DE102013009592A1

DE102013009592A1 - Fluidströmungs-Steuervorrichtung

Info

Publication number: DE102013009592A1
Application number: DE201310009592
Authority: DE
Inventors: Metin Giousouf; Thomas Reininger
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2033-06-08
Also published as: DE102013009592B4

Abstract

Es wird eine Fluidströmungs-Steuervorrichtung (1) vorgeschlagen, die mindestens drei mit ihren Arbeitskammern (8) fluidisch in Reihe geschaltete Steuereinheiten (3) enthält, die jeweils über einen elektrisch und/oder magnetisch aktivierbaren Elastomer-Aktuator (4) verfügen. Wenigstens zwei Steuereinheiten (3) sind als Anschluss-Steuereinheiten (3a) mit einer in die zugehörige Arbeitskammer (8) mündenden Anschlussöffnung (14) ausgebildet, zwischen denen mindestens eine als Durchleitungs-Steuereinheit (3b) ohne Anschlussöffnung ausgebildete Steuereinheit (3) angeordnet ist. Durch selektive Aktivierung und Deaktivierung der Elastomer-Aktuatoren (4) ist ein Fluidtransport durch aneinandergereihte Arbeitskammern (8) hindurch zwischen wenigstens zwei Anschlussöffnungen (14) hervorrufbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidströmungs-Steuervorrichtung, mit mindestens zwei einen Fluiddurchtritt ermöglichenden Anschlussöffnungen und mit mindestens einer Steuereinheit, die eine von einer elastisch verformbaren Wand begrenzte Arbeitskammer und einen zum Hervorrufen einer eine Volumenveränderung der Arbeitskammer bewirkenden Arbeitsbewegung der verformbaren Wand dienenden Aktuator aufweist.
Eine aus der EP 1 236 900 A1 bekannte Fluidströmungs-Steuervorrichtung dieser Art ist als Pumpe ausgebildet und enthält eine Steuereinheit, die über einen Piezoaktuator verfügt und eine als Membran ausgebildete bewegliche Wand elastisch verformen kann, um das Volumen einer Arbeitskammer zu verändern. In diese Arbeitskammer münden zwei Anschlussöffnungen, von denen eine mit einem Rückschlagventil ausgestattet ist, sodass durch Ausführung einer von dem Piezoaktuator hervorgerufenen Arbeitsbewegung der verformbaren Wand ein Fluid durch eine der Anschlussöffnungen hindurch ansaugbar und durch die andere Anschlussöffnung hindurch ausstoßbar ist.
Aus der WO 2006/073451 A2 ist eine piezoelektrische Fluidpumpe bekannt, bei der eine elastisch verformbare Membran mittels eines Piezostapels antreibbar ist, um eine Pumpfunktion zu erfüllen.
Die DE 19720482 A1 beschreibt eine Mikromembranpumpe, die über zwei miteinander verbundene Arbeitskammern verfügt, die jeweils mit einer Anschlussöffnung verbunden sind. Die beiden Arbeitskammern sind an eine Pumpkammer angeschlossen, die von einer Pumpmembran begrenzt ist, die durch einen Piezoaktuator verformbar ist, um eine Fluidströmung zwischen den beiden Anschlussöffnungen hervorzurufen.
In dem Artikel "Dielectric Elastomer Actuators – Potential Use in Automation Technology", M. Giousouf, Festo AG & Co. KG, aus "ACTUATOR 2012", Seiten 358 bis 361, wird der Aufbau dielektrischer Elastomer-Aktuatoren beschrieben, die sich für den Einsatz in der Automatisierungstechnik eignen und auf deren Grundlage Pneumatikventile realisierbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach und kompakt aufgebaute, vielfältig anwendbare Fluidströmungs-Steuervorrichtung zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass die Fluidströmungs-Steuervorrichtung mindestens eine Steuergruppe bestehend aus mindestens drei mit ihren Arbeitskammern fluidisch in Reihe geschalteten Steuereinheiten enthält, deren Aktuatoren als elektrisch und/oder magnetisch aktivierbare Elastomer-Aktuatoren ausgebildet sind, wobei wenigstens zwei Steuereinheiten als Anschluss-Steuereinheiten mit einer in die zugehörige Arbeitskammer mündenden Anschlussöffnung ausgebildet sind, zwischen denen mindestens eine als Durchleitungs-Steuereinheit ohne Anschlussöffnung ausgebildete Steuereinheit angeordnet ist, derart, dass durch selektive Aktivierung und Deaktivierung der Elastomer-Aktuatoren ein Fluidtransport durch aneinandergereihte Arbeitskammern hindurch zwischen wenigstens zwei Anschlussöffnungen hervorrufbar ist.
Die Anschlussöffnungen der Fluidströmungs-Steuervorrichtung eignen sich je nach Anwendungszweck zum Zuführen oder Abführen eines Fluides, das durch mehrere Arbeitskammern der Steuereinheiten hindurchströmen soll, um zwischen wenigstens zwei Anschlussöffnungen überzuströmen. Je nach vorhandener Anzahl von mit je einer Anschlussöffnung ausgestatteten Anschluss-Steuereinheiten und anschlussöffnungslosen Durchleitungs-Steuereinheiten kann eine Fluidströmungs-Steuervorrichtung realisiert werden, die beispielsweise als Pumpvorrichtung, als Fluid-Verteilvorrichtung, als Ventilvorrichtung oder als Fluid-Mischvorrichtung nutzbar ist. Innerhalb der Steuergruppe lässt sich durch selektive Aktivierung und Deaktivierung der zu den einzelnen Steuereinheiten gehörenden Elastomer-Aktuatoren die gewünschte Fluidströmung hervorrufen und/oder beeinflussen. Die Verwendung elektrisch und/oder magnetisch aktivierbarer Elastomer-Aktuatoren zum Antreiben der elastisch verformbaren Wände der Steuereinheiten erlaubt die Einhaltung sehr kleiner Abmessungen und einen Betrieb mit geringem Energieaufwand.
Auf der Basis des erfinderischen Konzepts kann eine Fluidströmungs-Steuervorrichtung konzipiert werden, die mit einer Mehrzahl von Elastomer-Aktuatoren ausgestattet ist, die in Array-Anordnungen oder auch in mehrdimensionalen Matrix-Anordnungen gruppiert sind und je nach Anwendungsfall Fluide schalten und/oder pumpen und/oder mischen können. Bei matrixartigen Anordnungen kann durch die selektive Betätigung der Elastomer-Aktuatoren auch die Strömungsrichtung innerhalb der Steuergruppe beeinflusst und veränderlich vorgegeben werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Zweckmäßigerweise ist bei jeder Steuereinheit die elastisch verformbare Wand unmittelbar vom zugehörigen Elastomer-Aktuator gebildet. Das sich bei der Betätigung des Elastomer-Aktuators verformende Elastomermaterial kann also unmittelbar als begrenzendes, bewegliches Element der Arbeitskammer genutzt werden. Auf diese Weise ergibt sich ein konstruktiv sehr einfacher Aufbau.
Vorzugsweise ist bei zumindest einem Teil der Steuereinheiten die verformbare Wand in eine Absperrstellung bewegbar, in der ein Fluiddurchtritt durch die zugehörige Arbeitskammer hindurch verhindert ist. Auf diese Weise kann die betreffende Steuereinheit dazu genutzt werden, eine Fluidströmung durch die Arbeitskammer hindurch wahlweise zuzulassen oder zu verhindern. Enthält die Steuergruppe mehrere derart aufgebaute Steuereinheiten, kann in Verbindung mit einer mehrdimensionalen matrixartigen Anordnung von Steuereinheiten sogar die Strömungsrichtung innerhalb der Steuergruppe variiert werden. Dies lässt sich vor allem vorteilhaft nutzen, wenn die Fluidströmungs-Steuervorrichtung zum Mischen oder zum Verteilen von Fluiden genutzt wird.
Die Absperrstellung der verformbaren Wand lässt sich insbesondere dadurch realisieren, dass sie durch entsprechende Aktivierung des Elastomer-Aktuators an eine die Arbeitskammer begrenzende ortsfeste Begrenzungswand angedrückt wird.
Bevorzugt hat die Fluidströmungs-Steuervorrichtung einen dahingehenden Aufbau, dass sie über eine ortsfeste Begrenzungswand verfügt, die die Arbeitskammer sämtlicher Steuereinheiten der Steuergruppe gemeinsam mit jeweils einer der elastisch verformbaren Wände begrenzt. Diese elastisch verformbaren Wände der verschiedenen Steuereinheiten liegen der ortsfesten Begrenzungswand gegenüber und können relativ zu der ortsfesten Begrenzungswand zur Veränderung des Volumens der zugeordneten Arbeitskammer verformt werden, indem der zugehörige Elastomer-Aktuator aktiviert oder deaktiviert wird. Zweckmäßigerweise sind sämtliche vorhandenen Anschlussöffnungen der Fluidströmungs-Steuervorrichtung in der ortsfesten Begrenzungswand ausgebildet.
Der verformbaren Wand mindestens einer Steuereinheit liegt zweckmäßigerweise ein konkaver Bereich der ortsfesten Begrenzungswand gegenüber. Dies gilt insbesondere für sämtliche Steuereinheiten. Durch die Konkavität wird ein Verformungsfreiraum definiert, der es der verformbaren Wand eines deaktivierten Elastomer-Aktuators ermöglicht, in der Richtung der Arbeitsbewegung auszuweichen, wenn benachbarte Elastomer-Aktuatoren betätigt werden und bei ihrer Betätigung eine Querschnittsveränderung erfahren.
Ein bevorzugter Aufbau der Fluidströmungs-Steuervorrichtung sieht vor, dass die Elastomer-Aktuatoren als elektroaktive Polymer-Aktuatoren ausgebildet sind. Hierbei ist vor allem an sogenannte dielektrische Elastomer-Aktuatoren gedacht, die über elastomere Abschnitte verfügen, die von Elektroden flankiert sind, sodass bei Anlegen einer elektrischen Spannung elektrostatische Anziehungskräfte zwischen den Elektroden entstehen, durch die die Elektroden aufeinander zu bewegt werden und somit auch das Elastomermaterial verformt wird. Bei dem Elastomermaterial kommt insbesondere Silikon-Material zum Einsatz, wenngleich prinzipiell jedes gummielastisch verformbare Material sehr gut geeignet ist.
Alternativ können die elektroaktiven Polymer-Aktuatoren auch in Form von ionischen Polymer-Aktuatoren realisiert sein, bei denen unmittelbar das Aktuatormaterial selbst aufgrund von elektrochemischer Reaktion eine Formänderung erfährt. Insgesamt haben elektroaktive Polymer-Aktuatoren den Vorteil, dass sie sehr hohe Dehnungen erreichen können und in ihrem Verformungsverhalten kaum begrenzt sind.
Alternativ zu elektroaktiven Polymeren können zur Realisierung der Elastomer-Aktuatoren auch Elastomere mit Magnetpartikeln eingesetzt werden, bei denen sich die Elastomere durch das Anlegen externer Magnetfelder komprimieren oder dehnen können. Aufgrund ihrer möglichen flachen Bauweise bieten sich jedoch die elektroaktiven Polymere besonders für die erfindungsgemäßen Zwecke an.
Die Elastomer-Aktuatoren der Steuergruppe weisen zweckmäßigerweise mindestens eine gemeinsame Elastomermaterialschicht auf und sind insbesondere aus mehreren gemeinsamen und aufeinandergeschichteten Elastomermaterialschichten aufgebaut. Auf diese Weise kann sehr einfach eine Vielzahl von Einzelaktuatoren innerhalb eines Verbundmaterials integriert werden. Beispielsweise können mehrere insbesondere aus Silikon bestehende Elastomermaterialschichten gestapelt sein, zwischen denen flexible Elektroden angeordnet sind, die wechselseitig an zwei Außenelektroden angeschlossen sind, um einen Multilayer-Aufbau zu realisieren. Durch das Anlegen einer Spannung an die Elektroden werden die Elektroden zueinander gezogen, sodass sich der Elastomer-Aktuator verkürzt und die zugeordnete verformbare Wand im Sinne einer Volumenvergrößerung der zugeordneten Arbeitskammer verformt wird.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn mehrere und zweckmäßigerweise sämtliche Elastomer-Aktuatoren in mindestens einer gummielastischen Aktuatormatte zusammengefasst sind. Diese gummielastische Aktuatormatte setzt sich in Verbindung mit elektroaktiven Polymer-Aktuatoren zweckmäßigerweise aus mehreren aufeinandergeschichteten Elastomermaterialschichten und zwischen den Elastomermaterialschichten befindlichen flexiblen Elektroden zusammen. Herstellbar ist eine solche Aktuatormatte insbesondere dadurch, dass flüssige Silikonlagen nacheinander auf einer Platte, beispielsweise auf einer Leiterplatte, aufgetragen und verfestigt werden, wobei nach dem Aufbringen jeder Silikonlage jeweils eine Elektrodenschicht aufgebracht wird, beispielsweise durch Aufsprühen einer Graphitschicht. Die Elektroden können innerhalb der Aktuatormatte insbesondere mittels sogenannter Vias, also mittels Durchkontaktierungen, wechselseitig kontaktiert werden. Je nach Ausführung der Fluidströmungs-Steuervorrichtung kann die oberste Elastomermaterialschicht als Dichtung oder auch als Schaltglied in einem Ventil verwendet werden.
Mindestens eine Aktuatormatte der Fluidströmungs-Steuervorrichtung ist zweckmäßigerweise platten- oder streifenförmig ausgebildet. Sie kann mit flächenhafter, ebener Ausdehnung genutzt werden, um beispielsweise nur eine Einzelreihe mehrerer aufeinanderfolgender Elastomer-Aktuatoren zu definieren oder auch eine mehrdimensionale Struktur mit matrixartiger Verteilung von Elastomer-Aktuatoren in einer Ebene.
Es besteht auch die Möglichkeit, die Elastomer-Aktuatoren in mehreren Steuergruppen zusammenzufassen, die in zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind und die untereinander fluidisch verbunden sind. Daraus resultiert eine dreidimensionale Aktuator-Matrix.
Es besteht ferner die vorteilhafte Möglichkeit, mindestens eine Aktuatormatte zu einem Wickelkörper aufzurollen und zweckmäßigerweise von einem hülsenartigen Gehäuse zu umgeben. Bei einem solchen Aufbau umschließt der Wickelkörper zentral einen Durchgangskanal, der sich aus in der Längsrichtung des Wickelkörpers aneinandergereihten Arbeitskammern zusammensetzt, die durch diametrale Verformung des Elastomermaterials hinsichtlich ihres Volumens beeinflusst werden können. Es besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die Elastomermaterialschichten so zu gestalten, dass sie im aufgerollten Zustand der Aktuatormatte rohrförmige Fortsätze bilden, die die Anschlussöffnungen definieren.
Eine zu einem Wickelkörper aufgerollte Aktuatormatte besteht insbesondere aus mehreren aufeinanderliegenden und bevorzugt stoffschlüssig miteinander verbundenen Mattenkörpern. Jeder solcher Mattenkörper kann sich aus einer Elastomermaterialschicht und einer einseitig darauf aufgebrachten Elektrodenstruktur zusammensetzen. Die Elektrodenstruktur ist zweckmäßigerweise eine Streifenstruktur in Gestalt von sich in der Wickelrichtung beziehungsweise Aufrollrichtung erstreckenden, zueinander parallelen Elektrodenstreifen. Die gerollte Elastomerstruktur kann bei Bedarf mit einem sogenannten Flexleiter verklebt werden, mit dessen Hilfe die Elektroden entsprechend kontaktiert und aus dem Gehäuse herausgeführt werden können.
Die Aktuatormatte kann alternativ auch auf einen bestehenden Elastomerschlauch aufgewickelt werden, der in diesem Fall mit seinen axial aufeinanderfolgenden Schlauchwandabschnitten die elastisch verformbare Wand der einzelnen Steuereinheiten definiert.
Es besteht auch die Möglichkeit, mehrere ursprünglich streifenförmige Aktuatormatten zu individuellen Aktuator-Rollen aufzuwickeln, die jeweils einen Elastomer-Aktuator definieren und die in einer axialen Richtung aneinanderreihbar sind, um die gewünschte Mehrfachanordnung von Elastomer-Aktuatoren zu realisieren. Dieses Aneinanderreihen geschieht zweckmäßigerweise durch Einschieben in ein hülsenförmiges Gehäuse. Einzelne Aktuator-Rollen können Stoß-an-Stoß oder durch flexible, gelochte Trennscheiben, die beispielsweise aus einem nachgiebigen Material bestehen, aneinandergereiht werden. Die Trennscheiben kompensieren die bei der Betätigung der Elastomer-Aktuatoren stattfindende Querdehnung des Elastomermaterials.
Beim Aktivieren eines stapelartig aufgebauten Elastomer-Aktuators wird das Aktuatorvolumen infolge der in der Richtung der Arbeitsbewegung stattfindenden Kompression auch zur Seite verdrängt. Daher ist es sinnvoll, auch um einen größeren Aktuatorhub zu erzielen, den benachbarten, momentan nicht aktivierten Elastomer-Aktuatoren ein Ausweichen in der Richtung der Arbeitsbewegung zu ermöglichen. Dies kann insbesondere durch eine geeignete Strukturierung der schon erwähnten ortsfesten Begrenzungswand geschehen, insbesondere durch die Ausbildung konkaver Bereiche. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit zur Kompensation der Querdehnungen des Elastomermaterials besteht darin, in einer die Elastomer-Aktuatoren definierenden Aktuatormatte zwischen den jeweils benachbarten Elastomer-Aktuatoren einseitig Dehnungsnuten vorzusehen. Solche Dehnungsnuten können beispielsweise nach Art von Schlitzen eingebracht sein und bilden einen Freiraum, in den hinein das Elastomermaterial des momentan aktivierten Elastomer-Aktuators ausweichen kann. Die Dehnungsnuten werden zweckmäßigerweise nur einseitig vorgesehen, damit sich im Bereich der Arbeitskammern eine durchgängig geschlossene Elastomerstruktur befindet.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Fluidströmungs-Steuervorrichtung sind mehrere und zweckmäßigerweise sämtliche Steuereinheiten der Steuergruppe in einer linearen Reihe aufeinanderfolgend angeordnet. Auf diese Weise lässt sich ein Fluid beispielsweise zwischen zwei die Aktuatorreihe endseitig abschließenden Anschluss-Steuereinheiten transportieren, beispielsweise mittels einer Pumpfunktion oder mittels einer Ventilfunktion. Bei einer Pumpfunktion können die Elastomer-Aktuatoren nacheinander abwechselnd aktiviert und deaktiviert werden, sodass die aneinandergereihten Arbeitsräume einen sich wandernden Spalt definieren, der das Fluid aktiv transportiert. Eine auf diese Weise realisierte Pumpvorrichtung kann als peristaltische Pumpe bezeichnet werden.
Um eine Ventilfunktion zu realisieren, können sämtliche Elastomer-Aktuatoren gleichzeitig aktiviert werden, um eine durchgängige Verbindung durch die vorhandenen Arbeitsräume hindurch zwischen wenigstens zwei Anschlussöffnungen hervorzurufen, sodass ein Fluid aufgrund einer anstehenden Druckdifferenz selbsttätig hindurchströmen kann. Je nachdem, wie viele der vorhandenen Steuereinheiten als Anschluss-Steuereinheiten ausgebildet sind, lassen sich Ventilfunktionen unterschiedlicher Funktionalität realisieren, beispielsweise im Sinne eines 2/2-Wegeventils oder eines 3/2-Wegeventils.
Besonders vorteilhaft wird ein Aufbau angesehen, bei dem mehrere und zweckmäßigerweise sämtliche Steuereinheiten der Steuergruppe in einer matrixartigen Verteilung mehrdimensional nebeneinanderliegend angeordnet sind. Hierbei ist insbesondere ein zweidimensionaler Matrix-Aufbau hervorzuheben, bei dem die vorhandenen Steuereinheiten quer zur Richtung der Arbeitsbewegungen der Elastomer-Aktuatoren nebeneinanderliegend angeordnet sind. Es besteht die Möglichkeit, die vorhandenen Elastomer-Aktuatoren individuell oder gruppenweise zu betätigen, je nachdem, zu welchem Zweck die Fluidströmungs-Steuervorrichtung eingesetzt wird. Ein solcher Aufbau eignet sich vor allem zum Mischen oder zum Verteilen von Fluiden, insbesondere von Flüssigkeiten. Dabei können die Anschlussmöglichkeiten nach Bedarf vorgesehen werden, je nachdem, an welcher Stelle man eine als Anschluss-Steuereinheit ausgebildete Steuereinheit platziert.
Beispielsweise können in einem zentralen Bereich eine oder mehrere Anschluss-Steuereinheiten angeordnet sein, um die herum sich mehrere Durchleitungs-Steuereinheiten erstrecken, auf die ihrerseits dann wiederum mehrere Anschluss-Steuereinheiten folgen. Auf diese Weise lässt sich eine mehrdimensionale Strömungsverteilung verwirklichen, beispielsweise zu reinen Pumpzwecken oder aber auch zur Mischung oder Verteilung eines oder mehrerer Fluide.
Die Elastomer-Aktuatoren sind insbesondere derart gestaltet, dass sie, in ihrer axialen Richtung betrachtet, also in der Richtung der Arbeitsbewegung, eine rechteckige und insbesondere quadratische Außenkontur haben. Derart konturierte Elastomer-Aktuatoren können in besonders dicht gepackter Weise zu einer schachbrettartigen Verteilung angeordnet werden. Eine andere, vorteilhafte Konturierung sieht eine sechseckige Außenkontur der Elastomer-Aktuatoren vor, was die vorteilhafte Zusammenstellung zu einer Wabenstruktur ermöglicht, sodass noch vielfältigere Strömungsrichtungen innerhalb der Steuergruppe realisierbar sind als bei einer Verteilung nach Art eines Schachbrettmusters. Außerdem kann hier die Anzahl der Elastomer-Aktuatoren pro Flächeneinheit nochmals vergrößert werden.
Eine besonders vorteilhafte Fluidströmungs-Steuervorrichtung ist als peristaltische Pumpvorrichtung ausgebildet, bei der durch abwechselndes Aktivieren und Deaktivieren benachbarter Elastomer-Aktuatoren ein schrittweiser Fluidtransport zwischen den Arbeitskammern benachbarter Steuereinheiten hervorrufbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Fluidströmungs-Steuervorrichtung sind eine Fluid-Mischvorrichtung oder eine Fluid-Verteilvorrichtung. Bei einem Aufbau als Fluid-Mischvorrichtung können an mehreren Anschluss-Steuereinheiten eingespeiste Fluide durch gezielte Betätigung der einzelnen Durchleitungs-Steuereinheiten miteinander gemischt werden und dann zu einer weiteren Anschluss-Steuereinheit geleitet werden, wo dann die Fluidmischung ausgegeben wird.
Bei einer Anwendung als Fluid-Verteilvorrichtung kann ein an nur einer oder an mehreren Anschluss-Steuereinheiten eingespeistes Fluid auf eine größere Anzahl weiterer Anschluss-Steuereinheiten aufgeteilt werden, um beispielsweise verschiedene Verbraucher gleichzeitig mit einem Druckfluid zu versorgen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 eine bevorzugte erste Bauform der Fluidströmungs-Steuervorrichtung in einem Längsschnitt, wobei sämtliche Steuereinheiten in einer linearen Reihe aufeinanderfolgend angeordnet sind,
2 eine Draufsicht der Anordnung aus 1 im Schnitt,
3 eine weitere Ausführungsform der Fluidströmungs-Steuervorrichtung, die sich von derjenigen der 1 und 2 durch eine besondere Strukturierung einer ortsfesten Begrenzungsfläche der diversen Arbeitsräume auszeichnet,
4 eine weitere alternative Ausführungsform der Fluidströmungs-Steuervorrichtung, bei der eine die Elastomer-Aktuatoren definierende Aktuatormatte mit schlitzartigen Dehnungsnuten versehen ist,
5 eine weitere Ausführungsform einer Fluidströmungs-Steuervorrichtung mit einer zweidimensionalen matrixartigen Verteilung mehrerer Steuereinheiten in einem Schnitt in einer Draufsicht,
6 eine alternative Ausführungsform der Fluidströmungs-Steuervorrichtung mit matrixartiger Verteilung der Steuereinheiten, wobei die Elastomer-Aktuatoren zu einer Wabenstruktur zusammengefasst sind,
7 erneut eine weitere Ausführungsform der Fluidströmungs-Steuervorrichtung, die hier bevorzugt als Fluid-Verteilvorrichtung genutzt wird,
8 eine weitere Ausführungsform der Fluidströmungs-Steuervorrichtung, die über eine zu einem Wickelkörper aufgerollte Aktuatormatte verfügt, dargestellt in einem Längsschnitt gemäß Schnittlinie VIII-VIII aus 9,
9 die Anordnung aus 8 in einem Querschnitt gemäß Schnittlinie IX-IX, und
10 eine weitere Ausführungsform der Fluidströmungs-Steuervorrichtung, bei der einzelne, streifenförmige Aktuatormatten jeweils zu einer Aktuator-Rolle aufgewickelt sind und mehrere Aktuator-Rollen axial aufeinanderfolgend in einem hülsenförmigen Gehäuse untergebracht sind.
In der Zeichnung sind Fluidströmungs-Steuervorrichtungen 1 unterschiedlicher Bauformen illustriert, die abhängig von der Art ihrer Betätigung in unterschiedlicher Weise nutzbar sind.
Die 1 bis 4 zeigen eine Ausgestaltung als Pumpvorrichtung, die aber auch als Ventilvorrichtung nutzbar ist. Die 5 bis 7 zeigen weitere mögliche Ausführungsformen zur Nutzung als Pumpvorrichtung, die aber auch als Fluid-Mischvorrichtung oder als Fluid-Verteilvorrichtung einsetzbar sind. Die 8 bis 10 zeigen wiederum eine Ausführungsform zur Nutzung als Pumpvorrichtung oder als Ventilvorrichtung.
Alle Ausführungsformen der Fluidströmungs-Steuervorrichtung 1 zeichnen sich durch mindestens eine als Steuergruppe 2 bezeichnete Baugruppe oder Baueinheit aus, die sich aus mindestens drei und vorzugsweise aus mehr als drei Steuereinheiten 3 zusammensetzt. Jede Steuereinheit 3 enthält einen elektrisch und/oder magnetisch aktivierbaren Elastomer-Aktuator 4 und eine durch den Elastomer-Aktuator 4 zu einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten, bevorzugt linearen Arbeitsbewegung 5 antreibbare elastisch verformbare Wand 6. Die elastisch verformbare Wand 6 kann eine bezüglich des Elastomer-Aktuators 4 separate Komponente sein, was auf das Ausführungsbeispiel der 10 zutrifft, wo sie von einem gummielastischen Schlauch 7 gebildet ist, der von den zugeordneten Elastomer-Aktuatoren 4 beaufschlagbar ist. Als besonders zweckmäßig wird allerdings der bei den anderen Ausführungsbeispielen realisierte Aufbau angesehen, bei dem die elastisch verformbare Wand jeder Steuereinheit 3 unmittelbar vom zugeordneten Elastomer-Aktuator 4 gebildet ist und mithin ein Bestandteil dieses Elastomer-Aktuators ist.
Jede Steuereinheit 3 enthält eine hinsichtlich ihres Volumens veränderliche Arbeitskammer 8, die von der elastisch verformbaren Wand 6 begrenzt ist. Die Volumenveränderung kann durch die Arbeitsbewegung 5 und mithin durch die Verformung der elastisch verformbaren Wand 6 hervorgerufen werden und ergibt sich aus der Betätigung des jeweils zugeordneten Elastomer-Aktuators 4.
Gemäß den in 1 bis 7 illustrierten Ausführungsbeispielen kann jede Arbeitskammer 8 außer von der elastisch verformbaren Wand 6 auch von einer ortsfesten und insbesondere starren Begrenzungswand 12 begrenzt sein. Vorzugsweise ist eine ortsfeste Begrenzungswand 12 vorhanden, die die Arbeitskammern 8 sämtlicher Steuereinheiten 3 der Steuergruppe 2 begrenzt. Die ortsfeste Begrenzungswand 12 ist beispielsweise plattenförmig ausgebildet und/oder kann nach Art eines Deckels auf die Elastomer-Aktuatoren 4 aufgesetzt sein. Die ortsfeste Begrenzungswand 12 ist so platziert, dass sie den verformbaren Wänden 6 der Steuereinheiten 3 in der Bewegungsrichtung der Arbeitsbewegung 5 gegenüberliegt.
Jede verformbare Wand 6 kann durch Vorgabe eines entsprechenden Betriebszustandes des zugeordneten Elastomer-Aktuators 4 wahlweise in einer an die ortsfeste Begrenzungswand 12 angenäherten und insbesondere daran anliegenden ersten Arbeitsstellung oder in mindestens einer mehr oder weniger weit von der ortsfesten Begrenzungswand 12 abgehobenen zweiten Arbeitsstellung positioniert werden. Auf diese Weise ergeben sich unterschiedliche Volumina der Arbeitskammer 8, wobei das Kammervolumen im an der ortsfesten Begrenzungswand 12 anliegenden Zustand der verformbaren Wand 6 insbesondere gleich null ist. Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass die erste Arbeitsstellung eine Absperrstellung ist, in der durch das Zusammenwirken zwischen der verformbaren Wand 6 und der ortsfesten Begrenzungswand 12 ein Fluiddurchtritt durch die zugehörige Arbeitskammer 8 hindurch verhindert ist. Die mindestens eine zweite Arbeitsstellung ist demgegenüber eine einen Fluiddurchtritt durch die zugeordnete Arbeitskammer 8 ermöglichende Offenstellung, wobei der mögliche Volumenstrom durch Vorgabe der Größe des Kammervolumens variierbar ist.
Bei den Ausführungsbeispielen der 8 bis 10 sind die elastisch verformbaren Wände 6 ring- oder hülsenförmig gestaltet und insbesondere konzentrisch bezüglich einer Hauptachse 13 angeordnet. Durch Betätigung des zugeordneten Elastomer-Aktuators 4 kann die verformbare Wand 6 hier diametral verformt werden, sodass sich der Durchmesser der von ihr umschlossenen Arbeitskammer 8 verändert und in der als Absperrstellung nutzbaren ersten Arbeitsstellung gleich null ist.
Die elastisch verformbare Wand 6 besteht zweckmäßigerweise aus einem Elastomermaterial, wobei der Begriff Elastomermaterial jedes Material einschließen soll, das gummielastische Eigenschaften aufweist. Dieses Material ist insbesondere elastisch reversibel dehnbar.
Zumindest eine Mehrzahl und vorzugsweise sämtliche Steuereinheiten 3 der Steuergruppe 2 sind mit ihren Arbeitskammern 8 fluidisch in Reihe geschaltet. Wenn die elastisch verformbaren Wände 6 unmittelbar benachbart zueinander angeordneter Steuereinheiten 3 gleichzeitig eine Offenstellung einnehmen, ergibt sich eine durchgehende fluidische Verbindung zwischen den betreffenden Arbeitskammern 8. Die Fluidverbindung kann im Bereich jeder beliebigen Steuereinheit 3 dadurch unterbrochen werden, dass durch entsprechende Betätigung des Elastomer-Aktuators 4 die dort befindliche verformbare Wand 6 in die Absperrstellung bewegt wird.
Wenigstens zwei der Steuereinheiten 3 der Steuergruppe 2 verfügen über eine direkt in die zugehörige Arbeitskammer 8 einmündende, einen Fluiddurchtritt ermöglichende Anschlussöffnung 14. Abhängig vom Einsatzzweck der Fluidströmungs-Steuervorrichtung 1 können ohne weiteres auch mehr als zwei Steuereinheiten 3 mit einer solchen Anschlussöffnung 14 ausgestattet sein, was auf die Ausführungsbeispiele der 5 bis 7 zutrifft. Durch die jeweilige Anschlussöffnung 14 hindurch kann ein Fluid, dessen Strömung durch die Fluidströmungs-Steuervorrichtung 1 gesteuert werden soll, eingespeist oder abgeführt werden. Zur besseren Unterscheidung soll jede Steuereinheit 3, in deren Arbeitskammer 8 direkt eine Anschlussöffnung 14 einmündet, auch als Anschluss-Steuereinheit 3a bezeichnet werden.
Bei mindestens einer und vorzugsweise bei mehreren Steuereinheiten 3 der Steuergruppe 2 liegt keine direkte Verbindung zwischen der zugeordneten Arbeitskammer 8 und einer Anschlussöffnung 14 vor. Jede derartige Steuereinheit 3 sei im Folgenden auch als Durchleitungs-Steuereinheit 3b bezeichnet. Sie kann lediglich wahlweise eine Fluidverbindung zwischen den Arbeitskammern 8 benachbarter Steuereinheiten 3 freigeben oder absperren. In der Offenstellung wird durch sie ein Fluid hindurchgeleitet, um zwischen zwei benachbart zu der Durchleitungs-Steuereinheit 3b angeordneten weiteren Steuereinheiten 3 überzuströmen.
Der geschilderte Aufbau ermöglicht es, durch selektive Aktivierung und Deaktivierung der Elastomer-Aktuatoren 4 der Steuereinheiten 3 einen Fluidtransport durch aneinandergereihte Arbeitskammern 8 hindurch zwischen wenigstens zwei Anschlussöffnungen 14 hervorzurufen. Enthält die Fluidströmungs-Steuervorrichtung 1 mehr als zwei Anschlussöffnungen 14, kann eine Fluidbewegung zwischen mehreren oder sämtlichen dieser mehr als zwei Anschlussöffnungen 14 bewirkt werden.
Die Anschlussöffnungen 14 sind im Falle des Vorhandenseins einer ortsfesten Begrenzungswand 12 zweckmäßigerweise in dieser ortsfesten Begrenzungswand 12 ausgebildet, was für die Ausführungsbeispiele der 1 bis 7 zutrifft. Bei den Ausführungsbeispielen der 8 bis 10 sind die Anschlussöffnungen 14 von rohrförmigen Anschlussstutzen 15 gebildet, die sich koaxial an die Arbeitskammer 8 der Anschluss-Steuereinheit 3a anschließen und die zweckmäßigerweise koaxial zu der Hauptachse 13 ausgebildet sind. Beim Ausführungsbeispiel der 10 sind die rohrförmigen Anschlussstutzen 15 von den beiden einander entgegengesetzten Endabschnitten des schon erwähnten gummielastischen Schlauches 7 gebildet.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass sie einen Fluidtransport nach dem peristaltischen Prinzip hervorrufen können. Mithin ist keine Druckdifferenz erforderlich, um die Fluidströmung durch die miteinander verschalteten Steuereinheiten 3 hindurch zu bewirken. Der Fluidtransport kann aktiv durch abwechselndes Aktivieren und Deaktivieren der Elastomer-Aktuatoren 4 hervorgerufen werden. Allerdings sei erwähnt, dass sich die Fluidströmungs-Steuervorrichtung 1 auch für die Hindurchleitung von Fluiden eignet, deren Fluiddruck über ein Potentialgefälle verfügt, was beispielsweise der Fall ist, wenn in eine der Anschlussöffnungen 14 unter Überdruck stehendes Druckmedium eingeleitet wird, sei es nun flüssig oder gasförmig.
Unabhängig von ihrer Betriebsweise eignet sich die Fluidströmungs-Steuervorrichtung 1 für die Steuerung der Strömung sowohl gasförmiger als auch flüssiger Fluide.
Um das peristaltische Pumpprinzip realisieren zu können, sind zweckmäßigerweise die elastisch verformbaren Wände 6 sämtlicher Steuereinheiten 3 gemeinsam von einem einteiligen und bevorzugt einstückigen Elastomer-Wandkörper 16 gebildet. Bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 7 hat der Elastomer-Wandkörper 16 zweckmäßigerweise eine flächenhafte Ausdehnung und ist insbesondere plattenartige strukturiert. Er erstreckt sich bevorzugt parallel zu der ortsfesten Begrenzungswand 12 und ist an einer ihm zugewandten Wandfläche 17 der ortsfesten Begrenzungswand 12 angeordnet. Im deaktivierten Zustand ist der Elastomer-Wandkörper 16 im Wesentlichen entspannt und liegt unter Abdichtung an der besagten Wandfläche 17 der ortsfesten Begrenzungswand 12 an. Dies entspricht dem deaktivierten Zustand sämtlicher Elastomer-Aktuatoren. Wird ein Elastomer-Aktuator 4 aktiviert, hebt der Elastomer-Wandkörper 16 mit demjenigen Abschnitt, der die elastisch verformbare Wand 6 des betreffenden Elastomer-Aktuators 4 definiert, von der Wandfläche 17 ab und nimmt eine Offenstellung ein. Werden nun die Elastomer-Aktuatoren nacheinander in einer gewünschten Richtung abwechselnd aktiviert und deaktiviert, ergibt sich somit ein wandernder Spalt zwischen dem Elastomer-Wandkörper 16 und der ortsfesten Begrenzungswand 12, womit Fluide transportiert werden können.
Auf diese Weise kann bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 die eine der beiden Anschlussöffnungen 14 als Einlass 14a und die andere Anschlussöffnung 14 als Auslass 14b genutzt werden, wobei durch die erläuterte Art der aufeinander abgestimmten Betätigung der Elastomer-Aktuatoren 4 ein am Einlass 14a zugeführtes Fluid zum Auslass 14b peristaltisch gepumpt werden kann. Entsprechendes gilt sinngemäß auch für die Ausführungsbeispiele der 5 bis 7, wobei dort die Möglichkeit besteht, mehrere der Anschlussöffnungen 14 als Einlässe 14a oder als Auslässe 14b zu nutzen.
Bei den Ausführungsbeispielen der 8 bis 10 ist der die elastisch verformbaren Wände 6 sämtlicher Elastomer-Aktuatoren 4 bildende Elastomer-Wandkörper 16 rohrförmig gestaltet und konzentrisch zu der Hauptachse 13 angeordnet. Beim Ausführungsbeispiel der 10 ist er von einem Längenabschnitt des gummielastischen Schlauches 7 gebildet. Die peristaltische Pumpfunktion ergibt sich bei dem Ausführungsbeispiel der 8 bis 10 dadurch, dass der rohrförmige Elastomer-Wandkörper 16 im Bereich der in der Achsrichtung der Hauptachse 13 aufeinanderfolgend angeordneten Elastomer-Aktuatoren 4 abwechselnd radial zusammengedrückt oder aufgeweitet wird, sodass sich während des Pumpens ein innerhalb des Elastomer-Wandkörpers 16 in Achsrichtung der Hauptachse 13 wandernder Hohlraum ausbildet, der aus den abwechselnd ihren Querschnitt vergrößernden und verkleinernden Arbeitskammern 8 der aneinandergereihten Steuereinheiten 3 resultiert.
Zweckmäßigerweise sind die Elastomer-Aktuatoren 4 sämtlicher Ausführungsbeispiele als elektroaktive Polymer-Aktuatoren ausgebildet. Obgleich hierbei auch Ionen-Polymer-Aktuatoren denkbar wären, empfiehlt sich wegen des einfacheren Aufbaus und der leichteren elektrischen Ansteuerbarkeit die bei den Ausführungsbeispielen realisierte Bauform als dielektrische Elastomer-Aktuatoren 4.
Jeder dieser Elastomer-Aktuatoren 4 enthält mehrere in einer mit der Richtung der gewünschten Arbeitsbewegung 5 zusammenfallenden axialen Richtung aufeinandergestapelte Elastomermaterialschichten 18, zwischen denen jeweils eine flächenhaft gestaltete und bevorzugt flexible Elektrode angeordnet ist und wobei auch die jeweils äußerste Elastomermaterialschicht 18 von einer solchen Elektrode 22 flankiert ist. In 1, 3, 4 und 8 bis 10 sind die Elektroden 22 als etwas dickere schwarze Striche kenntlich gemacht, in den übrigen Abbildungen als mit einer Achteckstruktur versehene Flächenbereiche. Die zum gleichen Elastomer-Aktuator 4 gehörenden Elektroden 22 sind wechselseitig an jeweils zwei Außenelektroden 23 angeschlossen, sodass sich ein Multilayer-Aufbau vergleichbar einer Piezo-Stapelanordnung ergibt. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung entstehen elektrostatische Anziehungskräfte zwischen den einzelnen, in der Stapelungsrichtung übereinander angeordneten Elektroden, sodass diese sich aneinander annähern und somit das dazwischen befindliche Elastomermaterial mitbewegen und insbesondere in der Richtung der Arbeitsbewegung 5 zusammenquetschen. Auf diese Weise verkürzt sich der Elastomer-Aktuator 4. Wird die elektrische Spannung wieder weggenommen und der Elastomer-Aktuator 4 mithin wieder deaktiviert, kehrt der Elastomer-Aktuator 4 wieder aufgrund der Gummielastizität der Elastomermaterialschichten 18 in die Ausgangsstellung zurück.
Die Außenelektroden 23 sind bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 7 an einer Trägerplatine 24 angeordnet, die mit Leiterbahnen versehen ist und bei der es sich beispielsweise um eine Leiterplatte handelt. Die Elektroden 22 der Elastomer-Aktuatoren 4 sind mit den Leiterbahnen der Trägerplatine 24 kontaktiert und auf diese Weise mit den exemplarisch an der Trägerplatine 24 angeordneten Außenelektroden 23 elektrisch verbunden. An den Außenelektroden 23 ist eine Ansteuerspannung anlegbar, um die mit den betreffenden Außenelektroden verbundenen Elastomer-Aktuatoren 4 zu betätigen.
Man kann das Schaltungs-Layout so wählen, dass jeder Elastomer-Aktuator 4 individuell betätigbar ist. Andererseits wird es als vorteilhaft angesehen, die Elastomer-Aktuatoren 4 gruppenweise elektrisch zu verschalten, sodass durch das Anlegen einer Ansteuerspannung jeweils eine oder mehrere Gruppen von Elastomer-Aktuatoren 4 gleichzeitig aktivierbar sind.
Bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 ist exemplarisch ein Kontaktierungsmuster gewählt, das es ermöglicht, drei Gruppen von Elastomer-Aktuatoren 4 zeitlich aufeinander abgestimmt zu betätigen, wobei die innerhalb der gleichen Gruppe befindlichen Elastomer-Aktuatoren 4 jeweils gleichzeitig betätigt werden. Für diesen Zweck sind insgesamt vier Außenelektroden 23 erkennbar, von denen drei für die selektive Einspeisung jeweils einer Ansteuerspannung dienen und die vierte als Masseanschluss genutzt wird.
Bei den Ausführungsbeispielen der 8 bis 10 sind die Außenelektroden 23 von den Endabschnitten sogenannter Flexleiter gebildet, die von außen her zugänglich sind und die mit den Elektroden 22 der diversen Elastomer-Aktuatoren 4 kontaktiert sind.
Zweckmäßigerweise sind die Elastomer-Aktuatoren 4 sämtlicher Steuereinheiten 3 der Steuergruppe 2 in einem sich aus Elastomermaterial und Elektrodenmaterial zusammensetzenden Verbundkörper zusammengefasst. Exemplarisch gilt dies für die Ausführungsbeispiele der 1 bis 9. Dieser Verbundkörper sei im Folgenden als Aktuatormatte 25 bezeichnet. Da sie sich hauptsächlich aus Elastomermaterial zusammensetzt, verfügt sie über gummielastische Eigenschaften.
Die Aktuatormatte 25 enthält einen Elastomerkörper 26, der die Elastomermaterialschichten 18 sämtlicher Elastomer-Aktuatoren 4 bildet und der zweckmäßigerweise auch den Elastomer-Wandkörper 16 definiert. In den Elastomerkörper 26 sind im gewünschten Verteilungsmuster die übereinandergestapelten Elektroden 22 in dem gewünschten Stapelungsabstand eingebettet. Herstellbar ist eine solche Aktuatormatte 25 beispielsweise dadurch, dass abwechselnd Elastomermaterialschichten 18 und Schichten aus Elektroden 22 aufeinander aufgetragen werden, wobei die Elastomermaterialschichten bevorzugt im flüssigen Zustand aufgebracht und dann verfestigt werden. Die Elektrodenschichten bestehen aus einzelnen, flächenhaft strukturiert aufgebrachten Elektroden, die beispielsweise durch das Aufsprühen von Graphitmaterial oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Material realisierbar sind. Innerhalb des Elastomermaterials, bei dem es sich insbesondere um ein Silikon-Material handelt, kann die wechselseitige Kontaktierung der diversen Elektroden der einzelnen Elastomer-Aktuatoren 4 mittels sogenannter Durchkontaktierungen beziehungsweise Vias bewerkstelligt werden. Die oberste Elastomermaterialschicht 18 bildet letztlich den Elastomer-Wandkörper 16, der die elastisch verformbaren Wände 6 der einzelnen Elastomer-Aktuatoren 4 definiert.
Beim Ausführungsbeispiel der 1 bis 7 wird die Aktuatormatte 25 zweckmäßigerweise direkt auf der Trägerplatine 24 aufgebaut und bevorzugt zugleich elektrisch kontaktiert.
Die 1 bis 4 zeigen Fluidströmungs-Steuervorrichtungen 1, bei denen die Aktuatormatte 25 streifenförmig ausgebildet ist. Eine solche Bauform eignet sich besonders für Fälle, in denen mehrere und zweckmäßigerweise sämtliche Steuereinheiten 3 der Steuergruppe 2 in einer linearen Reihe aufeinanderfolgend angeordnet sind. Exemplarisch definiert die streifenförmige Aktuatormatte 25 des Ausführungsbeispiels der 1 bis 4 insgesamt sechs linear aneinandergereihte Elastomer-Aktuatoren 4, woraus insgesamt sechs ebenfalls linear aneinandergereihte Steuereinheiten 3 resultieren, von denen die beiden äußeren zweckmäßigerweise als Anschluss-Steuereinheiten 3a und die dazwischenliegenden als Durchleitungs-Steuereinheiten 3b ausgeführt sind.
Die Aktuatormatte 25 kann auch über eine größere flächenhafte Ausdehnung verfügen und kann bevorzugt plattenförmig ausgebildet sein, wie dies exemplarisch anhand der Ausführungsbeispiele der 5 bis 7 illustriert ist. Hier sind mehrere und zweckmäßigerweise sämtliche Steuereinheiten 3 der Steuergruppe 2 in einer matrixartigen Verteilung zweidimensional nebeneinanderliegend angeordnet. Die Matrixebene verläuft rechtwinkelig zur Richtung der Arbeitsbewegungen 5 der elastisch verformbaren Wände 6, die in 5 bis 7 senkrecht zur Zeichenebene orientiert ist.
Die gezeigte Matrixanordnung ermöglicht es, Fluidströme in einer Ebene in unterschiedlichen Richtungen zu transportieren oder zu verteilen. Dadurch besteht die vorteilhafte Möglichkeit, Fluide auf unterschiedliche Auslässe 14b aufzuteilen oder unterschiedliche, an mehreren Einlässen 14a eingespeiste Fluide zu mischen und an einem gemeinsamen Auslass 14b wieder auszugeben. Bei den Ausführungsbeispielen der 5 bis 7 ist jeweils eine größere Anzahl von Steuereinheiten 3 als Anschluss-Steuereinheiten 3a ausgeführt, deren Anschlussöffnungen 14 je nach Anwendungsfall in beliebiger Verteilung und Anzahl als Einlässe 14a und/oder Auslässe 14b zum Einspeisen oder Ausgeben eines Fluides nutzbar sind.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass die Elastomer-Aktuatoren 4, in ihrer axialen Richtung – also in der Richtung der Arbeitsbewegung 5 – betrachtet, eine durch die Konturierung der Elektroden 22 vorgegebene Außenkontur 27 mit mehreren geraden Konturlinienabschnitten 28 haben. Dabei sind die Elastomer-Aktuatoren 4 derart eindimensional oder zweidimensional aneinandergereiht, dass benachbarte Elastomer-Aktuatoren 4 mit zueinander parallelen Konturlinienabschnitten 28 aneinander angrenzen. Die genannten Außenkonturen 27 definieren letztlich den Rand der einzelnen Arbeitskammern 8, wobei die zueinander benachbarten, parallelen Konturlinienabschnitte 28 diejenigen Bereiche definieren, in denen ein Fluidübertritt zwischen benachbarten Arbeitskammern 8 stattfindet, wenn die betreffenden Elastomer-Aktuatoren 4 betätigt werden. In verschiedenen Figuren der Zeichnung sind mit gepunkteten Strömungspfeilen 32 mögliche Strömungspfade angedeutet, entlang denen ein Fluid durch die selektive Aktivierung und Deaktivierung der Elastomer-Aktuatoren 4 transportierbar ist.
Die 5 und 7 illustrieren eine vorteilhafte Ausführungsform, bei der die Elastomer-Aktuatoren 4 beziehungsweise deren Elektroden 22 über eine rechteckige Außenkontur verfügen. Die Anordnung ist so getroffen, dass wiederum Konturlinienabschnitte 28 benachbarter Elastomer-Aktuatoren 4 parallel zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise können Fluidströme in einer Ebene in zueinander rechtwinkeligen Richtungen verwirklicht werden. Dabei ist anhand 7 eine Möglichkeit illustriert, eine einzige Anschlussöffnung 14 als zentralen Einlass 14a zu nutzen, in den ein Fluid eingespeist wird, das intern über mehrere Strömungspfade 32 zu mehreren jeweils als Auslässe 14b fungierenden Anschlussöffnungen 14 geleitet wird. Eine solche Fluidströmungs-Steuervorrichtung 1 kann als Fluidverteilvorrichtung genutzt werden. Möglich ist allerdings auch eine Nutzung mit umgekehrter Fluidtransportrichtung, wobei dann eine Vielzahl von Anschlussöffnungen 14 als Einlässe 14a genutzt werden, an denen unterschiedliche Fluide eingespeist werden, die dann durch entsprechende Betätigung der Elastomer-Aktuatoren 4 in den diversen Arbeitskammern 8 zusammengeführt und gemischt werden, um dann an einem zentralen Auslass 14b als gemischtes Fluid wieder auszutreten.
Die 7 illustriert, dass die Außenkonturen 27 der einzelnen Elastomer-Aktuatoren 4 durchaus unterschiedliche Größenverhältnisse zueinander haben können. Die 5 hingegen illustriert eine vorteilhafte Bauform, bei der die Außenkonturen 27 jeweils quadratisch und gleichgroß sind, wobei die Elastomer-Aktuatoren 4 in einer schachbrettartigen Verteilung angeordnet sind.
Die 5 zeigt im Übrigen auch eine vorteilhafte Verteilung der diversen Steuereinheiten 3, wobei in einem mittleren Bereich mehrere – hier vier Stück – Anschluss-Steuereinheiten 3a konzentriert sind, um die herum eine Mehrzahl von Durchleitungs-Steuereinheiten 3b gruppiert sind, auf die schließlich an einander entgegengesetzten Randbereichen jeweils wieder mehrere Anschluss-Steuereinheiten 3a folgen. Hier können Fluide zentral zugeführt und zu den außenliegenden Anschlussöffnungen 14 weitertransportiert werden. Hierbei bietet es sich an, Gruppen von jeweils mindestens drei Elastomer-Aktuatoren 4 für einen peristaltischen Pumpvorgang heranzuziehen.
Die 6 zeigt eine Ausführungsform, mit der sich Elastomer-Aktuatoren 4 dicht gepackt in einer Ebene gruppieren lassen, wobei ein Fluidtransport nicht nur rechtwinkelig, sondern auch schräg dazu möglich ist. Erreicht wird dies durch eine sechseckige Außenkontur der Elastomer-Aktuatoren 4 beziehungsweise deren Elektroden 22, in Verbindung mit einer Anordnung nach Art einer Wabenstruktur, sodass wiederum benachbarte Elastomer-Aktuatoren 4 mit zueinander parallelen Konturlinienabschnitten 28 aneinander angrenzen. Hier besteht unter anderem die Möglichkeit, wenn ein Elastomer-Aktuator 4 von sechs weiteren Elastomer-Aktuatoren 4 umgeben ist, eine Fluidleitung in alternativ sechs sich um 120° voneinander unterscheidenden Strömungsrichtungen auszuführen.
An dieser Stelle sei auch zu erwähnen, dass durchaus die Möglichkeit besteht, innerhalb ein und derselben Fluidströmungs-Steuervorrichtung 1 mehrere zueinander parallele Aktuator-Ebenen zu realisieren, in denen jeweils mehrere Steuereinheiten 3 und zweckmäßigerweise jeweils eine eigene Steuergruppe 2 angeordnet sind. Mit Hilfe geeignet platzierter fluidischer Querverbindungskanäle besteht hier die vorteilhafte Möglichkeit, das Fluid nicht nur in einer, sondern in mehreren Ebenen zu befördern. In diesem Fall können die Steuereinheiten 3 insbesondere in einer dreidimensionalen matrixartigen Verteilung angeordnet sein.
Beim Aktivieren eines Elastomer-Aktuators 4 wird das Volumen seines Elastomermaterials infolge der axialen Kompression auch zur Seite verdrängt. Auch um mehr Aktuatorhub zu erzielen, ist es daher vorteilhaft, wenn es den momentan nicht aktivierten Elastomer-Aktuatoren 4 möglich ist, entsprechend der von den benachbarten Elastomer-Aktuatoren 4 empfangenen Querbelastung in axialer Richtung auszuweichen. Dies lässt sich gemäß 3 zweckmäßig dadurch gewährleisten, dass einer, mehreren oder jeder elastisch verformbaren Wand 6 ein in der gegenüberliegenden ortsfesten Begrenzungswand 12 ausgebildeter konkaver Bereich 33 gegenüberliegt. Hierzu kann die Wandfläche 17 beispielsweise wellenförmig konturiert sein oder eine Vielzahl von Mulden aufweisen, deren Verteilung derjenigen der Elastomer-Aktuatoren 4 entspricht.
Eine andere Möglichkeit zur Verhinderung gegenseitiger Beeinträchtigungen der sich quer verformenden Elastomer-Aktuatoren 4 besteht gemäß Ausführungsbeispiel der 4 darin, in der Aktuatormatte 25 von der dem Elastomer-Wandkörper 16 entgegengesetzten Seite her schlitzartige Dehnungsnuten 34 zwischen benachbarten Elastomer-Aktuatoren 4 auszubilden. Sie schaffen Freiraum für das Elastomermaterial, das von einem Elastomer-Aktuator 4 bei seiner Aktivierung zur Seite hin verdrängt wird.
Beim Ausführungsbeispiel der 8 und 9 ist eine Aktuatormatte 25 zu einem Wickelkörper 35 mit der Hauptachse 13 als Zentrum aufgerollt und innerhalb eines sie peripher umschließenden hülsenartigen Gehäuses 36 fixiert. Hier ergibt sich eine Aneinanderreihung einer Mehrzahl von Elastomer-Aktuatoren 4, deren Elastomermaterialschichten 18 und Elektroden 22 eine Spiralstruktur aufweisen, wie sie in 9 illustriert ist. Hier ergibt sich der Vorteil, dass die einzelnen Elektroden 22 von Längenabschnitten zusammenhängender Elektrodenstreifen 22a gebildet sind, die sich spiralförmig um ein mit der Hauptachse 13 zusammenfallendes Zentrum herum erstrecken.
Ausgangspunkt für die Herstellung einer gewickelten beziehungsweise gerollten Aktuatormatte 25 sind zweckmäßigerweise mehrere gummielastische Mattenkörper, die sich aus einer Elastomermaterialschicht 18 und einer einseitigen, ein Streifenmuster aufweisenden Elektrodenschicht zusammensetzen und die vor dem Wickeln beziehungsweise Rollen so aufeinandergelegt werden, dass jeweils eine Elektrodenschicht zwischen zwei Elastomermaterialschichten 18 zu liegen kommt. Auf diese Weise ergibt sich nach dem Herstellen des Wickelkörpers 35 eine radiale abwechselnde Schichtung von Elektroden 22, die jeweils nur einmal kontaktiert werden müssen. Vorzugsweise setzt sich der Wickelkörper 35 aus nur zwei aufeinanderliegenden und gemeinsam aufgewickelten beziehungsweise aufgerollten Mattenkörpern der geschilderten Bauart zusammen. Vor dem Aufwickeln können die Mattenkörper auch noch stoffschlüssig zu einer zusammenhängenden Aktuatormatte 25 verbunden werden.
Die Elastomermaterialschichten 18 können bei dieser Bauform so gestaltet werden, dass sie im gerollten Zustand unmittelbar die rohrförmigen Anschlussstutzen 15 ausbilden. Weiterhin kann die gerollte Elastomermaterialstruktur mit dem schon erwähnten Flexleiter 37 verklebt werden, um die Elektroden 22 zu kontaktieren und aus dem hülsenartigen Gehäuse 36 herauszuführen.
Beim Ausführungsbeispiel der 8 und 9 ist der die Arbeitskammern 8 begrenzende Elastomer-Wandkörper 16 unmittelbar von einer der Elastomermaterialschichten 18 gebildet. Alternativ hierzu besteht aber auch die Möglichkeit, den Wickelkörper 35 gemäß 10 auf einen separaten gummielastischen Schlauch 7 aufzuwickeln, der dann den Elastomer-Wandkörper 16 bildet.
Wie in 10 illustriert ist, besteht auch die Möglichkeit, den Wickelkörper in seiner Längsrichtung zu unterteilen, sodass einzelne rollenförmige Wickelkörpereinheiten 35a vorliegen, die entweder direkt axial aneinander anstoßen oder durch flexible, gelochte Trennscheiben 38 mit einem gewissen Abstand zueinander gehalten werden. Die Trennscheiben 38 sind nachgiebig und bestehen beispielsweise aus Schaumstoff, sodass sie die Seitwärtsbewegung der Elastomer-Aktuatoren 4 bei deren Aktivierung aufnehmen können.
Die Fluidströmungs-Steuervorrichtung 1 lässt sich auch nach Art eines Ventils einsetzen und ermöglicht insbesondere die Realisierung eines Mehrwegeventils. Dabei können sowohl Schaltventile als auch Proportionalventile generiert werden. Dadurch, dass die Auslenkung der Elastomer-Aktuatoren 4 spannungsabhängig variabel vorgebbar ist, lassen sich die Volumina der Arbeitskammern 8 variabel vorgeben und dadurch im Falle einer Ventilfunktion die Strömungsraten stufenlos variabel vorgeben. Aufgrund der vielfältigen Ansteuermöglichkeiten kann man mit Hilfe der Fluidströmungs-Steuervorrichtung 1 bei Bedarf eine frei konfigurierbare Ventilanordnung realisieren.
Abgesehen vom Ausführungsbeispiel der 10 ist allen Ausführungsbeispielen vorteilhaft gemeinsam, dass unabhängig voneinander betätigbare Elastomer-Aktuatoren 4 in einer gemeinsamen, einheitlichen Aktuatormatte 25 zusammengefasst sind. Dies erleichtert die Herstellung und die Handhabung beim Zusammenbau der Fluidströmungs-Steuervorrichtung 1.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1236900 A1 [0002]
WO 2006/073451 A2 [0003]
DE 19720482 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Dielectric Elastomer Actuators – Potential Use in Automation Technology”, M. Giousouf, Festo AG & Co. KG, aus ”ACTUATOR 2012”, Seiten 358 bis 361 [0005]

Claims

Fluidströmungs-Steuervorrichtung, mit mindestens zwei einen Fluiddurchtritt ermöglichenden Anschlussöffnungen (14) und mit mindestens einer Steuereinheit (3), die eine von einer elastisch verformbaren Wand (6) begrenzte Arbeitskammer (8) und einen zum Hervorrufen einer eine Volumenveränderung der Arbeitskammer (8) bewirkenden Arbeitsbewegung (5) der verformbaren Wand (6) dienenden Aktuator aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidströmungs-Steuervorrichtung (1) mindestens eine Steuergruppe (2) bestehend aus mindestens drei mit ihren Arbeitskammern (9) fluidisch in Reihe geschalteten Steuereinheiten (3) enthält, deren Aktuatoren als elektrisch und/oder magnetisch aktivierbare Elastomer-Aktuatoren (4) ausgebildet sind, wobei wenigstens zwei Steuereinheiten (3) als Anschluss-Steuereinheiten (3a) mit einer in die zugehörige Arbeitskammer (8) mündenden Anschlussöffnung (14) ausgebildet sind, zwischen denen mindestens eine als Durchleitungs-Steuereinheit (3b) ohne Anschlussöffnung (14) ausgebildete Steuereinheit (3) angeordnet ist, derart, dass durch selektive Aktivierung und Deaktivierung der Elastomer-Aktuatoren (4) ein Fluidtransport durch aneinandergereihte Arbeitskammern (8) hindurch zwischen wenigstens zwei Anschlussöffnungen (14) hervorrufbar ist.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch verformbare Wand (6) jeder Steuereinheit (3) unmittelbar vom zugeordneten Elastomer-Aktuator (4) gebildet ist.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einem Teil der Steuereinheiten (3) die elastisch verformbare Wand (6) in eine Absperrstellung bewegbar ist, in der ein Fluiddurchtritt durch die zugehörige Arbeitskammer (8) hindurch verhindert ist, insbesondere indem die elastisch verformbare Wand (6) an eine die Arbeitskammer (8) begrenzende ortsfeste Begrenzungswand (12) der Fluidströmungs-Steuervorrichtung (1) andrückbar ist.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine ortsfeste Begrenzungswand (12) aufweist, die die Arbeitskammern (8) sämtlicher Steuereinheiten (3) der Steuergruppe (2) begrenzt und der die elastisch verformbaren Wände (6) sämtlicher Steuereinheiten (3) der Steuergruppe (2) gegenüberliegen, wobei zweckmäßigerweise die Anschlussöffnungen (14) in der ortsfesten Begrenzungswand (12) ausgebildet sind.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elastisch verformbaren Wand (6) mindestens einer Steuereinheit (3) und zweckmäßigerweise jeder Steuereinheit (3) ein konkaver Bereich (33) der ortsfesten Begrenzungswand (12) gegenüberliegt.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomer-Aktuatoren (4) als elektroaktive Polymer-Aktuatoren ausgebildet sind, insbesondere als dielektrische Elastomer-Aktuatoren.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomer-Aktuatoren (4) der Steuergruppe (2) mindestens eine gemeinsame Elastomermaterialschicht (18) aufweisen und zweckmäßigerweise aus mehreren gemeinsamen und aufeinandergeschichteten Elastomermaterialschichten (18) aufgebaut sind.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere und zweckmäßigerweise sämtliche Elastomer-Aktuatoren (4) der Steuergruppe (2) in mindestens einer gummielastischen Aktuatormatte (25) zusammengefasst sind.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Aktuatormatte (8) platten- oder streifenförmig ausgebildet ist.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Aktuatormatte (25) zu einem Wickelkörper (35) aufgerollt und zweckmäßigerweise von einem hülsenartigen Gehäuse (36) umgeben ist, wobei die Aktuatormatte (25) insbesondere aus mehreren aufeinanderliegenden Mattenkörpern besteht.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatormatte (25), zweckmäßigerweise einseitig, zwischen benachbarten Elastomer-Aktuatoren (4) mit Dehnungsnuten (34) versehen ist, die Querdehnungen der Elastomer-Aktuatoren (4) zulassen.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere und zweckmäßigerweise sämtliche Steuereinheiten (3) der Steuergruppe (2) in einer linearen Reihe aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere und zweckmäßigerweise sämtliche Steuereinheiten (3) der mindestens einen Steuergruppe (2) in einer matrixartigen mehrdimensionalen Verteilung angeordnet sind.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere und zweckmäßigerweise sämtliche Steuereinheiten (3) der Steuergruppe (2) in einer zweidimensionalen matrixartigen Verteilung quer zur Richtung der Arbeitsbewegungen (5) nebeneinanderliegend angeordnet sind.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomer-Aktuatoren (4), in ihrer axialen Richtung betrachtet, eine Außenkontur (27) mit geraden Konturlinienabschnitten (28) haben und so aneinandergereiht sind, dass benachbarte Elastomer-Aktuatoren (4) mit zueinander parallelen Konturlinienabschnitten (28) aneinander angrenzen, wobei durch aufeinander abgestimmte Aktivierung und Deaktivierung der Elastomer-Aktuatoren (4) ein Fluidübertritt zwischen benachbarten Arbeitskammern (8) im Bereich aneinander angrenzender Konturlinienabschnitte (28) hervorrufbar ist.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomer-Aktuatoren (4), in ihrer axialen Richtung betrachtet, eine rechteckige und insbesondere quadratische Außenkontur haben, wobei sie zweckmäßigerweise in schachbrettartiger Verteilung angeordnet sind, sodass benachbarte Elastomer-Aktuatoren (4) mit zueinander parallelen Konturlinienabschnitten (28) aneinander angrenzen.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomer-Aktuatoren (4), in ihrer axialen Richtung betrachtet, eine sechseckige Außenkontur haben und nach Art einer Wabenstruktur aneinandergereiht sind, sodass benachbarte Elastomer-Aktuatoren (4) mit zueinander parallelen Konturlinienabschnitten (28) aneinander angrenzen.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie als peristaltische Pumpvorrichtung ausgebildet ist, bei der durch abwechselndes Aktivieren und Deaktivieren benachbarter Elastomer-Aktuatoren (4) ein Fluidtransport zwischen den Arbeitskammern (8) benachbarter Steuereinheiten (3) hervorrufbar ist.
Fluidströmungs-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Pumpvorrichtung oder als Fluid-Mischvorrichtung oder als Fluid-Verteilvorrichtung oder als Ventilvorrichtung ausgebildet ist.