DE102013009592B4 - Fluid flow control device - Google Patents
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Abstract
Fluidströmungs-Steuervorrichtung, mit mindestens zwei einen Fluiddurchtritt ermöglichenden Anschlussöffnungen (14) und mit mindestens einer Steuergruppe (2) bestehend aus mindestens drei Steuereinheiten (3), die jeweils 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 elektrisch und/oder magnetisch aktivierbaren Elastomer-Aktuator aufweisen, und die mit ihren Arbeitskammern (9) fluidisch in Reihe geschaltet 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, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Elastomer-Aktuatoren (4) der Steuergruppe (2) in mindestens einer gummielastischen Aktuatormatte (25) zusammengefasst und aus mehreren gemeinsamen und aufeinandergeschichteten Elastomermaterialschichten (18) aufgebaut sind.Fluid flow control device, having at least two connection openings (14) enabling a fluid passage and having at least one control group (2) comprising at least three control units (3) each having a working chamber (8) delimited by an elastically deformable wall (6) and one for Causing a working movement (5) of the deformable wall (6) which serves to change the volume of the working chamber (8) and which are fluidically connected in series with their working chambers (9), at least two control units (3) as a connection control units (3a) are formed with an opening into the associated working chamber (8) connection opening (14), between which at least one as a passage control unit (3b) without connection opening (14) formed control unit (3) such that by selectively activating and deactivating the elastomeric actuators (4) a fluid transport through juxtaposed working chambers (8) through between at least two connection openings (14) hervorufbar, characterized in that a plurality of elastomer actuators (4) of the control group (2) in at least one rubber-elastic actuator mat (25) combined and made of several common and stacked Elastomer material layers (18) are constructed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Fluidströmungs-Steuervorrichtung, mit mindestens zwei einen Fluiddurchtritt ermöglichenden Anschlussöffnungen und mit mindestens einer Steuergruppe bestehend aus mindestens drei Steuereinheiten, die jeweils eine von einer elastisch verformbaren Wand begrenzte Arbeitskammer und einen zum Hervorrufen einer eine Volumenveränderung der Arbeitskammer bewirkenden Arbeitsbewegung der verformbaren Wand dienenden elektrisch und/oder magnetisch aktivierbaren Elastomer-Aktuator aufweisen, und die mit ihren Arbeitskammern fluidisch in Reihe geschaltet 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.The invention relates to a fluid flow control device having at least two connection openings enabling a fluid passage and having at least one control group comprising at least three control units, each having a working chamber delimited by an elastically deformable wall and a working movement of the deformable wall effecting a volume change of the working chamber serving electrically and / or magnetically activatable elastomer actuator, and which are fluidically connected in series with their working chambers, wherein at least two control units are designed as connection control units with an opening into the associated working chamber port opening, between which at least one as a passage control unit Arranged without connecting opening control unit is arranged such that by selective activation and deactivation of the elastomer actuators fluid transport by juxtaposed A working chambers between at least two connection openings can be evoked.
Eine aus der
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In dem Artikel
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach und kompakt aufgebaute, vielfältig anwendbare Fluidströmungs-Steuervorrichtung zu schaffen.The invention has for its object to provide a simple and compact design, versatile applicable fluid flow control device.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass mehrere Elastomer-Aktuatoren der Steuergruppe in mindestens einer gummielastischen Aktuatormatte zusammengefasst und aus mehreren gemeinsamen und aufeinandergeschichteten Elastomermaterialschichten aufgebaut sind.To achieve this object, it is provided in connection with the features mentioned above that several elastomer actuators of the control group are combined in at least one rubber-elastic actuator mat and constructed from a plurality of common and stacked elastomer material layers.
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.The connection openings of the fluid flow control device are suitable, depending on the application, for supplying or discharging a fluid, which is intended to flow through a plurality of working chambers of the control units, between to overflow at least two connection openings. Depending on the existing number of each with a port equipped terminal control units and port-open passage control units, a fluid flow control device can be realized, which can be used for example as a pumping device, as a fluid distribution device, as a valve device or as a fluid mixing device. Within the control group, the desired fluid flow can be caused and / or influenced by selective activation and deactivation of the elastomer actuators belonging to the individual control units. The use of electrically and / or magnetically activated elastomer actuators for driving the elastically deformable walls of the control units allows compliance with very small dimensions and operation with low energy consumption.
Mehrere und zweckmäßigerweise sämtliche Elastomer-Aktuatoren sind in mindestens einer gummielastischen Aktuatormatte zusammengefasst, die sich in Verbindung mit elektroaktiven Polymer-Aktuatoren aus mehreren gemeinsamen und aufeinandergeschichteten Elastomermaterialschichten und zweckmäßigerweise zwischen den Elastomermaterialschichten befindlichen flexiblen Elektroden zusammensetzt. 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. 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.Several and expediently all elastomer actuators are combined in at least one rubber-elastic actuator mat, which in combination with electroactive polymer actuators composed of a plurality of common and stacked elastomeric material layers and conveniently between the elastomeric material layers located flexible electrodes. In this way it is very easy to integrate a plurality of individual actuators within a composite material. For example, a plurality of elastomeric material layers, in particular made of silicone, may be stacked, between which flexible electrodes are arranged, which are mutually connected to two outer electrodes in order to realize a multilayer structure. By applying a voltage to the electrodes, the electrodes are pulled towards each other so that the elastomer actuator is shortened and the associated deformable wall is deformed in the sense of increasing the volume of the associated working chamber. Such an actuator mat can be produced, in particular, by applying and solidifying liquid silicone layers in succession on a plate, for example on a printed circuit board, wherein after the application of each silicone layer an electrode layer is applied, for example by spraying a graphite layer. The electrodes can be contacted alternately within the actuator mat, in particular by means of so-called vias, ie by means of plated-through holes. Depending on the design of the fluid flow control device, the uppermost elastomeric material layer can be used as a seal or as a switching element in a valve.
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.Based on the inventive concept, a fluid flow control device equipped with a plurality of elastomer actuators grouped in array arrangements or also in multi-dimensional array arrangements and switching and / or pumping fluids as required can be designed / or mix. In the case of matrix-type arrangements, the direction of flow within the control group can also be influenced and varied by the selective actuation of the elastomer actuators.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims.
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.Conveniently, in each control unit, the elastically deformable wall is formed directly by the associated elastomer actuator. The elastomer material deforming upon actuation of the elastomer actuator can therefore be used directly as a limiting, movable element of the working chamber. In this way, a structurally very simple structure.
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.Preferably, in at least part of the control units, the deformable wall is movable into a shut-off position in which fluid passage through the associated working chamber is prevented. In this way, the relevant control unit can be used to selectively allow or prevent fluid flow through the working chamber. If the control group contains a plurality of control units constructed in this way, the flow direction within the control group can even be varied in conjunction with a multi-dimensional matrix-like arrangement of control units. This can be used to advantage especially when the fluid flow control device is used for mixing or for distributing fluids.
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.The shut-off position of the deformable wall can be realized, in particular, by pressing it against the stationary working boundary wall by appropriate activation of the elastomer actuator.
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.Preferably, the fluid flow control device has a structure such that it has a fixed boundary wall which limits the working chamber of all the control units of the control group together with one of the elastically deformable walls. These elastically deformable walls of the various control units face the fixed boundary wall and can be deformed relative to the fixed boundary wall to vary the volume of the associated working chamber by activating or deactivating the associated elastomeric actuator. Conveniently, all existing connection openings of the fluid flow control device are formed in the stationary boundary wall.
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. The deformable wall of at least one control unit is expediently opposite a concave region of the stationary boundary wall. This applies in particular to all control units. The concavity defines a deformation clearance that allows the deformable wall of a deactivated elastomeric actuator to deflect in the direction of the working motion as adjacent elastomeric actuators are actuated and undergo a cross-sectional change as they are actuated.
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.A preferred construction of the fluid flow control device provides that the elastomer actuators are designed as electroactive polymer actuators. This is mainly thought of so-called dielectric elastomer actuators, which have elastomeric portions which are flanked by electrodes, so that upon application of an electrical voltage electrostatic forces of attraction between the electrodes are formed, by which the electrodes are moved towards each other and thus the elastomeric material is deformed. In the case of the elastomeric material, in particular silicone material is used, although in principle any material that deforms elastically elastically is very well suited.
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.Alternatively, the electroactive polymer actuators can also be realized in the form of ionic polymer actuators, in which directly the actuator material itself undergoes a change in shape due to electrochemical reaction. Overall, electroactive polymer actuators have the advantage that they can reach very high strains and are hardly limited in their deformation behavior.
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.As an alternative to electroactive polymers, it is also possible to use elastomers with magnetic particles for the realization of the elastomer actuators, in which case the elastomers can be compressed or stretched by the application of external magnetic fields. Due to their possible flat construction, however, the electroactive polymers are particularly suitable for the purposes of the invention.
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.At least one actuator mat of the fluid flow control device is expediently designed in the form of a plate or strip. It can be used with a planar, flat extension, for example, to define only a single row of several successive elastomer actuators or even a multi-dimensional structure with matrix-like distribution of elastomer actuators in a plane.
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.It is also possible to combine the elastomer actuators in several control groups, which are arranged in mutually parallel planes and which are fluidly interconnected. This results in a three-dimensional actuator 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.There is also the advantageous possibility to roll up at least one actuator mat to a winding body and suitably surrounded by a sleeve-like housing. With such a construction, the winding body centrally encloses a through-channel, which is composed of working chambers which are lined up in the longitudinal direction of the winding body and which can be influenced in terms of their volume by diametrical deformation of the elastomer material. There is the advantageous possibility of designing the elastomeric material layers in such a way that, when the actuator mat is rolled up, they form tubular extensions which define the connection openings.
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.A rolled up to a winding body actuator mat consists in particular of several superimposed and preferably cohesively interconnected mat bodies. Each such mat body may be composed of an elastomeric material layer and an electrode structure applied thereto on one side. The electrode structure is expediently a strip structure in the form of electrode strips extending parallel to one another in the winding direction or retraction direction. If necessary, the rolled elastomer structure can be glued to a so-called flex conductor, by means of which the electrodes can be contacted and led out of the housing accordingly.
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.Alternatively, the actuator mat can also be wound onto an existing elastomer hose which, in this case, defines with its axially successive hose wall sections the elastically deformable wall of the individual control units.
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.It is also possible to wind a plurality of originally strip-shaped actuator mats into individual actuator rollers, each defining an elastomeric actuator and being stackable in an axial direction to realize the desired array of elastomeric actuators. This juxtaposition is expediently done by insertion into a sleeve-shaped housing. Individual actuator rollers can be stacked side by side or by flexible, perforated cutting discs, which consist for example of a resilient material, strung together. The cutting discs compensate for the occurring during actuation of the elastomer actuators transverse strain of the elastomeric material.
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.Upon activation of a stacked elastomeric actuator, the actuator volume will increase due to movement in the direction of movement Compression also displaced to the side. Therefore, it is useful, even to achieve a larger actuator stroke, to allow the adjacent, currently not activated elastomer actuators to dodge in the direction of the working movement. This can be done in particular by a suitable structuring of the already mentioned stationary boundary wall, in particular by the formation of concave areas. Another advantageous possibility for compensating for the transverse strains of the elastomeric material is to provide expansion grooves on one side between the respectively adjacent elastomeric actuators in an actuator mat defining the elastomeric actuators. Such expansion grooves may for example be introduced in the manner of slots and form a free space into which the elastomeric material of the currently activated elastomer actuator can escape. The expansion grooves are expediently provided only on one side, so that there is a continuous closed elastomer structure in the region of the working chambers.
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.In a possible embodiment of the fluid flow control device several and expediently all the control units of the control group are arranged in a linear row successively. In this way, a fluid can be transported, for example, between two connection control units which terminate the end of the actuator series, for example by means of a pumping function or by means of a valve function. In a pumping function, the elastomeric actuators can be sequentially activated and deactivated alternately so that the juxtaposed work spaces define a traveling gap that actively transports the fluid. A pumping device realized in this way can be called a peristaltic pump.
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.To realize a valve function, all elastomer actuators can be activated simultaneously to cause a continuous connection through the existing work spaces between at least two connection openings, so that a fluid can flow through automatically due to a pending pressure difference. Depending on how many of the existing control units are designed as connection control units, valve functions of different functionality can be realized, for example in the sense of a 2/2-way valve or a 3/2-way valve.
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.Particularly advantageous is a structure is considered in which several and suitably all the control units of the control group are arranged in a multi-dimensional multidimensional side by side in a matrix-like distribution. In this case, in particular a two-dimensional matrix structure should be emphasized, in which the existing control units are arranged side by side transversely to the direction of the working movements of the elastomer actuators. It is possible to operate the existing elastomer actuators individually or in groups, depending on the purpose for which the fluid flow control device is used. Such a construction is particularly suitable for mixing or for distributing fluids, in particular liquids. The connection options can be provided as needed, depending on where you place a designed as a connection control unit control unit.
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.By way of example, one or more connection control units may be arranged in a central area, around which several pass-through control units extend, which in turn in turn follow a plurality of connection control units. In this way, a multi-dimensional flow distribution can be realized, for example for pure pumping purposes or else for mixing or distribution of one or more fluids.
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.The elastomer actuators are in particular designed such that, viewed in their axial direction, ie in the direction of the working movement, they have a rectangular and in particular square outer contour. Such contoured elastomer actuators can be arranged in a particularly tightly packed manner to a checkerboard distribution. Another, advantageous contouring provides a hexagonal outer contour of the elastomer actuators, which allows the advantageous composition to a honeycomb structure, so that even more diverse flow directions can be realized within the control group than in a distribution in the manner of a checkerboard pattern. In addition, the number of elastomer actuators per unit area can be further increased here.
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.A particularly advantageous fluid flow control device is designed as a peristaltic pumping device, in which by alternately activating and deactivating adjacent elastomer actuators a gradual fluid transport between the working chambers of adjacent control units can be caused.
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.Further advantageous embodiments of the fluid flow control device are a fluid mixing device or a fluid distribution device. In a construction as a fluid mixing device, fluids fed to a plurality of port control units can be mixed with each other by selectively operating the individual passage control units, and then passed to another port control unit, where the fluid mixture is discharged.
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. When used as a fluid distribution device, a fluid fed to only one or more port controllers may be split among a larger number of other port controllers to, for example, simultaneously supply different consumers with a pressurized fluid.
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 aus1 im Schnitt, -
3 eine weitere Ausführungsform der Fluidströmungs-Steuervorrichtung, die sich von derjenigen der1 und2 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 aus9 , -
9 dieAnordnung 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.
-
1 a preferred first design of the fluid flow control device in a longitudinal section, wherein all the control units are arranged in a linear row successively, -
2 a plan view of thearrangement 1 on average, -
3 another embodiment of the fluid flow control device, which differs from that of the1 and2 characterized by a special structuring of a stationary boundary surface of the various working spaces, -
4 a further alternative embodiment of the fluid flow control device, wherein an actuator mat defining the elastomer actuators is provided with slot-like expansion grooves, -
5 FIG. 2 shows a further embodiment of a fluid flow control device with a two-dimensional matrix-like distribution of a plurality of control units in a section in a top view, FIG. -
6 an alternative embodiment of the fluid flow control device with matrix-like distribution of the control units, wherein the elastomeric actuators are combined to form a honeycomb structure, -
7 again another embodiment of the fluid flow control device, which is preferably used here as a fluid distribution device, -
8th a further embodiment of the fluid flow control device, which has an actuator mat rolled up to a winding body, shown in a longitudinal section along section line VIII-VIII9 . -
9 the arrangement8th in a cross section along section line IX-IX, and -
10 a further embodiment of the fluid flow control device, in which individual, strip-shaped Aktuatormatten are each wound into an actuator roller and a plurality of actuator rollers axially successively housed in a sleeve-shaped housing.
In der Zeichnung sind Fluidströmungs-Steuervorrichtungen
Die
Alle Ausführungsformen der Fluidströmungs-Steuervorrichtung
Jede Steuereinheit
Gemäß den in
Jede verformbare Wand
Bei den Ausführungsbeispielen der
Die elastisch verformbare Wand
Zumindest eine Mehrzahl und vorzugsweise sämtliche Steuereinheiten
Wenigstens zwei der Steuereinheiten
Bei mindestens einer und vorzugsweise bei mehreren Steuereinheiten
Der geschilderte Aufbau ermöglicht es, durch selektive Aktivierung und Deaktivierung der Elastomer-Aktuatoren
Die Anschlussöffnungen
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
Unabhängig von ihrer Betriebsweise eignet sich die Fluidströmungs-Steuervorrichtung
Um das peristaltische Pumpprinzip realisieren zu können, sind zweckmäßigerweise die elastisch verformbaren Wände
Auf diese Weise kann bei den Ausführungsbeispielen der
Bei den Ausführungsbeispielen der
Zweckmäßigerweise sind die Elastomer-Aktuatoren
Jeder dieser Elastomer-Aktuatoren
Die Außenelektroden
Man kann das Schaltungs-Layout so wählen, dass jeder Elastomer-Aktuator
Bei den Ausführungsbeispielen der
Bei den Ausführungsbeispielen der
Zweckmäßigerweise sind die Elastomer-Aktuatoren
Die Aktuatormatte
Beim Ausführungsbeispiel der
Die
Die Aktuatormatte
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
Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass die Elastomer-Aktuatoren
Die
Die
Die
Die
An dieser Stelle sei auch zu erwähnen, dass durchaus die Möglichkeit besteht, innerhalb ein und derselben Fluidströmungs-Steuervorrichtung
Beim Aktivieren eines Elastomer-Aktuators
Eine andere Möglichkeit zur Verhinderung gegenseitiger Beeinträchtigungen der sich quer verformenden Elastomer-Aktuatoren
Beim Ausführungsbeispiel der
Ausgangspunkt für die Herstellung einer gewickelten beziehungsweise gerollten Aktuatormatte
Die Elastomermaterialschichten
Beim Ausführungsbeispiel der
Wie in
Die Fluidströmungs-Steuervorrichtung
Abgesehen vom Ausführungsbeispiel der
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