Figures 1 to 6 has a monostable design, Figures 7 and 8 reveal a further development which also allows a bistable operation.
Die Figur 7 zeigt das Beaufschlagungsglied 24 bei deaktiviertem Antrieb unter Einnahme seiner Grundstellung, die wie im Falle der Figuren 1 bis 6 eine stabile Stellung ist, da sie durch die vom ersten Federarm 2 8 hervorgerufene Federkraft aufrecht erhalten wird. Die Figur 8 zeigt das Beaufschlagungsglied 24 in der ausgelenkten Stellung, die hier aber, im Vergleich zur Bauform der Figuren 1 bis 6, auch nach Deaktivierung des Antriebes 33 einen stabilen Zustand darstellt.Figure 7 shows the loading member 24 with the drive deactivated and assuming its basic position, which, as in the case of Figures 1 to 6, is a stable position since it is maintained by the spring force caused by the first spring arm 28. Figure 8 shows the loading member 24 in the deflected position, which here, however, in comparison to the design of Figures 1 to 6, represents a stable state even after the drive 33 has been deactivated.
Um dies zu gewährleisten, kooperiert das Beaufschlagungsglied 24 mit einer Führungskulisse 48, indem von dem ersten Federarm 2 8 ein zweiter Federarm 2 9 in einer zur Schaltbewegung des Betätigungsgliedes 24 parallelen Ebene absteht, an dem ein mit der Führungskulisse 48 in Eingriff stehendes Folgeglied 52 angeordnet ist.In order to ensure this, the actuating member 24 cooperates with a guide slot 48 in that a second spring arm 29 protrudes from the first spring arm 28 in a plane parallel to the switching movement of the actuating member 24, on which a follower member 52 engaging with the guide slot 48 is arranged.
Die Führungskulisse 48 ist eine in sich geschlossene Führungsbahn. Wird ausgehend von der Grundstellung das Beaufschlagungsglied 24 durch Aktivierung des Antriebes 33 in Richtung der ausgelenkten Stellung verlagert, läuft das Folgeglied 52 zunächst entlang eines schrägen ersten Bahnabschnittes 53 der Führungskulisse 48, wobei der zweite Federarm 4 9 verbogen und vorgespannt wird. Am Ende dieser Bewegung überschreitet das Folgeglied 52 eine Rampe 54, hinter der es gemäß Figur 8 einrastet. In der dabei erreichten ausgelenkten Stellung wird das Beaufschlagungsglied 24 folglich auch dann gehalten, wenn der Antrieb 33 deaktiviert wird. Der bis dahin zurückgelegte Hub des Folgegliedes 52 und des Beaufschlagungsabschnittes 2 6 ist mit h]_ markiert.The guide slot 48 is a self-contained guide track. If, starting from the basic position, the loading member 24 is displaced in the direction of the deflected position by activating the drive 33, the follower member 52 initially runs along an inclined first track section 53 of the guide slot 48, whereby the second spring arm 49 is bent and pre-tensioned. At the end of this movement, the follower member 52 crosses a ramp 54, behind which it engages as shown in Figure 8. The loading member 24 is therefore held in the deflected position reached in this way even when the drive 33 is deactivated. The stroke of the follower member 52 and the loading section 26 covered up to that point is marked with h]_.
In der ausgelenkten Stellung ist der zweite Federarm 29 weiterhin ein Stück weit vorgespannt. Wird daher der Antrieb 33 anschließend mit einem weiteren, kräftigen Stromimpuls aktiviert, verlagert sich das Folgeglied 52 entlang eines sich an die Rampe 54 anschließenden zweiten Bahnabschnittes 55, bis sich daran ein abfallender dritter Bahnabschnitt 56 an-In the deflected position, the second spring arm 29 is still pre-tensioned to some extent. If the drive 33 is subsequently activated with another powerful current pulse, the follower element 52 moves along a second track section 55 adjoining the ramp 54 until a sloping third track section 56 adjoins it.
schließt, der sich unten mit dem ersten Bahnabschnitt 53 vereinigt. Der zweite Federarm 29 kann sich dann entspannen, wobei das Folgeglied 52 in den dritten Bahnabschnitt 56 schnappt und diesem nach unten folgt, wenn der Antrieb 33 anschließend wieder deaktiviert wird. Die Bewegung nach unten wird dabei von dem sich nun ebenfalls wieder entspannenden ersten Federarm 28 initiiert.closes, which joins the first track section 53 at the bottom. The second spring arm 29 can then relax, with the follower member 52 snapping into the third track section 56 and following it downwards when the drive 33 is subsequently deactivated again. The downward movement is initiated by the first spring arm 28, which is now also relaxing again.
Das Beaufschlagungsglied 24 kehrt somit in die Grundstellung zurück, von wo sich ein neuerlicher Schaltzyklus der genannten Art anschließen kann.The loading element 24 thus returns to the basic position, from where a new switching cycle of the type mentioned can follow.
Beim Durchlaufen eines Zyklus durchwandert das Folgeglied 52 die Führungskulisse 48 einmal, und zwar beim Ausführungsbeispiel entgegen dem Uhrzeigersinn.When completing a cycle, the follower member 52 moves through the guide slot 48 once, in the embodiment example in an anti-clockwise direction.
Damit das federnde Beaufschlagungsglied 24 die gewünschte Bewegung ausführen kann, ist es empfehlenswert, die zugewandte Spulenkern-Oberfläche 44 mit einem abgeknickten Verlauf zu versehen.In order for the resilient loading member 24 to be able to carry out the desired movement, it is recommended to provide the facing coil core surface 44 with a bent profile.
Bei Bedarf kann das Mikroventil 1 der Figuren 7 und 8 auch monostabil betrieben werden. Hierzu wird der Antrieb 33 bei in der Grundstellung befindlichem Beaufschlagungsglied 24 lediglich so betätigt, dass das Folgeglied 52 innerhalb des ersten Bahnabschnittes 53 nur bis zu einer Höhe h.2 ansteigt, die unterhalb der Rampenhöhe h^ liegt. Das Beaufschlagungs-If required, the microvalve 1 of Figures 7 and 8 can also be operated monostable. For this purpose, the drive 33 is only operated with the actuating element 24 in the basic position in such a way that the follower element 52 rises within the first track section 53 only to a height h.2 which is below the ramp height h^. The actuating element 24
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glied 24 kehrt dann innerhalb des gleichen, ersten Bahnabschnittes 53 in die Grundstellung zurück, wenn der Antrieb 33 deaktiviert wird.member 24 then returns to the basic position within the same first path section 53 when the drive 33 is deactivated.
Wenn das Mikroventil mit der bistabilen Funktionsweise betrieben wird, lässt sich die Stellung des Beaufschlagungsgliedes 24 nicht erkennen, wenn nicht die Ausgangsposition vor der Inbetriebnahme bekannt ist. Aus diesem Grund ist es empfehlenswert, Sensormittel 57 vorzusehen, die eine Stellungserfassung des Beaufschlagungsgliedes 24 ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, den elektromagnetischen Antrieb 33 als Sensormittel 57 einzusetzen, indem man ihn vergleichbar einem Näherungssensor verwendet.If the microvalve is operated with the bistable function, the position of the actuating element 24 cannot be detected if the starting position is not known before commissioning. For this reason, it is recommended to provide sensor means 57 that enable the position of the actuating element 24 to be detected. It is particularly advantageous to use the electromagnetic drive 33 as the sensor means 57 by using it in a similar way to a proximity sensor.
Soll das Mikroventil 1 nach Wunsch des Anwenders nie in den bistabilen Funktionsmodus gelangen können, können entsprechende Maßnahmen durch eine entsprechende elektronische Regelung realisiert werden, auf einfachere Weise jedoch mit Hilfe mechanischer Anschlagmittel 58. Diese Anschlagmittel 58 können bei Bedarf so im Hubweg des Beaufschlagungsgliedes 24 positioniert werden, dass dieses an einem Erreichen der Rampenhöhe hi gehindert wird. Beim Ausführungsbeispiel bestehen die Anschlagmittel 58 aus einem exzentrisch im Ventilgehäuse 2 drehgelagerten Anschlagglied.If the user wishes that the micro valve 1 should never be able to enter the bistable function mode, corresponding measures can be implemented by means of an appropriate electronic control, but in a simpler manner with the aid of mechanical stop means 58. If necessary, these stop means 58 can be positioned in the stroke path of the actuating element 24 in such a way that it is prevented from reaching the ramp height hi . In the exemplary embodiment, the stop means 58 consist of a stop element that is eccentrically pivoted in the valve housing 2.
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