DE102007045110A1

DE102007045110A1 - Ventil für magnetorheologische Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102007045110A1
Application number: DE200710045110
Authority: DE
Inventors: Stefan Battlogg
Original assignee: Inventus Engineering GmbH
Current assignee: Inventus Engineering GmbH
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-09-21
Also published as: WO2009040066A4; US8302327B2; WO2009040066A1; DE102007045110B4; US20100199519A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil für magnetorheologische Flüssigkeiten, wobei das Ventil einen Steuerkanal zur Durchleitung der Flüssigkeit durch das Steuerventil in einem radial ausgebildeten Innenraum einer stromdurchflossenen Spule aufweist, wobei die Flüssigkeit magnetische Teilchen aufweist, welche eine Viskositätsänderung bzw. eine Änderung des Strömungswiderstandes des Fluids je nach Bestromung der Spule ausbilden und den Steuerkanal öffnen oder schließen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Steuerkanal im Stirnseitenbereich der stromdurchflossenen Spule angeordnet ist und dass im Innenraum der stromdurchflossenen Spule ein Permanentmagnet angeordnet ist und dass ferner das Steuersignal sich über den radialen Außenumfang der Spule hinwegerstreckt.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Ventil für magnetorheologische Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Magnetorheologische Flüssigkeiten sind veränderbare/steuerbare Flüssigkeiten, die z. B. aus einem Fluid, insbesondere einem Silikonöl oder einer anderen neutralen Flüssigkeit bestehen, in welche Flüssigkeit entsprechende magnetisch aktive Partikel suspendiert sind. Solche magnetisch wirksamen Partikel können z. B. Carbonyl-Eisenpulver sein.
Das Carbonyl-Eisenpulver ist in Form kleinster Partikel im Mikrometerbereich in der Flüssigkeit suspendiert.
Solche magnetorheologischen Ventile sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt geworden. Eine erste bekannte Ausführungsform ist Gegenstand der DE 103 37 516 A1 . Es handelt sich dort um eine Ventilanordnung zur Regulierung des Fließverhaltens einer magnetorheologischen Flüssigkeit und das dort beschriebene Ventil zeichnet sich dadurch aus, dass der Steuerkanal für die Durchleitung der Flüssigkeit durch das Steuerventil radial im Innenraum einer stromdurchflossenen Spule angeordnet ist. Wird die Spule bestromt, dann wird durch den entstehenden Stromfluss der im radialen Innenraum angeordnete Steuerkanal geschlossen. Die Schließwirkung erfolgt dadurch, dass die magnetisch aktiven Teilchen im Fluid stocken und hierdurch eine Viskositätsänderung des Fluids stattfindet. Das vorher dünnflüssige Fluid ändert sich in ein stark dickflüssiges Fluid, was den Strömungswiderstand im Steuerkanal stark erhöht. Damit ist das Ventil praktisch geschlossen. Nachteil der bekannten Anordnung ist jedoch, dass wegen der radial einwärts gerichteten Anordnung des Steuerkanals im Innenraum der magnetdurchflossenen Spule starke Streuflüsse (und nicht beeinflussbare Magnetfelder) in Kauf genommen werden müssen, wenn zusätzlich ein Permanentmagnet verwendet wird, wie es die genannte Druckschrift beschreibt. Die Druckschrift beschreibt nicht genau, wo der Permanentmagnet angeordnet sein soll und beschreibt nur die Möglichkeit, dass der Permanentmagnet im radialen Außenbereich der stromdurchflossenen Spule oder im Innenraum angeordnet sein soll. Ist der Permanentmagnet im radial äußeren Bereich der stromdurchflossenen Spule angeordnet, besteht der Nachteil, dass man einen groß dimensionierten Permanentmagneten benötigt, um einen entsprechenden Steuerfluss im radialen Innenraum der stromdurchflossenen Spule zu erreichen. Zudem wird ein mehrteiliges magnetisch leitendes Gehäuse benötigt, um den Permanentmagneten überhaupt montieren zu können. Die Gehäusehälften dürfen auch nicht direkt miteinander verbunden sein, da sich sonst das Magnetfeld des Permanentmagneten über die Verbindung schließt und die gewünschte Magnet-Ventilwirkung nicht oder mangelhaft eintritt. Dazu wäre eine aufwendige, dreiteilige Konstruktion erforderlich.
Ist hingegen der Permanentmagnet im Innenraum der stromdurchflossenen Spule (und unmittelbar beim Steuerkanal) angeordnet, besteht der Nachteil, dass dort große Streuflüsse zu vergegenwärtigen sind, denn der Permanentmagnet wirkt unmittelbar auf den an ihm anliegenden Steuerkanal, unabhängig davon, ob die Spule stromdurchflossen ist oder nicht. Bei einem Permanentmagnet, welcher immer zwei Pole haben muss, schließt sich immer ein Teil des Feldes direkt von einem Pol zum anderen Pol. Wenn in diesem Bereich MRFluid strömt, wie es bei der DE 103 37 516 A1 der Fall wäre, wird es beeinflusst. Es bedarf also einer hohen elektrischen Leistung, um dieses Steuerventil zu betätigen und eine entsprechend große Energiequelle, weil nur durch entsprechende hohe Bestromung der Spule das Magnetfeld des Permanentmagnets beim Steuerkanal reduziert werden kann und so eine entsprechende Viskositätsänderung der Flüssigkeit gegeben ist. Eine komplette Aufhebung des Magnetfeldes des Permanentmagnets ist mit einem direkt an den Permanentmagneten angrenzenden Steuerkanal nicht möglich. Aufgrund der stets jedoch wirkenden Streuflüsse ist die Viskositätsänderung der Flüssigkeit im offenen Zustand im Vergleich zum geschlossenen Zustand des Ventils jedoch gering.
Insgesamt besteht bei der genannten Druckschrift also der Nachteil, dass mit einer relativ groß dimensionierten Stromquelle nur eine geringe Viskositätsänderung des Ventils erreichbar ist.
Mit dem Gegenstand der DE 201 03 782 U1 , der DE 299 13 326 U1 und der DE 198 20 569 A1 sind Ventile für magnetorheologische Flüssigkeiten bekannt geworden, die allerdings mit bewegten Teilen arbeiten. Einerseits werden bewegbare Membranen verwendet und andererseits ( DE 198 20 569 A1 ) auch bewegbare Aktoren. Mit solchen bewegbaren Teilen besteht jedoch der Nachteil, dass die Betriebssicherheit nicht gegeben ist, da die zueinander beweglichen Teile verschleißen, spröde werden, verklemmen oder an Dichtwirkung verlieren. Eine schnelle Schaltung des Ventils ist nicht möglich, da die beweglichen Teile einen Hub machen und der Massenträgheit unterliegen.
Mit dem Gegenstand der DE 44 33 056 A1 ist es zwar bekannt geworden, dass man einen Schwingungsdämpfer mit Permanentmagneten ausrüstet und den Fluidkanal im radialen Außenbereich der stromdurchflossenen Spule anordnet. Nachteil der Anordnung ist jedoch wiederum, dass die Anordnung im Bereich eines verschiebbar ausgebildeten Kolbens ausgebildet ist und die Stromzuführung über die bewegbare Kolbenstange stattfinden muss. Bei der genannten Druckschrift zeigt die 2 einen im Innenraum der stromdurchflossenen Spule angeordneten Permanentmagneten. Der Steuerkanal ist jedoch im radialen Außenbereich der stromdurchflossenen Spule angeordnet, und damit besteht der Nachteil, dass ein relativ hoher Spulenstrom notwendig ist, um ein entsprechend wirksames Magnetfeld in diesem Bereich anzulegen. Dies liegt daran, dass der Steuerkanal im radialen Außenbereich angeordnet ist und damit eine große Querschnittsfläche bzw. großes Volumen hat. Es ist also außerordentlich schwierig, im radialen Außenumfang mit einem relativ geringen Spulenstrom eine für die Wirksamkeit des Ventils entscheidende Steuerflussfeldstärke zu erzeugen, da die Kernfläche beim Permanentmagnet bzw. unter der Spule sich sehr ungünstig zur Magnetfeldübergangsfläche im Steuerkanal verhält. Der flächenmäßig kleine Kernbereich ist magnettechnisch schnell gesättigt, wogegen sich für den flächenmäßig viel größeren Steuerkanalübergangsbereich eine geringe Feldstärke ergibt. Je kleiner der Durchmesser des Ventils wird, desto ungünstiger wird der Feldlinienverlauf bei dieser Konstruktion. Der Erfindung liegt deshalb ausgehend von der DE 103 37 516 A1 die Aufgabe zugrunde, ein magnetrheologisches Ventil der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit einem relativ geringen Spulenstrom ein hoher Schaltwirkungsgrad erzielt wird.
Unter dem Begriff Schaltwirkungsgrad wird hierbei verstanden, dass eine hohe Viskositätsänderung gegeben ist bei einem Ventil, welches sich im Offenzustand befindet im Vergleich zu dem gleichen Ventil, welches sich im geschlossenen Zustand befindet.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt durch die technische Lehre des Anspruches 1.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass der jeweilige Steuerkanal im Stirnseitenbereich der stromdurchflossenen Spule angeordnet ist und dass im Innenraum der stromdurchflossenen Spule ein Permanentmagnet angeordnet ist und dass ferner das Steuersignal sich über den radialen Außenumfang der Spule hinweg erstreckt.
Mit der gegebenen technischen Lehre wird der wesentliche Vorteil erreicht, dass nun mit ganz geringem Spulenstrom ein hoher Schaltwirkungsgrad des Ventils erreicht wird. Dies daher, dass bei geschlossenem Ventil nur der Magnetfluss des im Innenraum angeordneten Permanentmagneten wirkt, der demzufolge auf die stirnseitig angeordneten Steuerkanäle einen hohen Sperrfluss erzeugt, so dass in diesem Bereich ein Sperrfluss hoher Flussdichte erzeugt wird. Dies deshalb, weil die lichte Weite der Polfläche gleich der lichten Weite der Übergangsfläche im Steuerkanals ist. Der geschlossene Zustand des Ventils wird also allein durch die magnetische Wirkung des Permanentmagneten erzielt, wobei die Spule stromlos ist.
Damit besteht der wesentliche Vorteil, dass eine nur geringe Stromleistung für die Ansteuerung des Ventils verwendet werden muss, weil der geschlossene Zustand des Ventils allein durch den Permanentmagneten erreicht wird.
Nur wenn das Ventil in einen offenen Zustand gesteuert werden soll, ist vorgesehen, dass die Spule kurzzeitig stromdurchflossen ist, um so den Magnetfluss des Permanentmagneten aufzuheben und im jeweiligen, stirnseitig angeordneten Steuerkanal den Magnetfluss so zu reduzieren, dass er praktisch im Bereich des stirnseitig angeordneten Steuerkanals verschwindet und eine freie Durchströmung der Flüssigkeit in diesem Bereich möglich ist.
Damit werden einerseits hohe Schaltwirkungsgrade des Ventils erreicht, d. h. es können große Viskositätsänderungen der magnetorheologischen Flüssigkeit erzielt werden und andererseits ist es nun erstmals möglich, dass die Spule nur im Schaltzustand bestromt wird.
Damit ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass es ausreicht, eine tragbare, relativ klein dimensionierte Stromquelle zu verwenden, was die Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Ventils wesentlich verbessern.
So ist es erstmals möglich, ein solches Ventil in tragbaren Anordnungen einzubauen, wie z. B. in einem Skischuh, einem Snowboard-Schuh, einem Langlaufschuh, in einem Sportschuh zum Laufen, in der Sattelstütze eines Fahrrades oder anderen bewegbaren Transportmitteln zu verwenden, die nicht über eine eigene Stromversorgung verfügen.
Hier ist der wesentliche Vorteil der Erfindung darin begründet, dass es beispielsweise für ein Ventil der erfindungsgemäßen Bauart ausreicht, als Stromquelle 2 1,5 Volt Batterien der AA-Größe zu verwenden und hierbei Drücke im Bereich von 10 bis 15 bar einwandfrei beherrscht werden können. Im offenen Zustand herrscht hierbei ein Druck von z. B. 1 bar, während im Schließzustand des Ventils ein Druck im Bereich von 10 bis 30 bar besteht.
Der Wirkungsgrad des vorliegenden Ventils kann noch dadurch gesteigert werden, dass im Schließzustand es zusätzlich vorgesehen sein kann, dass die Spule umgekehrt bestromt wird im Vergleich zum Offenzustand, wodurch damit noch zusätzlich im Schließzustand ein Steuerfluss im Steuerkanal erzeugt wird, der dem Sperrfluss des Permanentmagneten überlagert wird, um so damit noch zusätzlich eine weitere Sperrwirkung auf die rheologische Flüssigkeit im Steuerkanal zu erzeugen.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass ein sogenannter Feldkonzentrator im Steuerkanal angeordnet ist. Dies wird dadurch erreicht, dass im Bereich der jeweils stirnseitig angeordneten Eisenkerne jeweils eine Axialbohrung angeordnet ist, die als Sackbohrung in dem jeweiligen Eisenkern angeordnet ist. Diese Sackbohrung ist genau dem einlauf- und auslaufseitigen Kanal gegenüberliegend angeordnet und somit auch dem Zentrum des Steuerkanals.
Somit ist die Polfläche größer wie die Übergangsfläche im Steuerkanals. Damit wird erreicht, dass in diesem Zentrum des Steuerkanals im Bereich des Einlauf- und Auslaufkanals keine hohe Feldkonzentration stattfindet, sondern dass diese Feldkonzentration mehr radial auswärts verlegt und konzentriert wird, und zwar genau in den Bereich des Steuerkanals, in dem die Flüssigkeit strömt, was die Wirksamkeit des Magnetflusses in diesem Bereich stark erhöht.
Bei allen Ausführungsformen ist immer stets vorausgesetzt, dass die beiden Gehäusehälften des Ventils magnetisch leitfähig ausgebildet sind und aus einem entsprechenden Metallmaterial bestehen, währenddessen die stromdurchflossene Spule in ihrem Innenraum jeweils axial einander zugeordnete Eisenkerne aufweist, in deren Mittenbereich der Permanentmagnet angeordnet ist. Die Polung des Permanentmagneten ist so gebildet, dass sie axial ausgebildet ist. Wichtig ist, dass der Permanentmagnet keinen direkten Kontakt mit dem Strömungskanal bzw. dem Fluid hat und davon beabstandet ist.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Eisenkerne auch entfallen und statt der Eisenkerne und den mittig zwischen den Eisenkernen angeordneten Permanentmagneten auch ein einziger etwa zylindrisch ausgebildeter Permanentmagnet angeordnet wird.
Im Übrigen wird der lichte Querschnitt des jeweiligen Steuerkanals, der stirnseitig in den beiden gegenüberliegend angeordneten Gehäusehälften angeordnet ist, dadurch dimensioniert, dass die beiden Gehäusehälften mit jeweils einem Innen- und einem Außengewinde versehen sind und miteinander verschraubbar sind. Durch entsprechendes Verschrauben der beiden Gehäusehälften kann somit stufenlos die lichte Weite des jeweiligen Steuerkanals eingestellt werden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, weil beim Stand der Technik eine stufenlose Einstellung der lichten Weite des Steuerkanals nicht gegeben war.
Die einen beliebigen Querschnitt aufweisende Anschlussstutzen bzw. Fluidleitung kann sich beim Eintritt in das Ventil vor dem Steuerkanal verengen.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Es zeigen:
1: perspektivisch auseinandergezogene Darstellung eines Ventils nach der Erfindung
2: eine perspektivische Darstellung des zusammengebauten Gehäuses
3: ein Viertelschnitt des Gehäuses nach 2
4: eine Seitenansicht des Gehäuses nach 2
5: eine Stirnansicht des Gehäuses
6: ein Querschnitt in der Linie AA in 5
7: ein Schnitt in der Linie BB in 4
8: ein Schnitt gemäß der Linie CC in 5
9: schematisiert die Darstellung des Feldflusses bei offenem Ventil
10: der Feldfluss im Vergleich zur 9 bei geschlossenem Ventil
11: ein Schnitt durch den stirnseitig angeordneten Steuerkanal mit Darstellung des Magnetflusses im offenen und im geschlossenen Zustand
12: ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel mit einem Einbaubeispiel eines Ventils nach der Erfindung
13: ein Querschnitt längs der Linie A-A in 14 mit einem weiteren Ausführungsbeispiel mit düsenförmigen Verengungen
14: Draufsicht auf die einlaufseitige Stirnseite des weiteren Ausführungsbeispiels nach 13
Bei der folgenden Beschreibung wird vorausgesetzt, dass das gesamte Ventil um seine Längsachse rotationssymmetrisch aufgebaut ist. Ferner ist es auch im Wesentlichen symmetrisch zu seiner Mitten-Querachse. Es reicht deshalb aus, lediglich die Bauteile und deren Anordnung auf der einen Ventilseite – z. B. der Einlaufseite – zu beschreiben, weil die andere Ventilseite – z. B. die Auslaufseite – genau gleich ausgebildet ist.
In den 1 bis 4 ist das Gehäuse des Steuerventils 35 schematisiert dargestellt, welches aus zwei magnetisch leitfähigen Gehäusehälften 1, 2 besteht, die miteinander verschraubbar sind. Im Ausführungsbeispiel hat die Gehäusehälfte 2 ein Außengewinde 20, welches in ein zugeordnetes Innengewinde 21 an der Gehäusehälfte 1 einschraubbar ist. Auf diese Weise kann der lichte Querschnitt des später noch zu beschreibenden Steuerkanals 16 stufenlos eingestellt werden.
An der Gehäusehälfte 1 ist ein Anschlussstutzen 3 ausgebildet, der einen Einlaufkanal 3a bildet, über den beispielsweise die magnetorheologische Flüssigkeit in Pfeilrichtung 5 einströmt.
In analoger Weise weist die Gehäusehälfte 2 einen Anschlussstutzen 4 auf, der einen Auslasskanal 4a ausbildet, über den die Flüssigkeit in Pfeilrichtung 6 wieder ausströmt.
Es versteht sich von selbst, dass das hier gezeigte Steuerventil 35 in beiden Richtungen betrieben werden kann. In diesem Fall würden die Pfeilrichtungen 5, 6 umgedreht werden, und die Auslauföffnung wäre dann die Einlauföffnung und umgekehrt.
Im Innenraum jeder Gehäusehälfte 1, 2 ist hierbei jeweils ein Eisenkern 7, 8 angeordnet, der wiederum in der Innenbohrung 14 einer stromdurchflossenen Spule 10 angeordnet ist.
Zwischen den beiden Eisenkernen 7, 8, die bevorzugt zylinderförmig ausgebildet ist, ist ein Permanentmagnet 11 angeordnet, der scheibenförmig ausgebildet ist. Der besseren Beschreibung wegen sind die beiden Pole des Permanentmagneten 11 getrennt voneinander darstellbar, so dass man in 1 einen Nordpol 12 und einen Südpol 13 sieht, obwohl die beiden Pole 13, 14 einen einheitlichen Permanentmagneten bilden.
Es sind ferner im radialen Außenbereich der Spule 10 gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnete Distanzhalter 9 vorhanden, die etwa u-förmig profiliert sind. Sie stützen sich mit ihren abgebogenen Enden jeweils an den Innenflächen der beiden Gehäusehälften 1, 2 ab, um so einen genau definierten Steuerkanal 16 zu bilden. Sie durchsetzen somit den Ringkanal 17.
Die Distanzhalter 9 sind bevorzugt biegbar ausgebildet und bestehen aus einem magnetisch nicht leitenden Material, z. B. ein Kunststoffmaterial oder einem Aluminiummaterial.
Die 1 zeigt noch die Spulenanschlüsse 15 für die Bestromung der Spule 10.
Der gesamte Flüssigkeitskanal im Ventilbereich ist nach innen durch den Außenumfang der Spule 10, sowie der Stirnseiten der Eisenkerne 7 und 8, und nach außen durch den Innenumfang der beiden Gehäusehälften 1, 2 begrenzt und definiert.
Der Fluss der magnetorheologischen Flüssigkeit erfolgt gemäß den 6 und 8 dadurch, dass die Flüssigkeit in Pfeilrichtung 5 über den Einlaufkanal 3a in die Gehäusehälfte 1 einströmt und sich am Innenumfang dieser Gehäusehälfte scheibenförmig verteilt und senkrecht hierzu in einen stirnseitig angeordneten Steuerkanal 16 umgeleitet wird. Der Steuerkanal 16 ist deshalb in der Draufsicht etwa als scheibenförmiger Raum anzusehen, der sich in radialer Richtung um den zentralen Einlaufkanal 3a herum nach außen erweitert. In diesem scheibenförmigen Raum finden die später zu beschreibenden Steuervorgänge statt.
Der Steuerkanal 16 ist mit seiner Längsachse in radialer Richtung ausgerichtet und am radial äußeren Ende des Steuerkanals 16 schließt sich ein Ringkanal 17 an, der den radialen Außenumfang der Spule 10 umgibt. Der Ringkanal 17 erstreckt sich also über den gesamten Außenumfang der Spule 10 und umgibt diese als Flüssigkeitsmantel. Damit wird die Spule 10 bei Stromdurchfluss gekühlt, was zu einer Konstanthaltung des elektrischen Widerstandes der Spule führt, der damit relativ temperaturunabhängig ist.
Nach Durchfluss durch den Ringkanal vereinigt sich dieser Ringkanal 17 wieder auf der anderen Seite in einen weiteren Steuerkanal 18. Die vorher für den Steuerkanal 16 gegebenen Erläuterungen gelten deshalb in analoger Weise für den Steuerkanal 18.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, dass das Steuerventil 35 genau symmetrisch zur Längsquerlinie ausgebildet ist, d. h. die Steuerkanäle 16, 18 sind genau gleich ausgebildet und werden über die gleichen Steuerelemente gesteuert und beeinflusst. Es reicht deshalb aus, lediglich die Wirkung der Flüssigkeit in einem einzigen Steuerkanal, z. B. dem Steuerkanal 16, zu beschreiben, um auch die Wirkung im Steuerkanal 18 zu beschreiben.
Wichtig ist, dass im Bereich der einander zugeordneten und fluchtend zueinander angeordneten Eisenkerne 7, 8 jeweils stirnseitig eine Axialbohrung 19 angeordnet ist, die als Feldlinienkonzentrator wirkt. Dies wird anhand der 11 später noch beschrieben. Damit wird erreicht, dass in diesem Bereich die Dichte der Feldlinien herabgesetzt ist.
Anhand der 9 und 10 werden nun die Wirkung der Feldlinien auf den offenen und den geschlossenen Ventilzustand erläutert.
In 9 ist dargestellt, dass die Spule 10 bestromt ist, so dass der durch die Spule 10 erzeugte Magnetfluss, der einen äußeren Magnetfluss 22 und einen inneren Magnetfluss 23 erzeugt, dem Magnetfluss des Permanentmagneten 11 entgegenwirkt, so dass dieser Magnetfluss praktisch aufgehoben wird. Dies ergibt sich aufgrund der geringen Dichte der Magnetfeldlinien in 9. Damit wird deutlich, dass durch die Aufhebung des Magnetflusses im Bereich der Steuerkanäle 16, 18 das Ventil auf Durchfluss geschaltet wird, weil im Bereich der jeweiligen Steuerkanäle 16, 18 nur noch ein ganz geringer Magnetfluss 24 vorhanden ist, der somit die Steuerkanäle 16, 18 öffnet. Der die Strömung des Fluids behindernde Magnetfluss ist somit entfallen.
Der Magnetfluss 24 ist nur noch vernachlässigbar gering, wie sich an der geringen Anzahl der Feldlinien mit geringer Feldstärke in 9 im Bereich der Steuerkanäle 16, 18 ergibt.
Wird jedoch der Stromfluss durch die Spule 10 entfernt, geht das Ventil in den Schließzustand über, wie es in 10 dargestellt ist. Dort ist erkennbar, dass der Magnetfluss 24' im Bereich der Steuerkanäle 16, 18 nun stark erhöht ist und damit eine wirksame Unterbrechung des Fluidstromes in diesem Bereich stattfindet. Die Viskosität des Fluidstromes wird so stark erhöht, dass praktisch keine Strömung mehr feststellbar ist.
Dies ist auch anhand der 11 dargestellt, wo ein Querschnitt durch den Steuerkanal mit Darstellung des im Steuerkanal wirksamen Magnetflusses 24, 24' dargestellt ist. Man sieht, dass der durch den Spulenstrom überlagerte Magnetfluss 24 stark vermindert ist und damit das Ventil in die Offenstellung geschaltet ist, während die Schließstellung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Magnetfluss durch die Spule 10 entfernt ist und nur noch der Magnetfluss 24' des Permanentmagneten 11 wirkt. Dadurch werden sehr hohe Magnetflussspitzen im Steuerkanal erzeugt, wie dies bei Position 27 und 28 erkennbar ist.
Wichtig ist, dass aufgrund der Axialbohrung 19 in beiden Eisenkernen 7, 8 nun eine Feldkonzentration in den außerhalb des Zentrums stattfindenden Bereichen des Steuerkanals 16, 18 und nicht mehr in dessen Zentrum stattfindet. Dies ist in 11 dargestellt.
Es wird gemäß 11 deshalb im Zentrumsbereich – fluchtend gegenüber dem Einlaufkanal 3a und dem Auslaufkanal 4a – eine Verminderung des Magnetflusses erzeugt, so dass der Magnetfluss mehr in den radial außenliegenden Bereich von der Zentrumslinie 34 aus gesehen verlegt wird. Dies ist durch die Pfeilrichtungen 36 symbolisiert. Würden die Axialbohrungen 19 in den Eisenkernen 7, 8 nicht vorhanden sein, würde das magnetische Feld mehr im Bereich der Zentrumslinie 34 konzentriert sein. In diesem Bereich liegen aber die Einlauf- und Auslaufkanäle 3a, 4a und es ist schwierig, den Fluss in diesem zentralen Bereich zu steuern. Dies wäre nur mit wesentlich höheren Flussdichten möglich. Aus diesem Grund wird die fluid-wirksame Steuerung in den radial äußeren Bereich – gesehen vom Zentrum des Einlauf- und Auslaufkanals 3a, 4a – verlegt.
Erreicht wird dies mit jeweils einer zentrisch gegenüber dem Einlauf- und Auslaufkanal 3a, 4a im jeweiligen Eisenkern 7, 8 angeordneten Axialbohrung 19. Das Eisenmaterial ist also in diesem zentrischen Bereich magnetisch geschwächt und verliert seine magnetische Wirksamkeit. Selbstverständlich könnte die Axialbohrung auch mit einem nicht-magnetisch wirksamen Material, z. B. einem Kunststoffpfropfen, verschlossen sein.
Die 9 zeigt, dass zur Offenstellung des Ventils die Spule in Richtung 25 mit Strom beaufschlagt wird, und so dem Permanentmagnetfeld entgegenwirkt, so dass sich nur noch ein geringes Restfeld 26 ergibt. Im Gegensatz zur 10 ist angegeben, dass nun bei Wegfall des Spulen-Magnetfeldes ein starkes Permanentmagnetfeld entsteht und hierdurch ein starker Magnetfluss 24' im Bereich der einander gegenüberliegenden Steuerkanäle 16, 18 erzeugt wird.
Das äußere Magnetfeld 22' ist also allein durch den Permanentmagneten erzeugt. Dies gilt auch für das entsprechend zugeordnet innere Magnetfeld.
Die 12 zeigt als Ausführungsbeispiel den Einbau des erfindungsgemäßen Steuerventils 35 in einen Skischuh 29. Hierbei ist erkennbar, dass das Steuerventil 35 in die Sohlenplatte 30 des Skischuhs 29 eingebaut ist und hierbei eine kleine einfache Stromquelle – bestehend beispielsweise aus zwei AA-Batterien – 31 in der Sohlenplatte 30 eingebaut ist. Nachdem nun erfindungsgemäß das Ventil nur für den Öffnungszustand bestromt wird, muss die Stromquelle 31 nur sehr selten eingesetzt werden, so dass bei üblichem Betrieb des Skischuhes eine Batterielebensdauer von 1 bis 2 Jahren gegeben ist. Im Übrigen ist noch erkennbar, dass in die Sohlenplatte auch noch die Steuerelektronik 32 und die Fluidleitungen 33 angeordnet sind.
Diese Fluidleitungen 33 führen in entsprechende Flüssigkeitspolster, die im Skischuh 29 – nicht näher dargestellt – angeordnet sind und die entsprechend der Offen- oder Schließstellung des Steuerventils 35 mehr oder weniger expandiert oder entleert werden.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Einbau des erfindungsgemäßen Steuerventils 35 beschränkt. Die übrigen, bevorzugten Anwendungsbeispiele wurden im allgemeinen Beschreibungsteil bereits schon erläutert. Wichtig ist, dass keinerlei bewegbaren Teile vorhanden sind, so dass ein solches Steuerventil 35 auch dann noch arbeitet, wenn ein solcher Skischuh 29 über mehr als eine Saison abgestellt wird, ohne dass eine Funktion im Steuerventil 35 erbracht wird. Das Steuerventil bleibt deshalb frei von Ablagerungen und kann nicht verschleißen, was bei bewegten Teilen möglich wäre.
Die 13 zeigt als Längsschnitt A-A in 14 das Ventil mit düsenförmigen Verengungen im Einlaufkanal 3a und mit einer entsprechenden, düsenförmigen Erweiterung im Auslaufkanal 4a. Der Eintrittskanal 3a ist hierbei zentrisch auf die Stirnfläche des Eisenkerns 7 gerichtet, die somit als Prallfläche für die einströmende Flüssigkeit dient. Diese konisch sich verengende Eintrittskanal/düse verstärkt die Wirksamkeit des Ventils, d. h. im geschlossenen Zustand können noch höhere Drücke einwandfrei beherrscht werden.
Der Effekt aufgrund der Verengung ist ähnlich dem Effekt, wenn man Sand durch einen Trichter presst. Je nach Düsenwinkel geht der Sand leicht oder schwer durch den Trichter bzw. mit geringer Kraft an der Düsenspitze kann eine große Kraft am Düseneingang geschaltet werden. In analoger Weise kann auch der Auslaufkanal 4a sich konisch erweiternd ausgebildet sein. In einer anderen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass lediglich der Einlaufkanal 3a als Düse ausgebildet ist, während der Auslaufkanal 4a beispielsweise zylindrisch ausgebildet ist, wie dies in 8 dargestellt ist.

1: Gehäusehälfte
2: Gehäusehälfte
3: Anschlussstutzen Einlaufkanal
4: Anschlussstutzen Auslaufkanal
5: Pfeilrichtung
6: Pfeilrichtung
7: Eisenkern
8: Eisenkern
9: Distanzhalter
10: Spule
11: Permanentmagnet
12: Nordpol
13: Südpol
14: Innenbohrung
15: Spulenanschluss
16: Steuerkanal
17: Ringkanal
18: Steuerkanal
19: Axialbohrung
20: Außengewinde
21: Innengewinde
22: äußerer Magnetfluss 22'
23: inneres Magnetfeld
24: Magnetfluss (vermindert) 24'
25: Resultierendes Magnetfeld
26: Restfeld
27: Position
28: Position
29: Skischuh
30: Sohlenplatte
31: Stromquelle
32: Steuerelektronik
33: Fluidleitung
34: Zentrumslinie
35: Steuerventil
36: Pfeilrichtungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10337516 A1 [0004, 0005, 0008]
- DE 20103782 U1 [0007]
- DE 29913326 U1 [0007]
- DE 19820569 A1 [0007, 0007]
- DE 4433056 A1 [0008]

Claims

Ventil für magnetorheologische Flüssigkeiten, wobei das Ventil einen Steuerkanal zur Durchleitung der Flüssigkeit durch das Steuerventil in einem radial ausgebildeten Innenraum einer stromdurchflossenen Spule aufweist, wobei die Flüssigkeit magnetische Teilchen aufweist, welche eine Viskositätsänderung bzw. eine Änderung des Strömungswiderstandes des Fluids je nach Bestromung der Spule ausbilden und den Steuerkanal öffnen oder schließen, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Steuerkanal (16, 18) im Stirnseitenbereich der stromdurchflossenen Spule (10) angeordnet ist und dass im Innenraum der stromdurchflossenen Spule ein Permanentmagnet (11) angeordnet ist und dass ferner der Steuerkanal sich über den radialen Außenumfang der Spule (10) hinweg erstreckt.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass ein relativ geringer Spulenstrom einen relativ hohen Schaltwirkungsgrad des Steuerventils (35) ausbildet, wobei im geschlossenen Zustand des Steuerventils (35) ein Magnetfluss (22, 24) des im Innenraum der Spule (10) angeordneten Permanentmagneten (11) einen relativ hohen Sperrfluss mit relativ hoher Flussdichte auf den stirnseitig angeordneten Steuerkanal (16, 18) erzeugt.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (35) zwei Gehäusehälften (1, 2) mit jeweils daran angeordneten Anschlussstutzen (3, 4) aufweist, welche jeweils einen Einlauf- und einen Auslaufkanal (3a, 4a) zum Ein- und Ausströmen der magnetorheologischen Flüssigkeit in Pfeilrichtung (5, 6) ausbilden, wobei die Gehäusehälften (1, 2) magnetisch leitfähig und miteinander formschlüssig verbindbar ausgebildet sind, wodurch der lichte Querschnitt des Steuerkanals (16) stufenlos einstellbar ausgebildet ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum jeder Gehäusehälfte (1, 2) jeweils einen Eisenkern (7, 8) aufweist, welcher in einer Innenbohrung (14) der stromdurchflossenen Spule (10) angeordnet ist, wobei zwischen den vorzugsweise zylindrisch ausgebildeten Eisenkernen (7, 8) der Permanentmagnet (11) angeordnet ist, welcher vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet ist und einen Nord- und eine Südpol (12, 13) aufweist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Außenbereich der Spule (10) gleichmäßig am Umfang verteilte, vorzugsweise biegbare und aus einem magnetisch nicht leitenden Material gebildete Distanzhalter (9) aufweist, welche sich mit ihren abgebogenen Enden jeweils an den Innenflächen der beiden Gehäusehälften (1, 2) abstützen und einen definierten Steuerkanal (16) ausbilden und einen angeordneten Ringkanal (17) durchsetzen, wobei die Spule (10) zwei Spulenanschlüsse zur Bestromung aufweist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Ventilbereich definierter Flüssigkeitskanal nach innen durch den Außenumfang der Eisenkerne (7, 8) und nach außen durch den Innenumfang der beiden Gehäusehälften (1, 2) begrenzt ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Steuerkanals (16) in radialer Richtung ausgerichtet ist, wobei sich am radial äußeren Ende des Steuerkanals (16) ein Ringkanal (17) anschließt, welcher den radialen Umfang der Spule (10) umgibt und einen Flüssigkeitsmantel ausbildet, welcher die Spule (10) bei Stromdurchfluss kühlt und eine Konstanthaltung des elektrischen Widerstandes ausbildet, wodurch die Spule (10) relativ temperaturunabhängig ausgebildet ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich an den Ringkanal (17) anschließender Steuerkanal (18) eine identische Ausbildung des Steuerkanals (16) aufweist, wobei die Steuerkanäle (16, 18) mittels gleicher Steuerelemente gesteuert werden.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugeordneten und fluchtend zueinander angeordneten Eisenkerne (7, 8) jeweils stirnseitig eine Axialbohrung (19) aufweisen, welche als Feldlinienkonzentrator ausgebildet ist und die Feldlinien im Bereich der Mitte herabsetzt.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die bestromte Spule (10) einen äußeren und inneren Magnetfluss (22, 23) erzeugt und dem Magnetfluss des Permanentmagneten (11) entgegenwirkt, wodurch ein Magnetfluss (24) mit einer relativ geringen Dichte von Magnetfeldlinien im Bereich der Steuerkanäle (16, 18) ausgebildet ist, welcher Magnetfluss (24) eine relativ geringe Viskosität des Fluids ausbildet, wodurch die Steuerventile (16, 18) öffnen und das Fluid fließt.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (11) eine relativ hohe Viskosität des Fluids ausbildet und einen Durchfluss des Fluids durch die Steuerkanäle (16, 18) aufgrund eines relativ hohen Magnetfluss (24') (verhindert.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialbohrung (19) in beiden Eisenkernen (7, 8) den zentrischen Bereich magnetisch schwächt und eine Feldkonzentration in den außerhalb des Zentrums stattfindenden Bereichen des Steuerkanals (16, 18) ausbildet, welche im Zentrumsbereich fluchtend gegenüber Einlauf- und Auslaufkanal (3a, 4a) eine Verminderung des Magnetflusses erzeugt und diesen in den radial außenliegenden Bereich einer Zentrumslinie (34) verlegt und dort eine fluid-wirksame Steuerung ausbildet.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein resultierendes Magnetfeld (25) von der Spule (10) eine Offenstellung des Steuerventils (35) ausbildet, welches dem Permanentmagnet (11) entgegenwirkt und eine relativ geringes Restfeld (26) ausbildet.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (35) für den Einbau in zum Beispiel eine Sohlenplatte (30) eines Skischuhs (29) ausgebildet ist und lediglich mittels einer Stromquelle (31) in den Öffnungszustand bestromt ist, wobei die Sohlenplatte (30) zusätzlich eine Steuerelektronik (32) und Fluidleitungen (33) aufweist, welche Fluidleitungen (33) in entsprechend im Skischuh (29) angeordnete Flüssigkeitspolster führen und entsprechend der Offen- oder Schließstellung des Steuerventils (35) expandiert oder entleert werden.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Offen- bzw. Schließstellung des Steuerventils (35) mittels nicht bewegbarer Teile ausgeführt ist, wodurch das Steuerventil (35) relativ verschleißfrei ausgebildet ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit über einen düsenartig sich verengenden Einlaufkanal (3a) in den Steuerkanal geleitet ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit durch einen sich konisch nach außen erweiterten Auslasskanal (4a) aus dem Steuerkanal ausgeleitet ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet keinen direkten Kontakt mit dem Strömungskanal bzw. dem Fluid hat und davon beabstandet ist.