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Entwicklung eines mit der Siliziumtechnologie hergestellen 3/2-Wege-Mikroventils

Einleitung

Wie in anderen Bereichen so ist auch in der Pneumatik in den letzten Monaten und Jahren ein klarer Trend zur Miniaturisierung von Komponenten und Systemen zu verzeichnen. So wurden In den letzten Monaten und Jahren international eine Vielzahl von miniaturisierten Ventilen entwickelt und vorgestellt. Da der Miniaturisierung herkömmlicher elektromagnetisch betätigter Ventile dabei Grenzen gesetzt sind, zeichnen sich diese Mikroventile vielfach durch neue Fertigungstechnologien und Aktorkonzepte aus. So wurden unter anderem piezoelektrische, elektrostatische oder thermomechanische Ventile entwickelt.

Am IFAS wird im Rahmen eines BMBF-Verbundprojekts ein pneumatisches 3/2-Wege-Mikroventil entwickelt, das speziell für den Einsatz als Vorsteuerelement in der Industriepneumatik optimiert wird. Dabei werden neben einem großen Druckbereich bis 10 bar und Durchflüssen bis 2 Nl/min auch Schaltzeiten kleiner 20 ms sowie eine elektr. Leistungsaufnahme deutlich unter 1W gefordert. Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (FhG-ISIT) in Itzehoe sowie verschiedene Firmen, die das Projekt im Arbeitskreis Pneumatik des Forschungsfonds Fluidtechnik im VDMA begleiten.

Aufbau & Funktion

Das Ventil verfügt über einen thermomechanischen Aktor, dessen Layout auf den Ergebnissen eines vorangegangenen DFG-Grundlagenprojekt beruht. Bild 1 zeigt den Aufbau des Ventils.

Aufbau des Ventils
Bild 1: Aufbau des Ventils

Der brückenförmige Aktor des 3/2-Wegeventil wird von unten angeströmt und ist stromlos geschlossen. Die anliegende Druckdifferenz wirkt in Öffnungsrichtung auf die Brücke. Ohne zusätzliche Maßnahmen würde diese Druckdifferenz das Ventil aufdrücken und zu unerwünschter Leckage führen. Um dies zu verhindern, wird der Aktor bei der Montage durch den darunterliegenden Ventilsitz vorausgelenkt, so dass die dadurch entstehende Vorspannung ein Abheben des stromlosen Aktors verhindert. Zur Betätigung des normally-closed-Ventils wird der brückenförmige Aktor beheizt und führt aufgrund der Wärmedehnung eine Hubbewegung aus, so dass der Ventilsitz an der Einlassseite geöffnet wird, während gleichzeitig die darüberliegende Entlüftungsöffnung geschlossen wird. Dabei legt der 2 mm lange Aktor einen Hub von 40 µm zurück. Herstellung Das Ventil wird mit Methoden der Siliziumtechnologie in einer Kombination aus Oberflächen- und Bulkprozessen am FhG-ISIT gefertigt. Die Aktorbrücke des Ventils besteht aus galvanisch abgeschiedenem Nickel. Zur Beheizung der Brücke wird eine in den Aktor integrierte Poly-Si-Heizschicht verwendet. Die zur Verbesserung des Dichtverhaltens sowie zur Verringerung von Strömungskräften vorgesehenen Sitzstrukturen im Sitz- und Deckelchip sind ebenfalls aus Nickel hergestellt. Bild 2 zeigt ein Foto eines realisierten Ventils ohne Deckelchip.

Realisiertes Ventil (ohne Deckel)
Bild 2: Realisiertes Ventil (ohne Deckel)

CFD-Simulation

Ein wichtiger Effekt bei der Auslegung des thermischen Aktors ist die Kühlung des Aktors durch die vorbeiströmende Luft. Dieser verbessert die Schaltdynamik des Ventils, erhöht jedoch gleichzeitig die aufgenommene elektrische Leistung. Um diesen Effekt näher zu untersuchen, werden am IFAS CFD-Simulationen des Ventils durchgeführt. Bild 3 zeigt ein Modell des Einlasssitzes mit dem darüber liegenden Aktor. Der Deckelchip und die Entlüftungsöffnung wurden hierbei zunächst nicht mit modelliert. Zur besseren Übersichtlichkeit ist dabei das Netz nur auf den Wänden des Ventils dargestellt.

Berechnungsnetz zur CFD-Simulation
Bild 3: Berechnungsnetz zur CFD-Simulation

Zur Berechnung der stationären Leistungsaufnahme des Ventils wurde sowohl die Luftströmung durch das Ventil als auch der Wärmeaustausch zwischen Brücke und Träger (Festkörperkontakt) und zwischen Brücke und Gas berechnet. Somit kann die Temperaturverteilung in der Brücke und damit der effektive Brückenhub berechnet werden. Die Dissipation elektrischer Energie in der Brücke wird dabei als eine spezifische Wärmequelle in den Brückenelementen modelliert. Bild 4 zeigt die resultierende Druckverteilung auf der Symmetrieebene, in Bild 5 ist die Temperaturverteilung entlang der Brückenachse dargestellt. Im Gegensatz zum nicht durchströmten Ventil liegt das Temperaturmaximum hier außerhalb der Brückenmitte. Dies ist auf die starke Kühlung der Brücke im Sitzbereich zurückzuführen. Durch verschiedene Veränderungen der Geometrie kann die Strömung so beeinflusst werden, dass dieser Effekt verringert wird und sich eine deutliche Reduktion der elektrischen Leistungsaufnahme des Ventils erzielen lässt.

Druckverteilung auf der Symmetrieebene
Bild 4: Druckverteilung auf der Symmetrieebene
Temperaturverteilung entlang der Brücke
Bild 5: Temperaturverteilung entlang der Brücke
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