DE102014218981A1

DE102014218981A1 - Druckerzeugungsvorrichtung mit EAP Aktor

Info

Publication number: DE102014218981A1
Application number: DE102014218981.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Friedrich; Manfred Gerdes; Wadim Napolskich; Simon Trautmann; Armin Verhagen; Michael Donotek; Istvan Denes; Christian Motschenbacher; Xi Zhang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2015-05-21

Abstract

Die erfindungsgemäße Druckerzeugungsvorrichtung weist wenigstens eine, in einer Arbeitskammer befindliche Fluiddruckkammer und einen Aktor aus einem elektroaktiven Material, welcher in seiner Länge und seiner Querschnittfläche veränderlich ist sowie in der Fluiddruckkammer positioniert ist auf. Der verbleibende Raum der Fluiddruckkammer abzüglich des eingefügten Aktors definiert einen Fluidraum für ein Fluid. Die erfindungsgemäße Druckerzeugungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor mittels einer Kombination einer Längenänderung sowie einer Änderung der Querschnittfläche des Aktors eine Volumenänderung des Fluidraums bewirkt. Die Volumenänderung führt zu einer Krafterzeugung auf das Fluid. Diese Kraft kann dafür verwendet werden, ein Fluid anzusaugen oder aus dem Raum heraus zu pressen. Hierdurch kann eine Fluid in den Fluidraum eingespeichert und heraus befördert sowie gepumpt werden.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die DE 10 2007 017 731 A1 bekannt. Dieser Stand der Technik beschreibt eine Pumpenvorrichtung, insbesondere für eine Bremsanlage eines Fahrzeugs, umfassend einen ersten Elektromagneten, eine Rückstelleinrichtung, eine erste Arbeitskammer, eine zweite Arbeitskammer, ein Ankerelement und eine Regelungseinrichtung, um den ersten Elektromagneten zu aktivieren, wobei das Ankerelement zwischen dem ersten Elektromagneten und der Rückstelleinrichtung angeordnet ist und das Ankerelement mittels des ersten Elektromagneten anziehbar oder abstoßbar ist und wobei das Ankerelement die erste Arbeitskammer von der zweiten Arbeitskammer fluiddicht trennt. Hierdurch kann das System besonders geräuscharm betrieben werden und benötigt des Weiteren eine minimale Anzahl von beweglichen Teilen. Durch die Kolbenbewegung wird der wirkende Luftspalt in beiden Magnetkreisen verändert, was je nach Kolbenlage mit der Notwendigkeit zur Erhöhung des magnetischen Widerstandes in den Magnetkreisen verbunden ist. Hierfür ermöglicht das System hohe für den Betrieb der Vorrichtung notwendige Magnetfeldern bzw. elektrische Ströme. Alternativ dazu könnte durch eine konstruktive Auslegung der Vorrichtung der wirkenden Luftspalt klein gehalten werden, was sich jedoch die maximale Förderleistung der Vorrichtung beeinflussen würde. Neben der Aktivierung des Kolbens durch Magnetfelder erscheint allerdings auch der Einsatz einer alternativen Technologie interessant.
Aus der US020040008853A1 ist weiter eine Vorrichtung zur Durchführung thermodynamischer Arbeit an einem Fluid, wie Pumpen, Verdichter und Ventilatoren bekannt. Die thermodynamische Arbeit kann verwendet werden, um eine Antriebskraft zum Bewegen des Fluids bereitzustellen. Die Arbeit kann auch auf andere Geräte, wie z.B. einen Kolben in einer hydraulischen Betätigungseinrichtung übertragen werden. Die Geräte können ein oder mehrere elektroaktive Polymere als Wandler einsetzten. Das elektroaktive Polymer kann Kontakt mit einem Fluid stehen, wobei die Deflektion des elektroaktiven Polymers verwendet werden kann, um Arbeit am Fluid zu verrichten.
Weiter ist aus der JP002001286162A der Einsatz von elektroaktiven Polymeren zur Aktuation von Antrieben, insbesondere Ventilantrieben, bekannt. Wobei JP002001286162A auch den Einsatz von EAPs zur Aktuation von Membranpumpen für ein flüssiges oder gasförmiges Medium beschriebt.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Druckerzeugungsvorrichtung weist wenigstens eine, in einer Arbeitskammer befindliche Fluiddruckkammer und einen Aktor aus einem elektroaktiven Material, welcher in seiner Länge und seiner Querschnittfläche veränderlich ist sowie in der Fluiddruckkammer positioniert ist auf. Der verbleibende Raum der Fluiddruckkammer abzüglich des eingefügten Aktors definiert einen Fluidraum für ein Fluid. Die erfindungsgemäße Druckerzeugungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor mittels einer Kombination einer Längenänderung sowie einer Änderung der Querschnittfläche des Aktors eine Volumenänderung des Fluidraums bewirkt. Die Volumenänderung führt zu einer Krafterzeugung auf das Fluid. Diese Kraft kann dafür verwendet werden, ein Fluid anzusaugen oder aus dem Raum heraus zu pressen. Hierdurch kann eine Fluid in den Fluidraum eingespeichert und heraus befördert sowie gepumpt werden.
Ein Gehäuse kann die Arbeitskammer umgeben, bzw. definieren und begrenzen. Unter einer inneren Fläche des Gehäuses kann daher die Bodenfläche oder Kopffläche der Arbeitskammer, aber auch die Seiteninnenfläche des Gehäuses, bzw. der Arbeitskammer verstanden werden. Wie bereits beschrieben, ist die Arbeitskammer als Hohlraum des Gehäuses der Druckerzeugungsvorrichtung zu verstehen, in welchen Komponenten zur Ermöglichung der Pumpfunktionalität integriert werden. Diese Arbeitskammer kann weiterhin, bspw. durch ein Trennelement von der Umgebung abgetrennt werden. Der entstehende Raum kann als Fluiddruckkammer beschrieben werden. Alternativ ist möglich, dass bspw. ein Trennelement die Arbeitskammer in zwei Fluiddruckkammern unterteilt. Hierbei kann es sich um eine im Wesentlichen geschlossene Arbeitskammer handeln, welche einen oder mehrere Fluideingänge und Fluidausgänge aufweist. Diese Fluiddruckkammern können einen oder mehrere Aktoren beinhalten. Der verbleibende Hohlraum der Fluiddruckkammern abzüglich der integrierten Aktoren kann als Fluidraum für ein Fluid beschrieben werden.
Insbesondere Aktoren aus elektroaktiven Polymere können Vorteile für die Anwendung in einer Druckerzeugungsvorrichtung bieten. Hierbei erscheint insbesondere die Gruppe der dielektrischen Elastomere vorteilhaft. Unter einem elektroaktiven Polymer versteht man einen Verbund aus einem hochelastischen Elastomer und leitfähigen Schichten, welche als Elektroden dienen. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an beiden Elektroden entstehen Coulomb´sche Kräfte zwischen diesen aufgrund der sich anziehenden Ladungen. Hierdurch wird das dazwischenliegende Dielektrikum gestaucht und die Höhe des Gesamtverbundes wird reduziert. Diese Kraft kann genutzt werden, um einen Zugaktor aufzubauen. Die beschriebene Stauchung des Dielektrikums führt aufgrund der annähernden Inkompressibilität von Polymeren gleichzeitig zu einer Flächenvergrößerung. Die hierbei wirkende Kraft und Ausbauchung des Aktors kann zum Aufbau eines Druckaktor verwendet werden. Bei einer Reduzierung der angelegten Spannung, bzw. einer Entladung fließen die überschüssigen Ladungen über die Spannungsquelle ab und das Dielektrikum kehrt in seine ursprüngliche Form zurück.
Ein Aktor aus elektroaktivem Polymer kann aus einem Verbund mehrerer, mit leitfähigen Schichten (Elektroden) beschichteten Zwischenschichten, insbesondere biaxial gestreckten Polymerfolien aus einem hochelastischen Elastomer (Dielektrikum) bestehen. Der Verbund der Schichten kann dabei vorteilhafterweise als Stapelaktor ausgeführt sein, wobei die Schichten im Wesentlichen eben gestapelt sind. In einer alternativen vorteilhaften Ausführung ist der Verbund der Schichten als Rollenaktor ausgeführt und gewickelt. Da die EAP Folien sehr dünn sein können (< 100 µm), sind eine Vielzahl von Wicklungen notwendig, um einen ausreichend starken Aktor zu realisieren. Alternativ können für die Herstellung eines Rollenaktors mehrere biaxial gestreckte Folien miteinander verbunden und erst im Anschluss aufgerollt werden. Aktoren aus elektroaktiven Polymeren können zylindrische Formen aufweisen. Hierbei kann die Höhe des Zylinders der Länge des Aktors sowie die Kreisfläche des Zylinders der Querschnittfläche des Aktors entsprechen. Alternativ zu Stapelaktoren und Rollenaktoren sind selbstverständlich auch andere Ausführungsformen von Aktoren möglich, wie beispielsweise bimorphe Strukturen oder schlauchartige Aktoren.
Der wenigstens eine Aktor ist innerhalb einer der Fluiddruckkammern positioniert. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausführung kann der Aktor eine Volumenänderung des jeweiligen Fluidraums sowohl mittels einer Längenänderungs des Aktors, als auch mittels einer Änderung der Querschnittfläche des Aktors bewirken.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung bleibt das Volumen des Aktors bei einer Aktivierung im Wesentlichen konstant. Ebenfalls bleibt das Volumen bei einer Steigerung der Bestromung oder Ladung des Aktors sowie bei einer Reduzierung der Bestromung oder Entladung des Aktors im Wesentlichen konstant. Bei einer Verkürzung der Länge des Aktors, vergrößert sich daher die Querschnittfläche des Aktors entsprechend. Ebenfalls verkleinert sich die Querschnittfläche des Aktors auch bei einer Vergrößerung der Länge des Aktors. Dieser Effekt kann insbesondere durch die Verwendung von inkompressiblen Elastomeren unterstützt werden.
Weiterhin ist dieser Effekt der Querschnittsänderung bei der Befestigung des Aktors an bspw. einem Gehäuse oder einem Kolben zu beachten. Wird die Ausdehnung der Randschicht des Aktors durch bspw. eine flächige Verklebung unterbunden, kann dies zu einer Verformung des Aktors in den Randbereichen führen. Dies kann durch eine partielle und/oder bewegungsfähige Verbindung des Aktors mit weiteren Komponenten vermieden werden.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Aktor zwischen einem Trennelement und einer dem Trennelement gegenüberliegenden Fläche der Arbeitskammer positioniert ist. Als Trennelement kann eine Membran, ein Kolben oder eine Deckplatte oder sonstige Abdeckung Verwendung finden. Weiterhin kann in das Trennelement eine Dichtung integriert sein und dieses eine fluidische Abdichtung ermöglichen. Das Trennelement kann, wie beschrieben, zwischen mehreren Fluiddruckkammern, bzw. Fluidräumen, als auch zwischen einer Fluiddruckkammer, bzw. einem Fluidraum und einem anderen Raum, bspw. der Umgebung eingesetzt werden. Vorteilhaft ist das Trennelement veränderlich ausgestaltet, wobei die Membran als flexibel und der Kolben oder die Abdeckung als beweglich ausgestaltet sein können.
In vorteilhafter Weise verbindet der Aktor ein Trennelement und eine innere Fläche eines Gehäuses. Hierdurch kann ein Kraftfluss zwischen den beiden Komponenten ermöglicht werden. Darunter wird verstanden, dass der Aktor bei einer Aktivierung sich auf einer Komponente, bspw. dem Gehäuse, abstützen kann und darüber mittels der durch die Aktivierung erzeugte Kraft auf die zweite Komponente, bspw. das Trennelement, einwirken kann. Bei einer Bestromung, bzw. Ladung eines Aktors ziehen sich die Elektrodenschichten zusammen. Hierdurch verkürzt sich die Länge des Aktors. Bei einer Verbindung des Aktors mit einem veränderlichen Trennelement ergibt sich eine Einwirkung des Aktors auf das Trennelement. Die Einwirkung kann als Aktuierung eines Kolbens oder einer Membran ausgebildet sein. Durch das Zusammenziehen des Aktors bei Bestromung, bzw. Ladung verringert sich beispielsweise die Länge eines Stapelaktors. Hierdurch kann das Trennelement durch die Längenreduktion des Aktors eine Kraft in entsprechender Richtung erfahren. Die Bestromung eines Stapelaktors in einer Fluiddruckkammer führt in dieser Ausgestaltungsalternative ebenfalls zu einer Höhenänderung dieser Fluiddruckkammer und auch des Fluidraums. Bei gleicher Querschnittfläche der Arbeitskammer ergibt sich dadurch eine Volumenänderung der Fluiddruckkammer und des Fluidraums. Eine Veränderung des Volumens eines Fluidraums kann daher mittels einer Veränderung einer Höhe des Fluidraums mittels einer Einwirkung des Aktors auf das Trennelement bewirkt werden.
Durch die geometrische Änderung des Aktors ergibt sich ein weiterer wirkender Effekt auf die Veränderung des Volumens des Fluidraums. Durch die Inkompressibilität des Polymers ergibt sich bei einer Bestromung und Kontraktion des Aktors in seiner Länge ebenfalls eine Vergrößerung der Querschnittfläche, die sich beispielsweise bei einem zylindrischen Stapelaktor in einer Vergrößerung des Aktordurchmessers darstellt. Durch die Vergrößerung des Durchmessers des in der Fluiddruckkammer positionierten Aktors, verringert sich das Volumen des verbleibenden Fluidraums entsprechend. Hierdurch wird das Fluid, welches sich im Fluidraum befindet, verdrängt.
Die beiden Effekte, der der Längenänderung des Aktors sowie die Veränderung der Querschnittfläche des Aktors bewirken damit über die Veränderung der Höhe des Fluidraums, sowie des Querschnittfläche des Fluidraums vorteilhaft eine Volumenveränderung des Fluidraums. Diese Effekte treten parallel auf und wirken additiv und verstärkend.
In einer alternativen Ausführung ergibt sich durch eine Bestromung, bzw. Ladung des Aktors ebenfalls ein Zusammenziehen der Elektrodenschichten bei einem Rollenaktor. Aufgrund des Aufbaus des Rollenaktors führt dies allerdings zu einer Reduzierung des Durchmessers des Aktors. Aufgrund der Inkompressibilität des Polymers ergibt sich dabei erneut eine Flächendehnung, die sich allerdings als Vergrößerung der Aktorlänge des Rollenaktors darstellt. Bei einer Positionierung eines Rollenaktors in einem Fluidraum, wird ebenfalls durch die Effekte der geometrischen Änderung des Aktors, sowie die Einwirkung des Aktors auf das Trennelement eine Volumenveränderung des Fluidraums bewirkt. Die Einwirkung der Effekte ist dabei entsprechend variiert. Eine Bestromung, bzw. Ladung des Rollenaktors führt zu einer Reduzierung des Aktordurchmessers sowie einer Vergrößerung der Aktorlänge. Damit führt die Bestromung eines Rollenaktors in einer Fluiddruckkammer zu einer Volumenvergrößerung dieses Fluidraumes.
Der Fluidraum wird, wie bereits beschrieben, als verbleibender Raum der Fluiddruckkammer und des eingefügten Aktors definiert. Der sich dadurch ergebende Fluidraum kann hinsichtlich Form und Volumen von dem eingefügten Aktor abhängig sein. Bspw. kann durch die Art, Form oder Positionierung des Aktors eine Form und Aufteilung des verbleibenden Fluidraums bestimmt werden. Die Form des Aktor kann insbesondere als geschlossener Körper, bspw. als zylindrischer Stapelaktor, oder als ein Körper mit wenigstens einer Öffnung, bspw. als hohlzylindrischer Stapelaktor ausgestaltet sein.. Hierdurch kann sich die Ausgestaltung des Fluidraums als ein Fluidraum innerhalb eines Aktors, bspw. als ein zylindrischer Fluidraum innerhalb eines hohlzylindrischen Aktors, als ein Fluidraum außerhalb eines Aktors, bspw. als hohlzylindrischer Fluidraum außerhalb eines zylindrischen Aktors, oder aus mehreren Fluidräumen zusammensetzen, insbesondere einem zylindrischen Fluidraum innerhalb und einen hohlzylindrischen Fluidraum außerhalb eines hohlzylindrischen Aktors, welcher seitlich freistehend in der Fluiddruckkammer positioniert ist. Alternativ kann der Aktor auch aus mehreren Aktoren bestehen
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Arbeitskammer im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet sein. Neben der Fluiddruckkammer und dem Trennelement kann insbesondere auch der Aktor einen runden und im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt besitzen. Alternativ können auch rechteckige und polygonale Querschnitte der genannten Komponenten von Vorteil sein. Insbesondere bei der Verwendung mehrerer Aktoren erscheint dies hinsichtlich der Funktionalität, vor allem der Fluidsteuerung, und Bauraumoptimierung vorteilhaft.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung können auch mehrere Aktoren in einer Fluiddruckkammer eingesetzt werden. Diese können in einer Parallel- und/oder Reihenschaltung angeordnet sein. Durch den Einsatz mehrere Aktoren in einer Fluiddruckkammer kann in vorteilhafter Weise der zur Verfügung stehende Bauraum optimal genutzt werden. Ein weiterer Vorteil kann sich durch die Addition mehrere Aktorkräfte eine höheren Gesamt-Aktuierungskraft ergeben.
Vorteilhaft kann der Aktor direkt im Fluid positioniert sein. Durch den Verzicht auf Komponenten für eine Kapselung kann die Teileanzahl und der Montageaufwand reduziert werden. Alternativ kann der Aktor eine Kapselung aufweisen, welche ihm vorteilhaft einen Schutz vor dem Fluid bietet, um bspw. Kurzschlüsse zu vermeiden. In einer alternativen Ausführung kann auch das Fluid in einer separaten, in den Fluidraum eingebrachten und flexiblen Kammer eingebracht sein. Diese Kapselung für das Fluid kann fest mit dem Aktor und/oder dem Trennelement verbunden sein, um eine Änderung, bspw. hinsichtlich ihrer Geometrie oder Position, des Aktors und/oder des Trennelements auf das Fluid zu übertragen.
Eine Rückstellung des Aktors kann durch eine Reduzierung der Bestromung, bzw. durch eine Entladung durchgeführt werden. Aufgrund der elastischen Rückstellkraft des verformten Polymers kann eine Wiederherstellung der ursprünglichen Aktorform im Wesentlichen erreicht werden.
In einer vorteilhaften Ausführung kann ein zweiter Aktor in einer zweiten, dem Kolben gegenüberliegenden Fluiddruckkammer eine Rückstellung des ersten Aktors sowie eine Einstellung des ursprünglichen Volumen des ersten Fluidraums bewirken. Alternativ kann selbstverständlich auch der Aktor einer ersten Fluiddruckkammer, das ursprüngliche Volumen des ersten Fluidraums wieder einstellen, welches durch einen zweiten Aktor in einer zweiten Fluiddruckkammer verändert worden ist. Das Trennelement kann damit von mehreren Seiten von Aktoren aktuiert werden, wobei diese gegenphasig aktiviert werden können.
Alternativ oder ergänzend ist gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Rückstelleinrichtung ein elastisches Element. Als elastische Elemente eignen sich Federelemente, bspw. Schraubenfedern, Tellerfeder. Das elastische Element dient somit zur Rückstellung des Aktors und/oder des Trennelements und weist vorzugsweise eine stark progressive Kennlinie auf. Während der Bewegung des Trennelements wird dabei das elastische Element vorgespannt, so dass es nach einem Abschalten des auslenkenden Aktors das Trennelement und den damit verbundenen Aktor wieder in dessen Ausgangspositionen zurückstellt. Hierbei können auch mehrere einzelne elastische Elemente, bspw. Federelemente, zusammengefügt werden, um ein elastisches Gesamtsystem darzustellen und die notwendige Rückstellkraft aufzubringen.
Neben einer Parallel- und auch Reihenschaltung von Aktoren können Aktoren auch vorteilhaft im Spieler-Gegenspieler Prinzip angeordnet sein. Hierbei kann vorteilhaft eine Verteilung der beiden Aktoren als Spieler und Gegenspieler auf verschiedene Fluidräume der Druckerzeugungsvorrichtung, insbesondere einer Pumpe, erfolgen. Beim Spieler-Gegenspieler Prinzip können beispielsweise Rollenaktoren eingesetzt werden. Vorzugsweise können grundlegend ähnliche Aktoren zum Einsatz kommen. In diesem Fall werden die Aktoren in einem definierten Zustand, bspw. einer mittleren Kolbenstellung, mit gleicher elektrischer Spannung versorgt, damit die Zugkräfte der beiden Aktoren ein Gleichgewicht bilden. Um eine Aktuierung des Kolbens in eine Richtung zu ermöglichen, wird die Spannung an einem Aktor erhöht, wodurch ein Zusammenziehen der Schichten bzgl. des Schichtabstands und damit eine Längenänderung des Rollenaktors ermöglicht wird und eine Druckkraft in diese Richtung entsteht. Die Spannung am anderen Aktor wird gleichzeitig reduziert, wodurch ein Ausdehnen der Schichten bzgl. des Schichtabstands und damit eine Längenreduzierung des Rollenaktors ermöglicht wird, wodurch eine Zugkraft in entsprechende Richtung entsteht. Beide Kräfte bewirken auch in ihrem Zusammenspiel eine resultierende Kraft, welche auf den Kolben wirkt und diesen in die entsprechende Richtung auslenkt. Die Verwendung des Spieler-Gegenspieler Prinzips mit mehreren Aktoren kann die Notwendigkeit zum Einsatz einer zusätzlichen Feder, bspw. zur Unterstützung der Rückstellung, vermeiden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Trennelement ein frei beweglicher Kolben, welcher die erste Fluiddruckkammer von der zweiten Fluiddruckkammer trennt. Eine Seite des Kolbens bildet dabei einen Wandbereich der ersten Fluiddruckkammer und eine entgegengesetzte Seite hierzu bildet einen Wandbereich der zweiten Fluiddruckkammer. Hierdurch kann eine besonders kompakte und einfach aufgebaute Druckerzeugungsvorrichtung bereitgestellt werden. Eine Dichtung ermöglicht eine fluidische Abdichtung der beiden Fluidräume. Um kostengünstige Standardteile und Gleichteile verwenden zu können, kann die Kolbendichtung als Dichtring um den Kolben ausgeführt sein. Alternativ kann diese auch als gehäusefeste Dichtung in der Arbeitskammer ausgeführt sein.
Gemäß einer weiteren Alternative der vorliegenden Erfindung ist das Trennelement vorzugsweise eine Membran, welche die erste Fluiddruckkammer von der zweiten Fluiddruckkammer trennt. Die Membran ist dabei an dem Gehäuse der Arbeitskammer fixiert und stellt durch Verformung bspw. die entsprechende Druckerzeugung oder Pumpenwirkung bereit. Die Membran ist dabei vorzugsweise fluiddicht und elastisch ausgeführt. Die Membran ist des Weiteren mit dem Aktor verbunden, durch welchen diese aktuiert wird. Hierbei kann der Aktor zwischen der Membran und der Bodenfläche und/oder Kopffläche der Arbeitskammer positioniert und mit diesen verbunden sein. Allerdings sind auch vorteilhafte Alternativen möglich, bei denen der Aktor direkt die Membranfläche aktuiert. Der Aktor kann hierbei auf der Membranfläche aufgebracht sein. Alternativ kann der Aktor auch die Membranfläche durchziehen oder die Membranfläche selbst darstellen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wirkt der Aktor in einer Art und Weise auf das Trennelement der Fluiddruckkammern ein, dass das Volumen wenigstens einer Fluiddruckkammer verändert wird. Wie bereits beschrieben, kann das Trennelement beispielsweise als Kolben oder Membran ausgestaltet sein. Ein Aktor aus einem elektroaktiven Polymer erzeugt dabei durch die Bestromung, bzw. Ladung elektrostatische Kräfte zwischen den Schichten des Aktors. Diese Kräfte oder die dadurch verursachte Formänderung des Aktors können zur Aktuierung des Trennelements verwendet werden. Die Aktuierung des Trennelementes kann, wie bereits beschrieben, als Verschiebung des beweglichen Kolbens oder Auslenkung der elastischen Membran ausgeführt werden. Vorteilhaft wirkt der Aktor in einer Art und Weise auf das Trennelement ein, dass das Volumen beider Fluidräume in im Wesentlichen gleichen Maß verändert wird. Hierunter ist zu verstehen, dass die Veränderung des Volumens einer Fluiddruckkammer bei einer Aktuierung des Trennelementes durch einen oder mehrere Aktoren mit einer gleich großen Veränderung des Volumens der anderen Fluiddruckkammer einhergeht. Hierdurch kann vorteilhaft eine gleiche Pumpleistung in beiden sich ergebenden Fluidräumen erzeugt werden. Weiterhin sind die Leistungsaufnahmen und/oder Leistungsabgaben im Wesentlichen gleich.
Wie bereits beschrieben, arbeiten die beiden Aktoren in einer vorteilhaften Ausgestaltung im Gegentaktbetrieb. Die Veränderungen des Volumens der beiden Fluidräume können daher ebenfalls gegenläufig verlaufen. Dies bedeutet, dass während das Volumen eines ersten Fluidraums verkleinert wird, zur gleichen Zeit und/oder im selben Prozessschritt das Volumen eines zweiten Fluidraums vergrößert wird. Während im Anschluss und/oder in einem nächsten Prozessschritt das Volumen des zweiten Fluidraums verkleinert wird, wird wiederum das Volumen des ersten Fluidraums vergrößert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfinderischen Druckerzeugungsvorrichtung ist vorgesehen, dass der Aktor das Trennelement in einer zylindrischen Arbeitskammer aktuiert. Die Kraft des Aktor kann bspw. vorteilhaft eine Bewegung des Kolbens aktuieren. Durch die Einwirkung auf das Trennelement kann der Aktor eine Volumenänderung der Fluiddruckkammer bewirken. Je nach entstehender Kraft bei Bestromung, bzw. Ladung, sowie der Positionierung, bzw. dem Einbau des Aktors kann dieser als Druckaktor oder Zugaktor eingesetzt werden, um auf das Trennelement zu wirken.
In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Aktor das Trennelement in einer Arbeitskammer oder zumindest ein Teil des Trennelements darstellt. Darunter ist zu verstehen, dass der Aktor selbst das Trennelement oder ein Teil davon ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Aktor eine sonstige Volumenänderung in dem Fluidraum vornimmt. In einer weiteren alternativen vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Aktor eine sonstige Volumenänderung in der Arbeitskammer und/oder der Fluiddruckkammer vornimmt. Die Volumenänderung kann durch unterschiedliche Alternativen dargestellt werden. Beispielsweise kann dies durch eine Veränderung einzelner Elemente des zur Speicherung und Förderung des Fluids verwendeten Arbeitskammer (beispielsweise in Form eines Ziehharmonika-artig aufgebauten Arbeitskammer) oder auch eine Kontraktion und/oder Expansion der gesamten Arbeitskammer (beispielsweise in Form einer sich ausdehnenden und zusammenziehenden Oberfläche) oder einzelner Bereiche der Arbeitskammer bewirkt werden. Dadurch könnte vorteilhaft die Teileanzahl reduziert werden, sowie auch auf teure Dichtstrukturen verzichtet werden. Hierbei sei insbesondere auf eine mögliche Geometrieänderung und/oder Volumenänderung des Aktors selbst sowie eine damit verbundene Kraftentwicklung verwiesen. Durch eine Positionierung und Verbindung des Aktors kann eine derartig gestaltete Kraft oder Formänderung ausgehend von dem Aktor auf den Fluidraum übertragen werden.
Der Aktor der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung mittels eines elektrischen Stroms oder einer elektrischen Spannung gesteuert werden. Hierzu wird an eine Steuereinheit eine entsprechende Spannung ausgewählt und eingestellt. Diese Spannung wird über die Kontaktierung des Aktors an diesen weitergegeben. Auf diese Weise kann mittels der Steuereinheit eine Aktivierung des Aktors eingestellt werden. Hierbei kann auch die Stärke der Bestromung verändert und damit eine veränderliche Aktuierung des Ankers erreicht werden. Beispielsweise kann eine geringe Spannung eine kleine Auslenkung erzielen, während eine hohe Spannung eine größere Auslenkung des Aktors bewirkt. Dabei kann eine kontinuierliche und stufenlose Aktuierung des Aktors und damit Volumenänderung des Fluidraums erzielt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Einwirkung des Aktors auf das Volumen des Fluidraums mittels der Steuereinheit des Aktors weiterhin in Frequenz und/oder Volumen der bewirkten Volumenänderung steuerbar gestaltet werden. Vorzugsweise ist weiterhin eine Steuereinheit der Druckerzeugungsvorrichtung in eine Steuereinheit für eine Bremsanlage eines Fahrzeugs, wie z. B. eine ABS- bzw. ESP-Regelungseinheit, integriert. Dadurch muss keine separate eigene Steuereinheit für die Druckerzeugungsvorrichtung vorgesehen werden.
Weiter bevorzugt umfasst die Druckerzeugungsvorrichtung mit zwei Fluiddruckkammern ein erstes, ein zweites, ein drittes und ein viertes Rückschlagventil. Die Rückschlagventile können vorteilhaft als Einwegventile ausgeführt werden. Diese Ventile stellen jeweils eine Verbindung der Zulaufleitungen sowie dem Fluideingang in die Arbeitskammer, bzw. in den jeweiligen Fluidraum, dar sowie eine Verbindung des Fluidausgangs aus der Arbeitskammer, bzw. aus dem jeweiligen Fluidraum, und den Ablaufleitungen für das Fluid. Das erste und zweite Rückschlagventil sind dabei mit dem ersten Fluidraum verbunden, wobei das erste Rückschlagventil in einer ersten Zulaufleitung zum ersten Fluidraum und das zweite Rückschlagventil in einer ersten Ablaufleitung von dem ersten Fluidraum angeordnet ist. Das dritte Rückschlagventil ist in einer zweiten Zulaufleitung zu dem zweiten Fluidraum angeordnet und das vierte Rückschlagventil ist in einer zweiten Ablaufleitung von dem zweiten Fluidraum angeordnet. Durch die Verwendung der Rückschlagventile kann insbesondere bei einer Abstimmung mit der Regelung der Druckerzeugungsvorrichtung ein definierter Volumenstrom erzeugt werden. Weiterhin kann die erste und zweite Zulaufleitung, bzw. Ablaufleitung, auch als eine gemeinsamen Zulaufleitung, bzw. Ablaufleitung ausgebildet sein.
In einer weitergebildeten, vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Druckerzeugungsvorrichtung kann die Steuereinheit des Aktors ausgebildet sein, eine Stellung und/oder eine Bewegung und/oder einen sonstigen Zustand eines mit dem Aktor verbundenen Elements zu erfassen und/oder zu ermittelt. Beispielsweise kann dadurch das Fluidvolumen sowie eine Fluidvolumenänderung des Fluidraums ermittelt werden. Die Umsetzung einer solchen Sensorfunktion kann entweder durch ein dem normalen Ansteuersignal überlagertes hochfrequentes Signal erfolgen oder durch eine Messung der Kapazitätsänderung. Hierdurch können vorteilhaft bisher notwendige Sensoren, wie beispielsweise Wegsensoren, eingespart werden.
Neben der Verwendung des Aktors aus elektroaktiven Polymeren zur Aktuierung bspw. einer Kolbenbewegung oder Erzeugung einer sonstigen Kraft, kann dieser auch als Sensor, beispielsweise zur Messung und/oder Ermittlung einer Weglängenveränderung, sowie als Generator oder Energiespeicher verwendet werden. Hierbei kann ein Aktor aus elektroaktiven Polymeren auch mehrere Funktionen darstellen. Alternativ ist möglich, dass mehrere Elemente als Sensoren und Aktoren eingesetzt werden.
In einer Weiterbildung, ist die erfindungsgemäße Druckerzeugungsvorrichtung als Druckerzeugungsvorrichtung für eine Bremsanlage eines Fahrzeugs ausgestaltet, wobei die Bremsanlage insbesondere Bremsregeleinrichtungen, wie z. B. eine elektronische Stabilitätskontrolle oder ein Antiblockiersystem, umfasst. Die Druckerzeugungsvorrichtung kann dabei in einer Ausgestaltungsalternative als Druckerzeuger für den notwendigen Bremsdruck und/oder als Pumpvorrichtung zum Abpumpen eines Bremsfluides, beispielsweise aus einem Zwischenspeicher, ausgestaltet sein.
Ausführungsbeispiele (Zeichnungen / Beschreibung):
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne dass dabei eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
1 eine Schnittdarstellung einer Druckerzeugungsvorrichtung mit Aktoren sowie einem Kolben in einer mittigen Position
2 eine Schnittdarstellung einer Druckerzeugungsvorrichtung mit Aktoren sowie einem Kolben in einer ausgelenkten Position
3 eine Schnittdarstellung einer Druckerzeugungsvorrichtung mit Aktoren sowie einer Membran in einer mittigen sowie ausgelenkten Position
4 eine Schnittdarstellung durch ein zylindrisches Gehäuse mit Darstellung der Fließrichtung des Fluides
5 eine Schnittdarstellung einer Druckerzeugungsvorrichtung mit einer Fluiddruckkammer sowie mit einem zylindrischen Aktor und einem Kolben in einer ersten und einer zweiten Position
6 eine Schnittdarstellung einer Druckerzeugungsvorrichtung mit einer Fluiddruckkammer sowie mit einem hohlzylindrischen Aktor und einem Kolben in einer ersten und einer zweiten Position
7 eine Schnittdarstellung einer Druckerzeugungsvorrichtung mit einem hohlzylindrischen Aktor und einem innenliegenden, gekapselten Fluidraum und einer Deckplatte in einer ersten und einer zweiten Position
Die 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Druckerzeugungsvorrichtung 101 mit zwei Aktoren 108a, 108b sowie einem als Kolben 104 ausgebildeten Trennelement in einer mittigen Position. Die Druckerzeugungsvorrichtung 101 weist dabei ein Gehäuse 102 auf, in welchem eine Arbeitskammer 103 als Hohlraum ausgebildet ist. Weiterhin ist die Arbeitskammer im Wesentlichen geschlossen. Eine verschließbare Öffnung zur Aufnahme des Trennelement, der Aktoren 108a, 108b und weiterer Komponenten ist vorgesehen, allerdings nicht dargestellt. Der Querschnitt des Gehäuses 102 und der Arbeitskammer 103 ist kreisrund ausgebildet. Das Gehäuse 102 sowie die Arbeitskammer 103 und die Fluiddruckkammer 106a, 106b und die Aktoren 108a, 108b sind daher zylindrisch.
Die Arbeitskammer 103 ist durch den Kolben 104 in zwei Fluiddruckkammern 106a, 106b unterteilt. Alternativ wäre auch beispielsweise eine flexible Membran als Trennelement möglich, wie dies in 3 dargestellt und beschrieben ist. Der Kolben 104 ist beweglich in der Arbeitskammer 103 gelagert. Bei der dargestellten mittigen Positionierung kann der Kolben 104 entsprechend seinem Bewegungsrichtungspotential 117 je nach Aktivierung der Aktoren 108a, 108b nach oben oder nach unten bewegt werden.
Die Druckerzeugungsvorrichtung 101 weist in der dargestellten Ausführung weiterhin zwei Aktoren 108a, 108b aus elektroaktiven Polymeren auf. Diese sind als Stapelaktoren ausgebildet. Die Aktoren 108a, 108b weisen eine elektrische Kontaktierung auf und sind über Strom- bzw. Steuersignalleitungen 110 mit einer Steuereinheit 109 verbunden. Die Aktoren 108a, 108b sind jeweils in der jeweiligen Fluiddruckkammer 106a, 106b positioniert. Die dargestellten Stapelaktoren 108a, 108b werden dabei in einem mechanisch vorgespannten Zustand zwischen dem Kolben 104 und der Bodenfläche 118, bzw. der Kopffläche 119 der Arbeitskammer 103 eingebaut und mit den Komponenten verbunden.
Der verbleibende Hohlraum der Fluiddruckkammer 106a, 106b mit dem eingefügten Aktor 108a, 108b definiert einen Fluidraum 120a, 120b. Der Fluidraum 120a, 120b ist in 1 in vertikaler Richtung durch den Kolben 105 und die Bodenfläche 118, bzw. Kopffläche 119 sowie in horizontaler Richtung durch den Aktor 108a, 108b und die Seiteninnenfläche 121 des Gehäuses 102 begrenzt und hohlzylindrisch ausgestaltet. Im Betrieb ist der Fluidraum 120a, 120b mit einem Fluid 107 gefüllt. Daher ist eine Fluiddichtung 105 am Kolben 104 vorhanden, um eine Flüssigkeitsabdichtung zwischen den beiden Fluidräumen 120a, 120b zu ermöglichen.
Die 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung für eine Druckerzeugungsvorrichtung 101 mit zwei Aktoren 108a, 108b sowie einem als Kolben 104 ausgeführten Trennelement in einer ausgelenkten Position. Grundsätzlich wird auf die vorstehenden Ausführungen zu der Ausführungsform in 1 verwiesen. Nachstehend wird lediglich auf die Unterschiede eingegangen. Der Hauptunterschied liegt darin, dass der Kolben 104 nicht in einer mittigen, sondern in einer ausgelenkten Position dargestellt ist. Hierbei kann ein beispielhafter Bewegungsablauf beschrieben werden.
Beide Aktoren 108a, 108b sind weiterhin als Stapelaktoren ausgebildet. Die Aktoren 108a, 108b arbeiten im Gegentaktbetrieb. Man spricht hier auch von einem Spieler-Gegenspieler Prinzip. Bei der Bestromung, bzw. Ladung eines Aktors, bspw. der untere Aktor 108b in 2, kontrahiert dieser in Vertikalrichtung und verringert seine Höhe. Aufgrund der annähernden Inkompressibilität von Polymeren erfolgt dadurch eine Flächendehnung der Aktorschichten. Dies zeigt sich durch eine Vergrößerung der Querschnittsfläche des Aktors in horizontaler Richtung, bzw. durch eine Vergrößerung des Durchmessers des Aktors 108b. Gleichzeitig wird der andere Aktor, bspw. der obere Aktor 108a in 2, geringer bestromt, bzw. nicht mehr bestromt und entladen. Hierbei ergibt sich eine geringere elektrostatische Anziehung der Elektroden des Aktors 108a. Weiterhin wirkt eine elastischen Rückstellkraft dieses Aktors 108a. Die Kraft beider Aktoren 108a, 108b, führt zu einer resultierenden Kraft, welche am Kolben 104 anliegt. Diese wirkt im dargestellten Beispiel in 2 nach unten und führt zu einer Bewegung des Kolbens 104 in der Bewegungsrichtung 201 nach unten.
Die Kolbenbewegung und die Durchmesser-Zunahme des Aktors 108b verringern das Volumen des unteren Fluidraum 120b, so dass das Fluid 107 aus dem Fluidraum 120b durch das Ventil 114b in die Ablaufleitung 116b verdrängt wird. Durch die Bewegung des Kolbens 104 nach unten, sowie der Reduzierung des Durchmessers des oberen Aktors 108a entsteht im Fluidraum 120a durch dessen Volumenvergrößerung ein Niederdruck. Infolge des entstehenden Niederdrucks strömt das Fluid 107 z.B. einer Bremsflüssigkeit über die Zulaufleitung 115a durch das Einwegventil 113a in die Arbeitskammer 103, d.h. in den Fluidraum 120a nach.
Im nicht dargestellten Gegentakt wird der obere Aktor 108a geladen und dadurch in Vertikalrichtung kontrahiert, gleichzeitig dazu wird der untere Aktor 108b entladen. Durch die elastischen Rückstellkraft des unteren Aktors 108b sowie die Kontraktionskraft des oberen Aktors 108a wird der Kolben 104 nach oben gedrückt. Beide Kräfte wirken hierbei additiv und nach oben. Bedingt durch die Kolbenbewegung und Durchmesser-Zunahme des oberen Aktors 108a verringert sich der obere Fluidraum 120a, wodurch das Fluid 107 aus dem oberen Fluidraum 120a durch das Einwegventil 114a in die Ablaufleitung 116a verdrängt wird. Gleichzeitig dazu nimmt der Durchmesser des unteren Aktors 108b ab. Durch diese Geometrieänderung sowie die Bewegung des Kolbens 104 nach oben wird der unter Fluidraum 120b größer. Aufgrund des durch die Volumenzunahme verursachten Niederdrucks im unteren Fluidraum 120b strömt das Fluid 107 über die Zulaufleitung 115b durch das Einwegventil 113b in den unteren Fluidraum 120b nach.
Die 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung für eine Druckerzeugungsvorrichtung 101 mit zwei Aktoren 108a, 108b sowie einem als Membran 301, 302 ausgeführten Trennelement in einer mittigen sowie einer ausgelenkten Position. Grundsätzlich wird auf die vorstehenden Ausführungen zu der Ausführungsform in 1 und 2 verwiesen. Nachstehend wird lediglich auf die Unterschiede eingegangen. Der Hauptunterschied liegt darin, dass das Trennelement nicht als ein geführter Kolben 104 ausgeführt ist, sondern als eine Membran 301, 302.
Das beschriebene Konzept der Druckerzeugungsvorrichtung kann auch mittels anderer Ausführungsformen des Trennelements der beiden Fluiddruckkammern 106a, 106b ausgeführt werden. 3 zeigt hierzu eine Umsetzungsmöglichkeit mittels einer elastischen Membran 301. Die Membran 301 ist in einer mittigen Position dabei im Wesentlichen parallel zur Bodenfläche 118 sowie Kopffläche 119 der Arbeitskammer 103 ausgerichtet. Die Membran 301 ist in der Mitte der Arbeitskammer 103 positioniert und fluiddicht mit dieser verbunden. Die Membran 301 teilt die Arbeitskammer 103 dabei in im Wesentlichen gleichgroße Fluiddruckkammern 106a, 106b. Die Eingangsventile 113a, bzw. 113b und die Ausgangsventil 114a, bzw. 114b sind jeweils in einem Fluidraum 120a, bzw. 120b angeordnet.
3 zeigt eine nicht ausgelenkte Mittelstellung der Membran mittels einer durchgezogenen Linie bei der Darstellung der Membran 301. Aus Sicht einer Fluiddruckkammer (beispielsweise 106a) kann die Membran auch in diese Kammer hinein gewölbt (konkav) oder aus dieser Kammer heraus gewölbt (konvex) sein sowie in unterschiedlichen Zwischenstufen vorliegen. Je nach geschaltetem Zustand kann dadurch eine Volumenverringerung oder eine Volumenvergrößerung der jeweiligen Fluiddruckkammer 106a, 106b im Vergleich zur mittigen Ausrichtung erzielt werden. In 3 ist hierzu beispielhaft eine ausgelenkte Membranposition 302 mittels einer gestrichelten Linie gezeigt. Aufgrund der neben der Membranauslenkung wirkenden Querschnittflächenzunahme des Aktors 108a bei der gestrichelt dargestellten Kontraktion ergibt sich eine weitere Volumenreduktion in dem Fluidraum 120a.
Die Membran 301 kann als eine Fläche aufgespannt sein und durch eine flächige Krafteinleitung der Aktoren 108 aktuiert werden. Zu einer Fixierung der Position der Aktoren 108 an der Membran 301 kann eine mittige Fixierung, bspw. mittels einer Verklebung umgesetzt sein. Hierdurch ist eine freie Veränderung der flächigen Ausdehnung der Aktoren 108 gewährleistet. Alternativ kann die Membran 301 auch seitlich an einem Distanzelement zwischen den beiden Aktoren 108, oder direkt an den beiden Aktoren 108, bspw. an der Grenze zwischen beiden Aktoren 108 angefügt sein. Ebenfalls bestehen vielfältige Möglichkeiten zur Befestigung der Membran 301 am Gehäuse 102. Bspw. kann die Membran 301 ebenfalls dort mittels einer Fixierung, bspw. einer Verklebung befestigt sein. Alternativ kann auch das Gehäuse 102 geteilt sein und an dessen Teilung die Membran 301 befestigt, bspw. verklemmt sein.
Die 4 zeigt eine Querschnittdarstellung durch ein zylindrisches Gehäuse 102 mit einer Visualisierung der Fließrichtung 401 des Fluids 107. Grundsätzlich wird auf die vorstehenden Ausführungen zu den vorherigen Figuren verwiesen. Während die bisherigen Figuren einen Längsschnitt durch die Arbeitskammer darstellen, zeigt 4 einen Querschnitt durch das Gehäuse 102 mit einem Fluideingang 111 sowie einem Fluidausgang 112.
Der dargestellte Querschnitt zeigt einen zylindrischen Aktor 108 in einer mittigen Ausdehnung. Dieser ist als Stapelaktor ausgebildet. Bei einer weiteren Bestromung, bzw. Ladung des Aktors 108 ziehen sich die Elektrodenschichten weiter zusammen. Durch die Inkompressibilität des Polymers ergibt sich dabei eine Flächendehnung und damit eine Änderung der Querschnittfläche, die sich im dargestellten zylindrischen Aktor 108 in einer Vergrößerung des Aktordurchmessers 402 darstellt. Durch die Vergrößerung des Durchmessers 402 verringert sich das Volumen des Fluidraums 120 entsprechend. Hierdurch wird das Fluid 107, welches sich im Fluidraum 120 befindet, verdrängt.
Einen weiteren wirkenden Effekt auf die Veränderung des Volumens des Fluidraums 120 bildet die Aktuierung des Kolbens 104 oder der Membran 301 durch das Zusammenziehen des Aktors 108 bei Bestromung, bzw. Ladung, wodurch eine weitere Volumenveränderung in den Fluidräumen 106 erreicht werden kann. Dieser Effekt ist in den 1 bis 3 dargestellt. Beide Effekte wirken additiv und verstärkend.
Die in 4 dargestellte Fließrichtung 401 des Fluides 7 wird insbesondere unter Berücksichtigung der bisherigen Ausführungen zu bpsw. 1 deutlich: Die Fluideingänge 111a, 111b sowie die Fluidausgänge 112a, 11b der Fluiddruckkammern 106a, 106b werden mittels den Eingangsventilen 113a, 113b sowie den Ausgangsventilen 114a, 114b abgeschlossen. Durch das in 1 dargestellte Einwegventil 113a, 113b des Fluideingangs 111a, 111b wird ein Rückdrängen des Fluides 107 bei einer Vergrößerung des Aktordurchmessers 402 unterbunden. Durch das in 1 dargestellte Einwegventil 114a, 114b des Fluidausgangs 112a, 112b wird ein Herausdrängen des Fluides 107 aus dem Fluidraum 120 bzw. der Fluiddruckkammer 106 in der skizzierten Fließrichtung 401 ermöglicht. Durch eine Reduktion des Aktordurchmessers 402 wird ein Unterdruck in dem abgeschlossenen Fluidraum 120 erzeugt, wodurch das Fluid 107 über das bspw. in 1 dargestellte Einwegventil 113a, 113b und den Fluideingang 111a, 111b angesaugt wird. Ein Ansaugen von bereits aus dem Fluidraum 120, bzw. der Fluiddruckkammer 106 heraus geförderten Fluid 107 wird durch das in 1 dargestellte Einwegventil 114a, 114b des Fluidausgangs 112a, 112b unterbunden.
5 zeigt eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung für eine Druckerzeugungsvorrichtung 101 mit einer Fluiddruckkammer 106 sowie mit einem zylindrischen Aktor 108 und einem Kolben 501 als Trennelement in einer ersten und einer zweiten Position. Grundsätzlich wird auf die vorstehenden Ausführungen zu den vorherigen Figuren verwiesen. Ein wesentlicher Unterschied ist, dass die Arbeitskammer 103 nur eine Fluiddruckkammer 106 aufweist und das als Kolben 501 ausgebildete Trennelement nicht zwei Fluiddruckkammern 106 untereinander abtrennt, sondern eine Fluiddruckkammer 106 nach außen abdichtet.
Die 5 zeigt einen Kolben 501 in einer ersten Position mit durchgezogenen Linien sowie eine gestrichelte Darstellung denselben Kolben als Kolben 502 in einer zweiten Position. Die erste Position entspricht einer geringen Bestromung des dargestellten zylindrischen Stapelaktors 108. Die zweite Position entspricht einer höheren Bestromung des Aktors 108. Hierdurch ergibt sich eine Kontraktion und Längenänderung des Aktors 108, durch welche der Kolben 502 entlang der Bewegungsrichtung 201 nach unten geführt wird. Hierdurch wird das Volumen der Fluiddruckkammer 106 reduziert. Gleichzeitig ergibt sich eine Vergrößerung der Querschnittfläche des Aktors 108. Beide Effekte führen zu einer Volumenreduktion des Fluidraums 120. Eine Rückstellung kann über eine Verringerung der Bestromung, bzw. Entladung, und die inneren Rückstellkräfte des verformten Aktors aus elektroaktiven Polymeren erfolgen. Der Aktor 108 ist weiterhin über eine Verbindung 504, bspw. eine Verklebung, mit den beiden Komponenten Kolben 501 sowie über die Bodenfläche 118 der Arbeitskammer 103 mit dem Gehäuse 102 verbunden. Die Verbindung 504 kann flächig oder auch punktuell, bspw. an der Mittelachse 506 des Aktors 108, bzw. der Druckerzeugungsvorrichtung 101 ausgeführt sein.
Weiterhin, wenn auch nicht dargestellt, kann ein elastisches Element, bspw. ein Federelement die Rückstellung unterstützen. Diese kann beispielsweise ebenfalls in den Fluidraum 120 zwischen den Kolben 501, 502 und der Bodenfläche 118 der Arbeitskammer 103 eingebaut werden. Der Kolben 501, 502 weist eine Dichtung 105 auf, um den sich ergebenden Fluidraum 106 gegen die Umgebung abzudichten. Weiter kann der Kolben 501, 502 einen Fluiddurchgang 505 aufweisen, welche als Anschluss des Fluidraums 120 an eine Hydraulikleitung 503 geeignet ist. Hierbei kann der Fluiddurchgang 505 sowohl als Einlass, als auch als Auslass für ein Fluid 107 fungieren. Ebenfalls, wenn auch nicht dargestellt, sind mehrere Fluiddurchgänge, insbesondere in Verbindung mit Ventilen zur Regelung des Fluideingangs, bzw. Fluidausgangs möglich.
6 zeigt eine Schnittdarstellung einer Druckerzeugungsvorrichtung 101 mit einer Fluiddruckkammer 106 sowie mit einem hohlzylindrischen Aktor 108 und einem als Kolben 501, 502 ausgebildeten Trennelement in einer ersten und einer zweiten Position. Grundsätzlich wird auf die vorstehenden Ausführungen zu der Ausführungsform insbesondere in 5 verwiesen. Ein wesentlicher Unterschied ist, dass ein hohlzylindrischer Stapelaktor 108 aus elektroaktiven Polymeren dargestellt ist. Durch die Integration eines hohlzylindrischen Aktors 108 in die Fluiddruckkammer 106 ergibt sich ein Fluidraum 120 in der mittleren Öffnung des hohlzylindrischen Aktors 108, sowie ein Fluidraum 120 zwischen der Außenseite des Aktors 108 und der Seiteninnenseite 121 des Gehäuses 102.
Bei einer Bestromung des Aktors 108 ergibt sich erneut eine Kontraktion und Längenänderung. Aufgrund der Verbindung 504 des Aktors 108 mit dem Gehäuse 102 und dem Kolben 501 wird der Kolben 501 ebenfalls nach unten geführt, wodurch sich eine Reduzierung des Volumens der Fluiddruckkammer 106 ergibt. Durch die Aktivierung des Aktors 108 und die daraus resultierende Kontraktion ergibt sich desweiteren eine Vergrößerung der Querschnittfläche des Aktors 108. In der in 6 dargestellten freie Positionierung des Aktors 108 innerhalb der Fluiddruckkammer 106 wird eine Vergrößerung der Querschnittfläche in keine Richtung behindert. Folglich ergibt sich sowohl eine Vergrößerung des Außendurchmessers als auch eine Verringerung des Innendurchmessers des hohlzylindrischen Aktors 108.
Die beiden Fluidräume 120 erfahren damit eine Volumenveränderung. Im dargestellten Beispiel in 6 ergibt sich entsprechend der Bewegungsrichtung 201 des Kolbens 501 aus einer ersten Position zu dem gestrichelt dargestellten Kolben 502 in einer zweiten Position eine Volumenverringerung der beiden Fluidräume 120. In 6 ist des Weiteren ein Fluiddurchgang 505 dargestellt, welcher den inneren Fluidraum 120 mit der Hydraulikleitung 503 verbindet. Hierdurch kann entsprechend der Volumenreduktion, bzw. Volumenzunahme des inneren Fluidraums 120 Fluid 107 abgeführt oder zugeführt werden. Alternativ sind auch mehrere hydraulische Verbindungen zwischen mehreren Fluidräumen umsetzbar.
Um eine Abführung von Fluid aus dem äußeren Fluidraum 120 zu ermöglichen ist in 6 mittels einer hydraulische Verbindungsleitung 601 eine hydraulische Verbindung des äußeren mit dem inneren Fluidraums 120 ermöglicht. Alternativ könnte durch den Einsatz mehrerer Fluiddurchgänge 505, insbesondere ein Fluideingang 111 und Fluidausgang 112 je Fluidraum 120, wie beispielsweise in 1 dargestellt, eine direkte Fluidabführung aus allen Fluidräumen 120 ermöglicht werden.
Neben einem hohlzylindrischen Aktors sind auch weitere Ausgestaltungsalternativen, insbesondere mittels mehrere Aktoren, denkbar. Mittels eine entsprechenden Gestaltung und Positionierung mehrerer Aktoren innerhalb der Fluiddruckkammer kann ein durchgehender Fluidraum geschaffen werden, so dass auf hydraulische Verbindungen zwischen verschiedenen Fluidräumen verzichtet werden kann.
7 zeigt eine Schnittdarstellung einer Druckerzeugungsvorrichtung 101 mit einem hohlzylindrischen Aktor 108 und einem innenliegenden, gekapselten Fluidraum 120 und einem als Deckplatte 701, 702 ausgebildeten Trennelement in einer ersten und einer zweiten Position. Grundsätzlich wird auf die vorstehenden Ausführungen zu der Ausführungsform insbesondere in 5 verwiesen. Ein wesentlicher Unterschied ist, dass der Fluidraum 120 ausschließlich innerhalb des hohlzylindrischen Aktors 108 positioniert ist und eine Kapselung mittels einer flexiblen Membran 704, 705 aufweist.
Aufgrund der Gestaltung des Aktors 108 sowie die Positionierung des Fluidraums 120 innerhalb des hohlzylindrischen Aktors 120 kann auf die Verwendung eines Kolbens verzichtet werden. Sowohl die Reduzierung der Höhe des Fluidraums 120, als auch die Änderung der Querschnittfläche des Fluidraums, können durch den Aktor 108 aktuiert werden. Hierfür kann eine Verbindung zwischen der Kapselung, bspw. mittels der Membran 704, 705 und dem Aktor 108 vorgesehen sein. Eine Deckplatte 701 kann als Trennelement eingesetzt werden. Diese kann mittels einer Verbindung 504 mit dem Aktor 108 verbunden sein. Hierdurch kann, wie mittels der gestrichelten Darstellung in 7 verdeutlicht, eine zweite Position der Membran 705 bei einer Aktivierung des Aktors 108 erreicht werden. Die Deckplatte 701, 702 kann weiterhin einen Fluiddurchgang 505 als Verbindung des Fluidraums 120 mit einer Hydraulikleitung 503 beinhalten.
Durch seine Positionierung innerhalb des hohlzylindrischen Aktors 108 weist der sich ergebende Fluidraum 120 eine zylindrische Form auf. Diese Form kann allerdings durch die Verwendung einer fluiddichten Membran bei einer Überführung der Membran 704 aus einer ersten, gestreckten Position zu der gestrichelt dargestellten Membran 705 in einer zweiten, gestauchten Position eine starke Beeinträchtigung auch hinsichtlich der Formgebung erfahren. Durch die Verwendung einer flexiblen Membran kann dieser Effekt reduziert werden. Weiterhin kann durch die Kapselung des Fluides 107 in eine fluiddichten Membran 704, 705 auf eine Abdichtung des Trennelements, wie beispielsweise der Deckplatte 701, bezüglich des Gehäuses 102 verzichtet werden.
Der hohlzylindrische Aktor 108 ist in 7 außenbündig in die Arbeitskammer 103 eingefügt. Hierunter wird verstanden, dass der Außendurchmesser des Aktors 108 im Wesentlichen dem Innendurchmesser der Arbeitskammer 103 entspricht. Bei einer Vergrößerung der Querschnittfläche, bspw. bei einer Aktivierung des Aktors 108, bewirkt die Seiteninnenfläche 121 des Gehäuses 102 eine Behinderung einer Flächenausdehnung des Aktors 108 nach außen. Hierdurch wird die gesamte Erweiterung der Querschnittfläche nach innen gelenkt. Der Außendurchmesser des Aktors 108 bleibt somit konstant, wobei sich der Innendurchmesser des hohlzylindrischen Aktors 108 entsprechend stärker verringert.
Der Aktor 108 ist weiter über eine Verbindung 504, bspw. eine Verklebung, mit einem Bodenelement 703 verbunden. Zwischen dem Bodenelement 703 und dem Gehäuse 102 kann eine weitere Verbindung 706, bspw. eine formschlüssige Verbindung, vorliegen. Das Bodenelement 703 kann beispielsweise als Distanzelement oder Element zum Anpassen einer Kontur oder Form zwischen dem Aktor und dem Gehäuse dienen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007017731 A1 [0001]
US 020040008853 A1 [0002]
JP 002001286162 A [0003, 0003]

Claims

Druckerzeugungsvorrichtung mit wenigstens einer, in einer Arbeitskammer (103) befindlichen Fluiddruckkammer (106) und wenigstens einem Aktor (108) aus einem elektroaktiven Material, welcher in einer Länge und einer Querschnittfläche veränderlich ist, und welcher in der Fluiddruckkammer (106) positioniert ist und einen verbleibenden Fluidraum (120) für ein Fluid (107) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (108) mittels einer kombinierten Änderung der Länge sowie der Querschnittfläche des Aktors (108) eine Volumenänderung des Fluidraums (120) bewirkt.
Druckerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Aktivierungsänderung des Aktors (108) das Volumen des Aktors (108) im Wesentlichen konstant bleibt wobei die Länge des Aktors (108) verkleinert, bzw. vergrößert, wird sowie die Querschnittfläche des Aktors (108) vergrößert, bzw. verkleiner wird.
Druckerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (108) zwischen einem, insbesondere veränderlichem, Trennelement (104, 301, 701) und einer dem Trennelement gegenüberliegenden Fläche (118, 119) der Arbeitskammer (103) positioniert ist.
Druckerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (108) das Trennelement (104, 301, 701) und eine innere Fläche (118, 119, 121) des Gehäuses (102) verbindet und einen Kraftfluss zwischen beiden Komponenten ermöglicht.
Druckerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement als ein Kolben (104) und/oder als eine Membran (301) und/oder Deckplatte (701) ausgebildet ist.
Druckerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement die Arbeitskammer (103) in eine erste Fluiddruckkammer (106a) und eine zweite Fluiddruckkammer (106b) teilt.
Druckerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement von mehreren Seiten von Aktoren (108a, 108b) aktuiert wird, wobei diese gegenphasig aktiviert werden.
Druckerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidraum (120a, 120b) – als wenigstens ein Fluidraum (120a, 120b) innerhalb des Aktors (108a, 108b) ausgestaltet ist und/oder – als wenigstens ein Fluidraum (120a, 120b) außerhalb des Aktors (108a, 108b) ausgestaltet ist und/oder – aus mehreren Fluidräumen (120a, 120b), insbesondere einem Fluidraum (120a, 120b) innerhalb sowie einem Fluidraum (120a, 120b) außerhalb des Aktors (108a, 108b), zusammen gesetzt ist, wobei der Aktor (108a, 108b) – als wenigstens ein geschlossener Körper ausgestaltet ist und/oder – als wenigstens ein Körper mit wenigstens einer Öffnung ausgestaltet ist und/oder – aus mehrere Aktoren zusammengesetzt ist.
Druckerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (108) in einer Art und Weise auf das Trennelement einwirkt, dass das Volumen beider Fluidräume (120a, 120b) in im Wesentlichen gleichem Maße, insbesondere gegenläufig, verändert wird.
Druckerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der Aktor (108) das Trennelement aktuiert und/oder – der Aktor (108) das Trennelement oder zumindest ein Teil davon darstellt und/oder – der Aktor (108) eine sonstige Volumenänderung in der Arbeitskammer (103) und/oder eine sonstige Volumenänderung der Fluiddruckkammer (106) und/oder des Fluidraums (120) bewirkt.
Druckerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung des Aktors (108) mittels einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stroms durch eine Steuereinheit (109) erfolgt, wobei die Steuerung oder Regelung des Aktor (108) bewirkt, dass die Volumenänderung des Fluidraums (120) – kontinuierlich und stufenlos und/oder – variierbar hinsichtlich eines Volumens und/oder – variierbar hinsichtlich einer Frequenz erfolgt.
Druckerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerzeugungsvorrichtung für eine Bremsanlage eines Fahrzeuges ausgestaltet ist, wobei die Bremsanlage insbesondere Bremsregeleinrichtungen, wie z. B. eine elektronische Stabilitätskontrolle oder ein Antiblockiersystem, umfasst.