DE60012759T2

DE60012759T2 - Adressierbare ventilanordnungen zur proportionalen druck- oder durchflusssteuerung

Info

Publication number: DE60012759T2
Application number: DE60012759T
Authority: DE
Inventors: R. Thomas OHNSTEIN; L. Eugen CABUZ
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1999-09-23
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2020-09-23
Also published as: DE60012759D1; ATE272798T1; US6240944B1; WO2001021962A1; AU4018801A; EP1214523B1; CA2385855A1; EP1214523A1; JP2003510529A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung der proportionalen Durchfluss- und Drucksteuerung von Ventilen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung von Ventilanordnungen und insbesondere Mikroventilanordnungen, mit denen ein teilweises Schließen oder Öffnen des effektiven Durchflussweges in Ventilen möglich ist.
Allgemeiner Stand der Technik
In Vorrichtungen nach dem Stand der Technik erfolgte die proportionale Durchfluss- und Drucksteuerung durch teilweises Schließen oder Öffnen eines Ventils, um die Drosselung des Ventils und somit den Durchfluss durch das Ventil und den Druckabfall am Ventil zu steuern. Im Fall eines Mikroventils, das elektrostatisch betätigt wird, ist es nicht möglich, eine proportionale Steuerung in dieser Weise vorzunehmen. Der Grund dafür ist der elektrostatische Mitnahme-Effekt, wenn das kritische Feld in der Ventilstruktur erreicht ist.
In bestimmten Designs für Mikroventile und Anordnungen wurde die proportionale Steuerung von Durchfluss und Druck mittels einer Impulsbreitenmodulationstechnik in einem Frequenzbereich von etwa 20 Hz bis mehreren Hundert Hz versucht, um die Zeitdauer zu steuern, in der das Ventil geöffnet und geschlossen ist. Diese Impulsbreitenmodulationstechnik macht es erforderlich, dass die Ventilanordnungen ständig in Betrieb sind, so dass eine Grenznutzungsdauer im Hinblick auf die Anzahl der Ventilbetätigungen im Bereich von zwei Milliarden bis zwanzig Milliarden erforderlich ist. Eine solche Leistungsvorgabe ist für ein proportionales Steuer ventil außerordentlich schwierig zu erreichen, wenn es mit der heutigen Technologie überhaupt möglich ist.
Ein Beispiel eines Miniatur-Gasventils ist aus dem gemeinsam übertragenen US-Patent Nr. 5,082,242, dem US-Teilpatent Nr. 5,180,623 und dem US-Teilpatent Nr. 5,244,537 bekannt. Diese Patente, die durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden, beschreiben ein elektronisches Mikroventil, in dem die Betriebsspannung minimiert ist. Bei dem Mikroventil handelt es sich um eine integrale Struktur, die auf einem einzelnen Stück Silizium hergestellt ist, und es ist ein Durchflussventil mit einem Einlass und einem Auslass auf gegenüberliegenden Seiten des Silizium-Wafers.
Beispiele einer Mikrostruktur-Gasventilsteuerung sind aus US-Patent Nr. 5,176,358, US-Teilpatent Nr. 5,323,999 und US-Teilpatent Nr. 5,441,597 bekannt. Diese Patente, die ebenfalls durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden, beschreiben eine Durchflusssteuerungsvorrichtung, die zwischen einem Einlassport und einem Auslassport separate Hauptdurchfluss- und Durchflusssteuerungskanäle (Servokanäle) enthalten. Die Ventile sind auf einem monolithischen Halbleiter ausgebildet und werden elektrostatisch gesteuert.
US-Patent Nr. 5,822,170, das ebenfalls durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird, beschreibt eingehender ein elektrostatisches Berührungsmodus-Betätigungsglied, das sich für die oben beschriebenen Ventile eignet und auf das eine Grenznutzungsdauer-Anforderung im Hinblick auf die Anzahl der Ventilbetätigungen im Bereich von zwei Milliarden bis zwanzig Milliarden zutreffen würde.
US-Patent Nr. 5,901,939 beschreibt eine Vorrichtung für das Steuern von Druck und Durchfluss über einen breiten Bereich an Ventilen hinweg, wobei diese Vorrichtung eine Ventilanordnung umfasst, in der jedes Ventil einzeln adressiert und elektrostatisch betätigt wird.
Dementsprechend wäre es auf diesem technischen Gebiet von großem Vorteil, wenn die Grenznutzungsdauer einer Ventilanordnung für eine proportionale Durchfluss- oder Drucksteuerung deutlich verlängert werden könnte.
Ein weiterer großer Fortschritt auf diesem technischen Gebiet wäre es, wenn man eine präzisere Steuerung elektrostatischer Anordnungen erreichen könnte, insbesondere in der Weise, in der separate Ventile in einer Anordnung betätigt werden.
Weitere Vorteile werden im Verlauf der weiteren Besprechung offenbar.
Kurzdarstellung der Erfindung
Es wurde nun entdeckt, dass die obigen und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung in der folgenden Weise erreicht werden können. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein Design bereit, bei dem nur einige (d. h. nicht alle) Ventile der Ventilanordnung ein einziges Mal für eine bestimmte Durchfluss- oder Drucksteuerungssituation betätigt werden, anstatt sämtliche Ventils ständig zu modulieren.
Die Anordnung ist so gebildet, dass bei einer Betätigung eine Anzahl von Ventilen betätigt wird, die von einem einzigen Ventil bis zu allen Ventilen in der Anordnung reicht. Die Vorrichtung und das Verfahren ihrer Verwendung kann zur Steuerung des Durchflusses zwischen einem Quelldruck und einer Austragsdruckkammer verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform enthält die Vorrichtung des Weiteren einen proportionalen Austragsport, der mit der Vorrichtung in strömungsmäßiger Verbindung steht und dem Ablassen eines Steuer drucks aus der Vorrichtung dient und der so angeordnet ist, dass er den Anteil an Fluid erhält, der nicht durch die adressierbare Anordnung abgelassen wird.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung enthält eine adressierbare Anordnung, die sich zwischen einem Quelldruck und einer Austragsdruckkammer befindet, wobei die Anordnung mehrere Ventile umfasst, deren offene Gesamtfläche die Öffnung zwischen dem Quelldruck und dem Austragsdruck definiert. Sie enthält des Weiteren ein Betätigungsglied zum separaten Betätigen jedes Ventils der Anordnung zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand, wodurch die Gesamtzahl offener Ventile den Durchfluss zwischen dem Quelldruck und dem Austragsdruck bestimmt.
Bei den Ventilen handelt es sich um elektrostatisch betätigte Ventile, die vorzugsweise monolithisch auf einem einzelnen Substrat hergestellt sind. Die elektrostatisch betätigten Ventile enthalten obere und untere Elektroden, die durch einen Leiter adressiert werden können. Es kommen auch andere Betätigungsmittel in Frage.
Alle Ventile haben entweder die oberen oder die unteren Elektroden gemeinsam, und die jeweils anderen – oberen bzw. unteren – Elektroden sind zu Gruppen verbunden, wodurch das Betätigen einer bestimmten Gruppe oder von bestimmten Gruppen eine Anzahl von Ventilen betätigt, die von einem einzelnen Ventil bis zu allen Ventilen in der Anordnung reichen kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird hiermit auf die Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:
1 ist eine schematische Ansicht einer adressierbaren 7 × 8-Ventilanordnung, bei der die Ventile gruppenweise dergestalt ansteuerbar sind, dass jede beliebige Anzahl von Ventilen – von 1 bis 56 – betätigt werden kann.
2 ist eine schematische Ansicht einer Konfiguration einer Ventilanordnung und einer Drosselöffnung zur Drucksteuerung eines Zwischendrucks.
3 ist eine schematische Ansicht eines proportionalen Steuerungssystems.
4 ist eine Kurvendarstellung eines Experiments mit der Vorrichtung von 3 und unter Verwendung der Anordnung von 1.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Wenden wir uns den Zeichnungen zu. 1 veranschaulicht ein bevorzugtes Konzept einer adressierbaren Anordnung. Wie zu sehen ist, sind die Ventile monolithisch auf einem einzelnen Substrat hergestellt. In 1 ist eine 7 × 8-Ventilanordnung 11 aufgebaut, die einen gemeinsamen unteren Elektrodenanschluss 13 für die gesamte Anordnung enthält. Die Anschlüsse 15 zu den oberen Elektroden der Ventile sind gruppiert, und zwar folgendermaßen: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 7, 7, 7, 7. Es wurden auch Anordnungen mit anderen Gruppierungsschemata hergestellt, wie beispielsweise 1, 2, 2, 2, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7. Zu anderen Gruppierungen, die eine noch größere Flexibilität bei der Adressierung der Anordnung ermöglichen würden, gehört beispielsweise eine Gruppierung wie 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 7, 7, 7, 7, 7, 7. Eine oder mehrere Ventilgruppen werden dadurch betätigt, dass an Ventilgruppen ein Potenzial angelegt wird. Durch Adressieren von Kombinationen dieser Ventilgruppen kann jede beliebige Anzahl an Ventilen von 1 bis 56 betätigt werden.
Ein (nicht gezeigter) Mikroprozessor kann so programmiert werden, dass er an alle Kontaktinseln eine Ausgabespannung anlegt, um die gewünschte Anzahl an Ventilen zu öffnen und zu schließen. Wie nun zu erkennen ist, liegt der Nutzen der vorliegenden Erfindung in der Tatsache, dass die geöffneten oder geschlossenen Ventile nur ein einziges Mal anstatt immer und immer wieder betätigt werden, wie es ansonsten der Fall wäre. Test haben gezeigt, dass Anordnungen aus Betätigungsgliedern über 120 Millionen Zyklen hinweg ohne Störung oder Ausfall funktionierten, was weit weniger ist als die 20 Milliarden oder mehr, die früher nötig gewesen wären.
Die Durchflusssteuerung erfolgt mittels einer adressierbaren Ventilanordnung, indem das Ventil direkt im Fluidstrom angeordnet ist. Je nachdem, wie viele Ventile geschlossen oder geöffnet werden, ändert sich die wirksame Öffnungsgröße der Ventilanordnung, und der Durchfluss durch das Ventil ist proportional dem Zuleitungsdruck und der wirksamen Öffnungsgröße.
Die Drucksteuerung mit einer adressierbaren Ventilanordnung kann mittels einer zusätzlichen Drosselöffnung mit fester Größe erfolgen. Eine Möglichkeit der Implementierung eines Drucksteuerungssystems ist in 2 veranschaulicht. Ps ist der Zuleitungsdruck zum System, und P ist der zu steuernde Druck. P kann ein Steuerdruck sein, der ein Betätigungsglied, wie beispielsweise ein pneumatisches Stellglied, steuert. Pe ist der Austragsdruck.
Die Drosselöffnung 35 ist eine Öffnung mit fester Größe, und die Ventilanordnung 37 ist die adressierbare Ventilanordnung. Der Zuleitungsdruck Ps wird proportional zum Verhältnis der wirksamen Größen der beiden Öffnungen 37 bzw. 35 zwischen Pe und P unterteilt. In dem Maße, wie die wirksame Größe der Öffnung 37 der Ventilanordnung deutlich kleiner als die Drosselöffnung wird, nähert sich P dem Wert von Ps. Wenn die wirksame Größe der Öffnung 37 der Ventilanordnung deutlich größer als die Drosselöffnung wird, wird P kleiner und nähert sich dem Druckabfall nur an der Drosselöffnung 35. Der Druck P kann dann durch Betätigen der entsprechenden Anzahl Ventile in der Anordnung gesteuert werden, wodurch sich die wirksame Öffnungsgröße ändert.
Um die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurden Versuche angestellt, bei denen eine Testvorrichtung, wie schematisch in 3 gezeigt, und die adressierbare Anordnung von 1 verwendet wurden. Wie in 3 gezeigt, wurde ein Druck Ps aus der Quelle 41 herangeführt und durch eine Drossel 43 geleitet, um in der Kammer 45 einen gewünschten Druck P bereitzustellen. Die adressierbare Anordnung auf dem Chip 47, wie die von 1, wurde so gesteuert, dass ein bis sechsundfünfzig einzelne Ventile geöffnet wurden.
In einem Versuch betrug die Öffnungsgröße im Chip 47 50 × 50 μm; die gesamte Öffnungsgröße maß etwa 0,14 mm², und die Antriebsspannung betrug 30 Volt. Der Durchmesser der Drossel 43 betrug etwa 0,032 mm². In 4 ist der gesteuerte Druck gegen die Anzahl der geschlossenen Klappen in Form einer Kurve aufgetragen. Wie zu sehen ist, betrug der Druck von der Quelle 41 6,5 psi, und der gesteuerte Druck 45 bewegte sich im Bereich von etwa 0,6 psi bis etwa 6,5 psi, wobei der Anstieg eine gewisse Linearität aufweist. Von vorrangiger Bedeutung ist aber, dass der Druck zwischen dem Maximum und dem Minimum in bis zu 56 Stufen – der Anzahl der Ventile in der Anordnung – gesteuert werden konnte, indem die Anzahl der Ventile, die geschlossen werden müssen, entsprechend ausgewählt wurde.
Obgleich konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, wird die Erfindung nur durch den Geltungsbereich der folgenden Ansprüche begrenzt.

Claims

Vorrichtung zum Steuern des proportionalen Drucks oder Durchflusses von Fluiden über einen Bereich von Quelldrücken hinweg, umfassend: eine adressierbare Anordnung (11, 37), die sich zwischen einem Quelldruck und einer Austragsdruckkammer (45) befindet, wobei die Anordnung mehrere elektrostatisch betätigte Ventile umfasst, die obere und untere Elektroden enthalten, welche durch einen Leiter adressierbar sind, wobei die offene Gesamtfläche der Ventile die Öffnung zwischen dem Quelldruck (Ps) und dem Austragsdruck (Pe) definiert; und ein Betätigungsglied zum separaten Betätigen jedes Ventils der Anordnung zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand, wodurch die Gesamtzahl offener Ventile den Durchfluss zwischen dem Quelldruck und dem Austragsdruck bestimmt; dadurch gekennzeichnet, dass alle Ventile entweder die oberen oder die unteren Elektroden gemeinsam haben und dass die jeweils anderen – oberen bzw. unteren – Elektroden zu Gruppen verbunden sind, wodurch das Betätigen einer bestimmten Gruppe oder von bestimmten Gruppen eine Anzahl von Ventilen betätigt, die von einem einzelnen Ventil bis zu allen Ventilen in der Anordnung reichen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ventile monolithisch auf einem einzelnen Substrat hergestellt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren einen proportionalen Austragsport enthält, der mit der Vorrichtung in strömungsmäßiger Verbindung steht und dem Ablassen eines Steuerdrucks dient und der so angeordnet ist, dass er den Anteil an Fluid erhält, der nicht durch die adressierbare Anordnung abgelassen wird.
Verfahren zum Steuern des proportionalen Drucks oder Durchflusses von Fluiden über einen Bereich von Quelldrücken hinweg, umfassend folgende Schritte: Anordnen einer adressierbaren Anordnung (11, 37), die sich zwischen einem Quelldruck und einer Austragsdruckkammer (45) befindet, wobei die Anordnung mehrere elektrostatisch betätigte Ventile umfasst, die obere und untere Elektroden enthalten, welche durch einen Leiter adressierbar sind, wobei die offene Gesamtfläche der Ventile die Öffnung zwischen dem Quelldruck (Ps) und dem Austragsdruck (Pe) definiert; und Steuern eines Betätigungsgliedes zum separaten Betätigen jedes Ventils der Anordnung zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand, wodurch die Gesamtzahl offener Ventile den Durchfluss zwischen dem Quelldruck und dem Austragsdruck bestimmt; dadurch gekennzeichnet, dass alle Ventile entweder die oberen oder die unteren Elektroden gemeinsam haben und dass die jeweils anderen – oberen bzw. unteren – Elektroden zu Gruppen verbunden sind, wodurch das Betätigen einer bestimmten Gruppe oder von bestimmten Gruppen eine Anzahl von Ventilen betätigt, die von einem einzelnen Ventil bis zu allen Ventilen in der Anordnung reichen kann.