DE112007003035T5

DE112007003035T5 - Mikroventilvorrichtung

Info

Publication number: DE112007003035T5
Application number: DE200711003035
Authority: DE
Inventors: Mark S. Austin Luckevich
Original assignee: Microstaq Inc
Current assignee: Microstaq Inc
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-11-05
Also published as: US8156962B2; US20100019177A1; CN101617155B; WO2008076388B1; CN101617155A; WO2008076388A1

Abstract

Mikroventilvorrichtung zum Steuern eines Fluidstroms, mit:
– einem Körper, der eine Kammer mit einem ersten und einem zweiten Ende festlegt, wobei das erste Ende in Verbindung mit einer Stelldruckquelle steht und das zweite Ende in Verbindung mit einer Verbraucherdruckquelle steht, und
– einem mikrobearbeiteten Schieberventil, das in der Kammer zwischen dem ersten und dem zweiten Ende zur gleitenden Bewegung durch einen Differenzdruck über das Schieberventil angeordnet ist, wobei das Schieberventil zwischen einer ersten Stellung, die einen Fluidstrom zwischen der Verbraucherdruckquelle und einer Versorgungsdruckquelle gestattet, und einer zweiten Stellung beweglich ist, die einen Fluidstrom zwischen der Verbraucherdruckquelle und einer Druckablasseinrichtung erlaubt, wobei das Schieberventil eine Schließstellung zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung hat, die einen Fluidstrom zwischen der Verbraucherdruckquelle und sowohl der Versorgungsdruckquelle als auch der Druckablasseinrichtung verhindert, wobei das Schieberventil beweglich mit dem Körper verbunden ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Ventile zum Steuern eines Fluidstroms in einem hydraulischen oder pneumatischen System. Genauer betrifft diese Erfindung eine verbesserte Mikroventilvorrichtung.
Ventile werden häufig zum Steuern des Flusses eines Fluids von einer Quelle unter Druck gesetzten Fluids zu einer Verbrauchereinrichtung oder von einer Verbrauchereinrichtung zu einer Druckentlastungseinrichtung verwendet. Häufig ist eine Pumpe oder eine andere Einrichtung als Druckfluidquelle vorgesehen. Der Fluidstrom wird selektiv durch ein Ventil gesteuert, um den Betrieb der Verbrauchereinrichtung zu steuern.
Eine Ventilart ist ein Mikroventil. Ein Mikroventilsystem ist ein mikroelektromechanisches System (MEMS), welches allgemein elektromechanischen Halbleitereinrichtungen zugehörig ist.
MEMS sind eine Klasse von Systemen, die physisch klein sind und Wesensmerkmale mit Größen im Mikrometerbereich haben. Diese Systeme weisen sowohl elektrische als auch mechanische Bestandteile auf. Der Begriff ”Mikrobearbeiten (micromachining)” wird gemeinhin als die Herstellung dreidimensionaler Strukturen und beweglicher Teile von MEMS-Vorrichtungen bedeutend verstanden. Die MEMS benutzten ursprünglich modifizierte Herstellungstechniken (wie z. B. chemisches Ätzen) und Materialien (wie z. B. Siliziumhalbleitermaterial) für integrierte Schaltkreise (Computerchips), um diese sehr kleinen mechanischen Vorrichtungen mikrozubearbeiten. Heutzutage sind viele weitere Mikrobearbeitungsverfahren und -materialien verfügbar. Der Begriff ”Mikroventil”, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, meint ein Ventil, das Ausstattungsmerkmale mit Größen im Mikrometerbereich hat und somit per Definition wenigstens teilweise durch Mikrobearbeiten gebildet ist. Der Begriff ”Mikroventilvorrichtung”, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, meint eine Vorrichtung, die ein Mikroventil enthält und die weitere Bauteile enthalten kann. Es versteht sich, dass dann, wenn andere Bauteile als ein Mikroventil in der Mikroventilvorrichtung enthalten sind, diese anderen Bauteile mikrobearbeitete Bauteile oder normal große (größere) Bauteile sein können.
Es sind unterschiedliche Mikroventilvorrichtungen zum Steuern eines Fluidstroms in einem Fluidkreis vorgeschlagen worden. Eine typische Mikroventilvorrichtung enthält ein verschiebbares Glied oder Ventil, das beweglich durch einen Körper abgestützt und betriebsfähig mit einem Aktuator zur Bewegung zwischen einer geschlossenen Stellung und einer vollständig geöffneten Stellung gekoppelt ist. Wenn es in der Schließstellung angeordnet ist, blockiert oder sperrt das Ventil einen ersten Fluidanschluss ab, der sich in Fluidverbindung mit einem zweiten Fluidanschluss befindet, und unterbindet damit ein Strömen von Fluid zwischen den Fluidanschlüssen. Wenn sich das Ventil aus der Schließstellung in die vollständig geöffnete Stellung bewegt, wird Fluid zunehmend gestattet, zwischen den Fluidanschlüssen zu fließen.
Ein typisches Ventil besteht aus einem Stab, der durch den Körper an einem Ende federnd nachgiebig abgestützt ist. Im Betrieb zwingt der Aktuator den Stab dazu, sich um das abgestützte Ende des Stabes zu biegen. Um den Stab zu biegen, muss der Aktuator eine Kraft erzeugen, die zum Überwinden der dem Stab innewohnenden Federkraft ausreichend ist. Als eine allgemeine Regel erhöht sich die vom Aktuator zum Biegen oder Verschieben des Stabes benötigte Kraft mit zunehmendem Verschiebungsbedarf des Stabes.
Über das Erzeugen einer Kraft, die zum Überwinden der dem Stab innewohnenden Federkraft ausreicht, hinaus muss der Aktuator eine Kraft erzeugen, die dazu in der Lage ist, die auf den Stab wirkenden Fluidströmungskräfte zu überwinden, die der beabsichtigten Verschiebung des Stabes entgegenwirken. Diese Fluidströmungskräfte steigen allgemein mit zunehmendem Durchfluss durch die Fluidanschlüsse.
Somit müssen der Ausgangskraftbedarf des Aktuators und daraus resultierend die Größe des Aktuators und die zum Antreiben des Aktuators notwendige Leistung im Allgemeinen zunehmen, wenn der Verschiebungsbedarf des Stabes ansteigt und/oder der Durchflussbedarf durch die Fluidanschlüsse zunimmt.
Eine spezielle Art eines Mikroventils ist das pilotbetätigte Mikroventil. Typischerweise enthält eine solche Mikroventilvorrichtung ein Mikroschieberventil, welches durch ein Mikroventil der zuvor beschriebenen Art pilotbetätigt wird. Als Beispiel offenbaren die US Patente Nr. 6 494 804 , 6 540 203 , 6 637 722 , 6 694 998 , 6 755 761 , 6 845 962 und 6 994 115 , auf deren Offenbarung explizit Bezug genommen wird, pilotbetätigte Mikroventile.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft insbesondere eine verbesserte Mikroventilvorrichtung.
Eine Mikroventilvorrichtung zum Steuern eines Fluidstroms umfasst einen Körper, der eine Kammer mit einem ersten und einem zweiten Ende festlegt. Das erste Ende steht in Verbindung mit einer Stelldruckquelle. Das zweite Ende steht in Verbindung mit einer Verbraucherdruckquelle. Ein mikrobearbeitetes Schieberventil ist in der Kammer zwischen dem ersten und dem zweiten Ende zur gleitenden Bewegung durch einen Differenzdruck über das Schieberventil zwischen einer ersten Stellung, die einen Fluidstrom zwischen der Verbraucherdruckquelle und einer Versorgungsdruckquelle erlaubt, und einer zweiten Stellung angeordnet, die einen Fluidstrom zwischen der Verbraucherdruckquelle und einer Druckablasseinrichtung erlaubt. Das Schieberventil hat eine Schließstellung zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung, die einen Fluidstrom zwischen der Verbraucherdruckquelle und sowohl der Versorgungsdruckquelle als auch der Druckablasseinrichtung verhindert. Das Schieberventil ist beweglich mit dem Körper verbunden.
Verschiedene Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden Fachleuten auf dem Gebiet aus der folgenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform beim Lesen im Lichte der beigefügten Figuren ersichtlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein Fluidkreisschema mit einer Mikroventilvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Draufsicht der Mikroventilvorrichtung aus 1.
3 ist eine Draufsicht einer Mikroventilvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Untersicht der Mikroventilvorrichtung aus 3.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nunmehr bezugnehmend auf die Figuren ist in 1 ein Fluidkreissystem 10 dargestellt. Das Fluidkreissystem 10 umfasst eine Verbrauchereinrichtung 12, ein Hauptventil 14, ein Pilotventil 16, eine Pumpe 18 und ein Reservoir 20.
Die Verbrauchereinrichtung 12 ist eine unter Federvorspannung stehende Kolbenanordnung. Es versteht sich jedoch, dass die Verbrauchereinrichtung jede geeignete Einrichtung sein kann, die in einem System vorhanden sein kann, in dem die Einrichtung zum Steuern des Fluidstroms zu und/oder von der Einrichtung vorgesehen ist. Die Verbrauchereinrichtung 12 weist ein allgemein zylindrisches Gehäuse 22 auf. Das Gehäuse 22 hat ein erstes Ende 24 und ein zweites Ende 26. Ein Kolben 28 ist in dem Gehäuse 22 zur hin- und hergehenden Bewegung zwischen dem ersten Ende 24 und dem zweiten Ende 26 angeordnet. Eine Feder 30 ist in dem Gehäuse 22 zwischen dem ersten Ende 24 und dem Kolben 28 angeordnet, um den Kolben 28 in eine Stellung zwischen dem ersten Ende 24 und dem zweiten Ende 26 zu drängen. Das Gehäuse 22 und der Kolben 28 legen eine Verbraucherkammer 32 mit variablem Volumen fest. Die Verbraucherkammer 32 enthält ein Verbraucher-, d. h. Steuervolumen. Ein Hauptanschluss 34 ist in dem Gehäuse 22 ausgebildet, der durch eine Hauptfluidleitung 36 eine Fluidverbindung zwischen der Verbraucherkammer 32 und dem Hauptventil 14 gestattet. In dem Gehäuse 22 ist ein optionaler Ablassanschluss 38 ausgebildet, der über eine Ablassfluidleitung 40 eine Fluidverbindung zwischen der Verbraucherkammer 32 und dem Reservoir 20 ermöglicht. Ein Einwegdruckentlastungsrückschlagventil 42 ist in der Ablassfluidleitung 40 angeordnet, um oberhalb eines vorbestimmten Drucks eine Fluidverbindung nur von der Verbraucherkammer 32 zum Reservoir 20 zu erlauben.
Wie dargestellt ist das Pilotventil 16 ein Pilotventil vom Mikroventiltyp und soll exemplarisch für Pilotventile vom Mikroventiltyp sein, die allgemein bekannt sind. Es versteht sich jedoch, dass das Pilotventil 16 kein Pilotventil vom Mikroventiltyp zu sein braucht und tatsächlich jede andere zum Steuern des Hauptventils 14 geeignete Einrichtung sein kann, wie untenstehend näher erläutert wird. Das Pilotventil 16 umfasst einen Pilot-Entlastungsanschluss 42, der über eine Pilot-Entlastungsfluidleitung 44 eine Fluidverbindung zwischen dem Pilotventil 16 und dem Reservoir 20 ermöglicht. Das Pilotventil 16 umfasst einen Pilot-Zuführanschluss 46, der über eine Pilot-Fluidzuführleitung 48 eine Fluidverbindung zwischen dem Pilotventil 16 und der Pumpe 18 gestattet. Das Pilotventil 16 umfasst einen Pilot-Stellanschluss 50, der über eine Pilot-Stellfluidleitung 52 eine Fluidverbindung zwischen dem Pilotventil 16 und dem Hauptventil 14 erlaubt. Das Pilotventil 16 dient dazu, den Pilot-Stellanschluss 50 wahlweise in Fluidverbindung zwischen den Pilot-Entlastungsanschluss 42 und den Pilot-Zuführanschluss 46 zu bringen.
Die Pumpe 18 steht über eine Pumpen-Fluidzuführleitung 54 in Fluidverbindung mit dem Reservoir 20.
Das Hauptventil 14 ist ein pilotbetätigtes Mikroschieberventil, wie am besten in 2 gezeigt und allgemein mit 56 bezeichnet. Das Mikroschieberventil 56 weist einen oberen Abschnittt (nicht gezeigt), einen mittleren Abschnitt 58 und einen unteren Abschnitt 60 auf. Der untere Abschnitt 60 enthält einen Haupt-Stellanschluss 62 (erster Bezugsanschluss) zur Fluidverbindung mit dem Pilotventil 16 über die Pilot-Stellfluidleitung 52. Der untere Abschnitt 60 enthält einen Haupt-Zuführanschluss 64 zur Fluidverbindung mit der Pumpe 18 über eine Haupt-Fluidzuführleitung 48a. Der untere Abschnitt 60 umfasst einen Haupt-Ablassanschluss 66 zur Fluidverbindung mit dem Reservoir 20 über eine Haupt-Fluidablassleitung 68. Der untere Abschnitt 60 enthält auch erste und zweite Haupt-Verbraucheranschlüsse 70 und 72 sowie einen Verbraucherbezugsanschluss 74 (zweiter Bezugsanschluss) zur Fluidverbindung mit der Verbrauchereinrichtung 12 über die Hauptfluidleitung 36 und erste, zweite und dritte Verbraucherfluidleitungen 36a, 36b bzw. 36c. Zwar ist das Mikroschieberventil 56 als erste und zweite Haupt-Verbraucheranschlüsse 70 und 72 (Hauptfluidstromanschlüsse) aufweisend beschrieben worden, es versteht sich jedoch, dass das Mikroschieberventil 36 wie gewünscht jede geeignete Anzahl an Haupt-Verbraucheranschlüssen haben kann.
Der mittlere Abschnitt 58 bildet einen Hauptkörper 76. Der Hauptkörper 76 legt eine Schieberkammer 78 fest. Die Schieberkammer hat ein erstes Ende 80 und ein zweites Ende 82. Das erste Ende 80 steht in Verbindung mit der Stelldruckquelle, d. h. der Stellanschluss 62 ist dem ersten Ende 80 benachbart, um eine Fluidverbindung zwischen dem Pilotventil 16 und dem Volumen der Schieberkammer 78 nahe dem ersten Ende 80 herzustellen. Das zweite Ende steht in Verbindung mit der Verbraucherdruckquelle, d. h. der Verbraucherbezugsanschluss 74 ist dem zweiten Ende 82 benachbart, um eine Fluidverbindung zwischen der Verbrauchereinrichtung 12 und dem Volumen der Schieberkammer 78 nahe dem zweiten Ende 82 herzustellen.
Ein mikrobearbeiteter Schieber 84 ist in der Schieberkammer 78 zwischen dem ersten Ende 80 und dem zweiten Ende 82 angeordnet. Der Schieber 84 ist dazu in der Lage, sich aufgrund eines Differenzdrucks über den Schieber 84, der durch Druckun terschiede zwischen dem ersten Ende 80 und dem zweiten Ende 82 hervorgerufen wird, gleitend längs der Schieberkammer 78 zu bewegen. In einer ersten Situation, in der der Stelldruck niedriger als der Verbraucherdruck ist, bewegt sich der Schieber 84 zu einer ersten Stelle nahe dem ersten Ende 80, was es Fluid ermöglicht, durch ein erstes Fenster 84a zwischen der Verbraucherdruckquelle und einer Versorgungsdruckquelle zu fließen, was bedeutet, dass die Verbrauchereinrichtung 12 in Fluidverbindung mit der Pumpe 18 gesetzt wird durch eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Verbraucheranschluss 70 und dem Versorgungsanschluss 64. In einer zweiten Situation, in der der Stelldruck größer als der Verbraucherdruck ist, bewegt sich der Schieber 84 in eine zweite Stellung nahe dem zweiten Ende 82, was es Fluid erlaubt, durch ein zweites Fenster 84b zwischen der Verbraucherdruckquelle und der Druckentlastungseinrichtung zu strömen, was bedeutet, dass die Verbrauchereinrichtung 12 in Fluidverbindung mit dem Reservoir 20 gesetzt wird durch eine Fluidverbindung zwischen dem zweiten Verbraucheranschluss 72 und dem Ablassanschluss 66. Gemäß 2 befindet sich der Schieber 84 in einer dritten, geschlossenen Stellung zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung, die einen Fluidstrom zwischen der Verbraucherdruckquelle und sowohl der Versorgungsdruckquelle als auch der Druckentlastungseinrichtung verhindert, was bedeutet, dass die Verbrauchereinrichtung 12 keine Fluidverbindung mit der Pumpe 18 und dem Reservoir 20 mehr hat. Der Schieber 84 hat Druckausgleichsfenster 86 zum Ausgleichen des Fluiddrucks auf der Ober- und Unterseite des Schiebers 84, wenn der Schieber 84 sich in der Schließstellung befindet.
Die Fenster 84a und 84b sind D-förmig ausgebildet, um einen allmählichen Fluidstromanstieg zu ermöglichen, wenn der Schieber 84 Stellungswechsel ausführt. Es versteht sich jedoch, dass die Fenster 84a und 84b jede gewünschte Form haben können. Wie in 2 dargestellt ist das zweite Fenster 84b mit einer optionalen Verstärkungsstange 85 versehen, um den Schieber 84 stabiler zu machen. Diese optionale Stange 85 kann während eines Betriebs in dem Mikroschieberventil 56 verbleiben oder kann alternativ nach der Herstellung entfernt werden.
Der Schieber 84 und die Innenwand der Schieberkammer 78 weisen Erhebungen 88 bzw. Vertiefungen 90 auf, die in der Schließstellung miteinander korrespondieren. Die Erhebungen 88 sind ausreichend flach, um die Bewegung des Schiebers 84 in der Schieberkammer 78 nicht zu behindern. Jedoch haben die Erhebungen 88, wenn der Schieber 84 sich außerhalb der Schließstellung befindet, ein verringertes Spiel gegenüber der Innenwand der Schieberkammer 78 als wenn sie sich in den Vertiefun gen 90 befinden und vermindern somit eine Leckage in einer Stellung, die es Fluid erlaubt, in die Verbrauchereinrichtung 12 oder aus ihr heraus zu strömen.
Der mittlere Abschnitt 58 weist ferner ein Halteelement in Gestalt einer Feder 92 auf. Die Feder 92 verbindet den Körper 76 beweglich mit dem Schieber 84. Dies gestattet eine einfache Herstellung, weil der Schieber 84 bezüglich des Körpers 76 gehalten wird, wenn der obere Abschnitt, der mittlere Abschnitt 58 und der untere Abschnitt 60 zusammen ausgebildet werden.
Vorzugsweise spannt die Feder 92 den Schieber 84 in die Schließstellung vor.
In einem bevorzugten Herstellungsschritt werden der Körper 76, der Schieber 84 und die Feder 92 integral aus einer Platte geformt, die den mittleren Abschnitt 58 bildet und die Schieberkammer 78 festlegt.
In dem exemplarischen Fluidkreissystem 10 ist das Hauptventil 14 ein pilotbetätigtes, in Mittelstellung geschlossenes Schieberventil, obwohl es sich versteht, dass das Hautventil 14 anders als dargestellt und beschrieben ausgeführt sein kann. Das Hauptventil 14 ist in einem illustrativen Beispiel in 1 als den Druck in der Kammer 32 steuernd und somit den auf den Kolben 28 im Gehäuse 22 wirkenden Druck steuernd dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass die Verbrauchereinrichtung 12 jede geeignete Einrichtung sein kann, bei der es gewünscht sein mag, den Fluidstrom mittels des Hauptventils 14 zu steuern.
Bei dem in 1 illustrierten Beispiel werden die ersten und zweiten Haupt-Verbraucheranschlüsse 70 und 72 dazu verwendet, den Strom in die bzw. aus der Kammer 32 zu steuern. In diesem Beispiel fungieren die ersten und zweiten Haupt-Verbraucheranschlüsse 70 und 72 als ein geteilter mittlerer Anschluss mit getrennten Strömungswegen für jeweils einen Strom in die und einen Strom aus der Kammer 32. Es ist jedoch denkbar, dass das Mikroschieberventil 56 mit einem einzigen Anschluss für einen Strom in die und aus der Kammer 32 ausgebildet sein kann oder dass das Mikroschieberventil 56 mit weiteren Anschlüssen ausgebildet sein kann, um Mehrfachanschlüsse für einen Strom in die und aus der Kammer 32 zu bieten.
Wie in 1 dargestellt ist das Mikroschieberventil 56 als eine ”U-Strömungs”-Anordnung verwendend ausgeführt, bei der ein Fluss durch die Anschlüsse 64, 66, 70 und 72 auf derselben Seite des Ventils 56 stattfindet, z. B. alles durch den unteren Abschnitt 60. Es versteht sich jedoch, dass das Mikroschieberventil 56 je nach Wunsch als eine andere Strömungsanordnung verwendend ausgestaltet sein kann. Beispielsweise können Anschlüsse im oberen Abschnitt und im unteren Abschnitt 60 angeordnet sein, um eine ”Durchströmungs”-Anordnung zu verwenden. Zusätzlich kann das Mikroschieberventil 56 mit Anschlüssen im mittleren Abschnitt 58 ausgeführt sein, um eine ”Querstrom”-Anordnung zu verwenden.
In dem in 1 gezeigten exemplarischen System 10 ist das Pilotventil 16 als ein Proportionalventil dargestellt, d. h. das Pilotventil 16 ist in einer unbetätigten Stellung zum Reservoir 20 vollständig offen, in einer vollständig betätigten Stellung ist das Pilotventil 16 zur Pumpe 18 vollständig offen, und in einer Stellung zwischen den beiden Endstellungen ist der Durchfluss proportional zum Maß der Betätigung. Es versteht sich, dass eine andere Pilotventilanordnung verwendet werden kann, einschließlich eines Ventils vom ”digitalen” Typ, bei dem der Durchfluss offen oder gesperrt und/oder zwischen geschlossen, Zufuhr und Ablassen schaltbar ist.
Als ein weiteres Beispiel leitet in einer Steuerstrategie das Pilotventil 16, wenn ein Druckanstieg gewünscht wird, Hochdruck von der Pumpe 18 in den Stellanschluss 62 des Schieberventils 56. Dies wird den Schieber 84 in eine Richtung bewegen, um es oder eine andere Hochdruckquelle zur Verbraucherkammer 32 zu öffnen, womit der Druck zunimmt. Wenn der Druck in der Verbraucherkammer 32 ansteigt, tut dies der Bezugsdruck am entgegengesetzten Ende des Schiebers 84 ebenso, wodurch der Schieber ”rezentriert” wird, sowie der gewünschte, angewiesene Druck in der Verbraucherkammer 32 erzielt ist. Ein ähnlicher Vorgang kann dazu benutzt werden, den Druck in der Verbraucherkammer 32 zu senken, indem das Pilotventil 16 den Stelldruck durch Ablassen von Fluid in das Reservoir 20 verringert.
Vorzugsweise ist das Mikroschieberventil 56 ein MEMS-Vorrichtungsventil mit drei oder vier Anschlüssen zum Steuern eines Flusses sowohl in eine und aus einer Steuerkammer einer Verbrauchereinrichtung. Vorzugsweise ist das Schieberventil 56 zur Verbrauchereinrichtung normal geschlossen. Das Schieberventil enthält vorzugsweise den bidirektionalen Schieber 84, der die Steuerkammer abhängig von der Bewegungsrichtung des Schiebers 84 entweder zu den ersten oder zweiten Verbraucheranschlüssen 64 und 66 öffnen kann, obwohl ein solcher nicht erforderlich ist. Vorzugsweise ist das Pilotventil 16 ein MEMS-Vorrichtungs-Pilotventil, welches dazu eingesetzt wird, den Druck auf ein Ende des Schiebers 84 zu steuern, obwohl ein solches nicht erforderlich ist. Das entgegengesetzte Ende des Schiebers 84 steht vorzugsweise in Verbindung mit der Verbraucherkammer 32. In einer bevorzugten Anordnung ist der Schieber 84 somit druckausgeglichen, wenn der Stelldruck vom Pilotventil 16 und der Steuerdruck von der Verbrauchereinrichtung 32 gleich sind. Bei einem bevorzugten Vorgehen zum Erzielen einer Druckänderung in der Verbraucherkammer 32 wird der Betätigungszustand des Pilotventils 16 verändert, was wiederum zu einer Änderung des Drucks auf der Stellseite des Schiebers 84 führt. Bei diesem Betriebsbeispiel wird der Stelldruck proportional zum Stellsignal sein und wird gleich dem gewünschten Steuerdruck sein. Wenn der Bezugsdruck auf der Steuerseite des Schiebers 84 größer als der Stelldruck ist, dann wird der Schieber sich zur Stellseite bewegen und den ersten Verbraucheranschluss 70 zum Ablassanschluss 66 öffnen. Wenn der Steuerdruck geringer als der Stelldruck ist, dann wird der Schieber 84 sich vom Stellende wegbewegen und den zweiten Verbraucheranschluss 72 zum Zuführanschluss 64 und zur Hochdruckquelle öffnen.
In einer bevorzugten Anwendung benötigt die Verbrauchereinrichtung 12 des Systems 10 keine Zufuhr eines kontinuierlichen Flusses. Die Betriebsweise des Systems 10 ist mit einem ”Totband” in der Nullstellung ausgeführt, in der der Verbraucherdruck, eine Leckagefreiheit unterstellt, konstant gehalten wird. Die Größe des Totbandes kann nach Wunsch unterschiedlich sein und bei einem Beispiel von dem Maß an Überlappung abhängen, welches in den Schieber 84 zwischen den ersten und zweiten Verbraucheranschlüssen 70 und 72 eingebaut ist. Falls gewünscht, kann ein kontinuierlicher Fluss erzielt werden durch Hinzufügen eines weiteren optionalen Anschlusses zu der Verbrauchereinrichtung 12 des Systems 10, der einen Fluss in die oder aus der Verbraucherkammer 32 gestattet.
In den 3 und 4 ist ein Mikroschieberventil 156 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. 3 ist eine Draufsicht des Mikroschieberventils 156 und 4 ist eine Unteransicht des Mikroschieberventils 156. Ähnliche Elemente wie in den 1 und 2 sind mit ähnlichen Bezugszeichen versehen, erhöht um 100. Das Mikroschieberventil 156 der 3 und 4 ist dem Mikroschieberventil 56 ähnlich, abgesehen von den untenstehenden Anmerkungen.
Das Mikroschieberventil 156 weist einen mittleren Abschnitt 158 und einen unteren Abschnitt 160 auf. Der untere Abschnitt 160 enthält mehrere Stellanschlüsse 162 und mehrere Verbraucherbezugsanschlüsse 174.
Der mittlere Abschnitt 158 enthält einen Schieber 184 mit ersten und zweiten Verstärkungsstangen 185a und 185b in ersten bzw. zweiten Fenstern 184a bzw. 184b. Die ersten und zweiten Fenster 184a und 184b sind ”D”-förmig und die ersten und zweiten Verstärkungsstangen 185a und 185b weisen jeweils diamantförmige Halte vorsprünge auf, die längs der gekrümmten Wand angebracht sind, welche die gekrümmte Seite von jedem der ersten und zweiten ”D”-förmigen Fenster 184a und 184b festlegt. Wie in 3 gezeigt, ist die gekrümmte Wand der ersten und zweiten ”D”-förmigen Fenster 184a und 184b als eine gleichmäßige Ellipse ausgebildet.
In der Stellung in Richtung auf die Verbraucherbezugsanschlüsse 174 bedeckt der Boden des Schiebers 184 die Verbraucherbezugsanschlüsse 174 zumindest teilweise.
Zwar sind das Prinzip und die Arbeitsweise dieser Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen erläutert und dargestellt worden, jedoch versteht es sich, dass diese Erfindung anders als speziell erklärt und dargestellt ausgeübt werden kann, ohne ihren Geist oder Schutzumfang zu verlassen.
Zusammenfassung
Mikroventilvorrichtung
Diese Erfindung betrifft insbesondere eine verbesserte Mikroventilvorrichtung.
Eine Mikroventilvorrichtung zum Steuern eines Fluidstroms umfasst einen Körper, der eine Kammer mit einem ersten und einem zweiten Ende festlegt. Das erste Ende steht in Verbindung mit einer Stelldruckquelle. Das zweite Ende steht in Verbindung mit einer Verbraucherdruckquelle. Ein mikrobearbeitetes Schieberventil ist in der Kammer zwischen dem ersten und dem zweiten Ende zur gleitenden Bewegung durch einen Differenzdruck über das Schieberventil zwischen einer ersten Stellung, die einen Fluidstrom zwischen der Verbraucherdruckquelle und einer Versorgungsdruckquelle erlaubt, und einer zweiten Stellung angeordnet, die einen Fluidstrom zwischen der Verbraucherdruckquelle und einer Druckablasseinrichtung erlaubt. Das Schieberventil hat eine Schließstellung zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung, die einen Fluidstrom zwischen der Verbraucherdruckquelle und sowohl der Versorgungsdruckquelle als auch der Druckablasseinrichtung verhindert. Das Schieberventil ist beweglich mit dem Körper verbunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6494804 [0009]
- US 6540203 [0009]
- US 6637722 [0009]
- US 6694998 [0009]
- US 6755761 [0009]
- US 6845962 [0009]
- US 6994115 [0009]

Claims

Mikroventilvorrichtung zum Steuern eines Fluidstroms, mit: – einem Körper, der eine Kammer mit einem ersten und einem zweiten Ende festlegt, wobei das erste Ende in Verbindung mit einer Stelldruckquelle steht und das zweite Ende in Verbindung mit einer Verbraucherdruckquelle steht, und – einem mikrobearbeiteten Schieberventil, das in der Kammer zwischen dem ersten und dem zweiten Ende zur gleitenden Bewegung durch einen Differenzdruck über das Schieberventil angeordnet ist, wobei das Schieberventil zwischen einer ersten Stellung, die einen Fluidstrom zwischen der Verbraucherdruckquelle und einer Versorgungsdruckquelle gestattet, und einer zweiten Stellung beweglich ist, die einen Fluidstrom zwischen der Verbraucherdruckquelle und einer Druckablasseinrichtung erlaubt, wobei das Schieberventil eine Schließstellung zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung hat, die einen Fluidstrom zwischen der Verbraucherdruckquelle und sowohl der Versorgungsdruckquelle als auch der Druckablasseinrichtung verhindert, wobei das Schieberventil beweglich mit dem Körper verbunden ist.
Mikroventilvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das mikrobearbeitete Schieberventil durch eine Halteeinrichtung beweglich mit dem Körper verbunden ist.
Mikroventilvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Halteeinrichtung eine Feder ist.
Mikroventilvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Feder das mikrobearbeitete Schieberventil in die Schließstellung vorspannt.
Mikroventilvorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Körper eine Platte aufweist, wobei die Platte eine Kammer festlegt, und bei der die Halteeinrichtung und das mikrobearbeitete Schieberventil integral mit der Platte ausgebildet sind.
Mikroventilvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Körper einen ersten Bezugsanschluss nahe dem ersten Ende, einen zweiten Bezugsanschluss nahe dem zweiten Ende, einen ersten zwischen dem ersten Bezugsanschluss und dem ersten Anschluss gelegenen Strömungsanschluss, einen ersten zwischen dem Stellanschluss und dem zweiten Verbraucheranschluss gelegenen Zuführanschluss und einen Ab lassanschluss aufweist, wobei jeder der Anschlüsse in Fluidverbindung mit der Kammer steht.
System zum Steuern eines Fluidstroms, mit: – einem pilotbetätigten, in Mittelstellung geschlossenen Haupt-Schieberventil mit einem Körper, der eine Schieberkammer festlegt und einen mikrobearbeiteten Schieber enthält, der zum Steuern eines Fluidstroms gleitend in der Schieberkammer bewegbar ist, wobei der mikrobearbeitete Schieber beweglich mit dem Körper verbunden ist, und – einem Pilotventil zum Steuern eines Stelldrucks, wobei die Stellung des mikrobearbeiteten Schiebers in der Kammer zumindest teilweise auf dem Stelldruck basiert.
System nach Anspruch 7, bei dem das Pilotventil ein Pilotventil vom Mikroventiltyp ist.
System nach Anspruch 7, bei dem das Pilotventil ein Proportionalventil ist.
System nach Anspruch 7, bei dem das Pilotventil ein digitales Ventil ist.
System nach Anspruch 7, bei dem der mikrobearbeitete Schieber zumindest ein Fenster zum Durchtritt von Fluid durch es begrenzt.
System nach Anspruch 11, bei dem das Fenster mit einem D-förmigen Querschnitt ausgebildet ist.
System nach Anspruch 11, bei dem das Fenster als eine glatte Ellipse ausgebildet ist.
System nach Anspruch 11, bei dem in dem Fenster eine Verstärkungsstange vorhanden ist, wobei die Verstärkungsstange sich von einem Abschnitt des mikrobearbeiteten Schiebers zu einem anderen Abschnitt der mikrobearbeiteten Schiebers erstreckt.
Strömungstechnisches System, mit: – einer Verbrauchereinrichtung, – einem pilotbetätigten, in Mittelstellung geschlossenen Haupt-Schieberventil mit einem Körper, der eine Schieberkammer festlegt und einen mikrobearbeiteten Schieber enthält, der in der Schieberkammer zum Steuern eines Fluidstroms zumindest auf die Verbrauchereinrichtung zu oder von ihr weg gleitend bewegbar ist, wobei der mikrobearbeitete Schieber beweglich mit dem Körper verbunden ist, und – einem zum Steuern der Stellung des mikrobearbeiteten Schiebers in der Kammer ausgelegten Pilotventil.
Strömungstechnisches System nach Anspruch 15, bei dem das pilotbetätigte, in Mittelstellung geschlossene Haupt-Schieberventil ein U-Stromventil oder ein Durchströmungsventil (flow-through valve) ist.
Strömungstechnisches System nach Anspruch 15, bei dem die Verbrauchereinrichtung eine federbelastete Kolbenanordnung ist.
Strömungstechnisches System nach Anspruch 15, bei dem die Verbrauchereinrichtung eine Verbraucherkammer mit variablem Volumen festlegt, in der ein Steuervolumen durch den Fluidstrom zu der Verbrauchereinrichtung und/oder aus der Verbrauchereinrichtung geregelt wird.
Strömungstechnisches System nach Anspruch 15, bei dem das mikrobearbeitete Schieberventil dazu ausgelegt ist, einen Anstieg oder eine Verminderung des Fluidstroms zur Verbrauchereinrichtung oder von ihr weg in Bezug auf die gleitende Bewegung des mikrobearbeiteten Schiebers längs der Schieberkammer zuzulassen.
Strömungstechnisches System nach Anspruch 14, bei dem das pilotbetätigte, in Mittelstellung geschlossene Haupt-Schieberventil ein Totband um die Mittelstellung aufweist, in dem kein Fluidstrom zu der Verbrauchereinrichtung oder von ihr weg zugelassen wird.