DE19810921A1 - Elektrorheologischer hydraulischer Mikroaktor - Google Patents

Abstract

Ein hydraulischer Mikroaktor der Größenordnung im Millimeter- und Submillimeterbereich als Teil eines Flüssigkeitskreislaufes, der Kondensatorflächen aufweist, zwischen denen sich eine elektrorheologische (ER) Flüssigkeit befindet, deren Viskosität beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Kondensatorflächen durch die Spannung veränderbar ist. Der Aktor besitzt ein äußeres und koaxial ein zweites inneres Kapillarrohr. Beide Kapillarrohre sind elektrisch leitend, jedoch gegeneinander isoliert und jeweils an einen Pol einer elektrischen Spannungsquelle angeschlossen. Zwischen den Kapillarrohren ist ein axial abgeschlossener Ringkanal für die ER-Flüssigkeit gebildet, wobei in dem inneren Kapillarrohr ein Stopfen angeordnet ist, der den Durchgang im Rohr verschließt. Vor und hinter dem Stopfen sind in der Wand des inneren Rohres Queröffnungen vorhanden, die den Ringkanal mit dem Rohrinnenraum des inneren Rohres unter Überbrücken des Stopfens zur Durchströmung verbinden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydraulischer Mi­ kroaktor der Größenordnung im Millimeter- und Submillime­ terbereich als Teil eines Flüssigkeitskreislaufes.

Elektrorheologische Flüssigkeiten (ER-Flüssigkeiten) und dazu verwandte magnetorheologische Flüssigkeiten (MR-Flüs­ sigkeiten) werden bislang nur in makroskopischen Vorrich­ tungen, wie z. B. Schwingungsdämpfern verwendet. Die Pro­ bleme in der Anwendung des ER-Effektes bestehen vor allem darin, daß im makroskopischen Maßstab einerseits hohe An­ steuerungsspannungen erforderlich sind und andererseits dazu noch ungünstige Eigenschaften bekannter ER-Flüssigkei­ ten vorliegen. Da die erforderlichen Feldstärken zur Erzeu­ gung eines hinreichend großen ER-Effektes bei ca. 10.000 Volt/mm liegen, machen herkömmliche ER-Aktoren mit Abstän­ den von Kondensatorplatten im Millimeterbereich eine auf­ wendige elektrische Ansteuerung für den Hochspannungsbe­ reich (» 10.000 Volt) erforderlich. Bekannte ER-Flüssig­ keiten sind zumeist dispersive Flüssigkeiten mit ungünsti­ gen Sedimentations- und Alterungserscheinungen. Erst seit wenigen Jahren sind auch homogene ER-Flüssigkeiten bekannt, die frei von Sedimentationseffekten sind. Sie zeigen auch in engen Kanälen einen nahezu unveränderten ER-Effekt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Verwendung solcher Flüssig­ keiten einen hydraulischen Mikroaktor zu schaffen, der durch Ausnutzung des ER-Effektes in sich eine Druckregelung ermöglicht.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung die Merkmale vor, die in den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche angeführt sind.

Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den erfindungs­ gemäß ausgebildeten Aktor in Form eines Kondensator kann die Viskosität der durchströmenden Flüssigkeit um mehrere Größenordnungen verändert werden, so daß bei Anwendung in einem fluidischen Kreislauf lokale Druckabfälle gezielt eingestellt werden können. Durch die radialsymmetrische Geometrie wird eine Kompatibilität mit fluidischen Zulei­ tungen erreicht. Je nach Ausführung dieser sind schaltbare Drücke bis 10 bar möglich. Die Schaltzeiten sind prinzipi­ ell durch die Geschwindigkeit der Kettenbildung im elektri­ schen Feld begrenzt. Die bei geringen Plattenabständen er­ forderlichen geringen Steuerspannungen erlauben eine ver­ einfachte Ansteuerelektronik.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden und anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Mikroaktors in einer schematischen Darstel­ lung und

Fig. 2 seine Funktion bei angelegter Spannung,

Fig. 3 ein schematisches Mikroventil aus zwei Mikroak­ toren;

Fig. 4 ein schematisches Positioniersystem aus vier Mi­ kroaktoren,

Fig. 5 einen schematischen Druckverteiler aus acht Mi­ kroaktoren.

In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen hydraulischen ER-Mikroaktors schematisch dargestellt. Er besteht im wesentlichen aus dem äußeren Kapillarrohr 1 bestimmter Länge, in welchem koaxial ein zweites Kapillar­ rohr 2 geringeren Durchmessers mit einem Rohrinnenraum 7 angeordnet ist. Beide Kapillarrohre 1 und 2 sind selbst elektrisch leitend, jedoch mittels elektrisch nichtleiten­ der Isolatoren 3 radial gegeneinander auf Abstand gehalten bzw. voneinander isoliert und weisen Abmessungen im unteren Millimeter- oder im Submillimeterbereich auf. Bei der dar­ gestellten Ausführungsform des Aktors sind zwei ringförmige Isolatoren 3 im Abstand voneinander vorgesehen, so daß zwi­ schen ihnen in dem Ringraum zwischen den Kapillarrohren 1 und 2 ein fluidisch dichter abgeschlossener Ringkanal 4 ge­ bildet wird. Das Kapillarrohr 1 ist dabei ein Rohrstück vorgegebener Länge. Der Ringkanal 4 ist radialsymmetrisch ausgebildet, wobei der Abstand der Kapillarwände voneinan­ der konstant ist und im Mikrometerbereich von typischer­ weise 10-100 µ liegt. In dem inneren Kapillarrohr 2 ist zwischen den Isolatoren 3 ein Stopfen 5 angeordnet, der den Durchgang im Rohr 2 verschließt. Vor und hinter diesem Stopfen 5 sind in der Wand des inneren Rohres 2 jeweils eine oder mehrere Queröffnungen 6 vorhanden, die den Ring­ kanal 4 mit dem Rohrinnenraum 7 des inneren Rohres 2 ver­ binden.

Die durch das Kapillarrohr 2 durchgeleitete ER-Flüssigkeit wird, da der Durchgang im Rohrinnenraum 7 mittels des Stop­ fens 5 gesperrt ist, über die Queröffnungen 6 durch den Ringkanal 4 geleitet und gelangt von dort wieder zurück in das Rohr 2. Dadurch steht die Flüssigkeit im Ringkanal 4 in Kontakt mit den Wandungen beider Rohre 1 und 2. Die Wände des Kanales 4, also die Rohre 1 und 2 bilden somit einen zylindrischen Kondensator mit Plattenabstand im Mikrometer­ bereich zwischen dem die ER-Flüssigkeit durchströmen kann. Durch Anlegen einer geeigneten elektrischen Spannung an die Kondensatorplatten d. h. die Rohrwandungen im Bereich zwi­ schen den Isolatoren 3 wird im Kanal 4 der elektrorheologi­ sche Effekt ausgelöst und die Viskosität der Flüssigkeit in diesem Bereich verändert, z. B. erhöht. Dabei bestimmt die Höhe der Steuerspannung die Viskositätsänderung, die so in­ nerhalb mehrerer Größenordnungen stufenlos eingestellt wer­ den kann. Dieser Vorgang ist in der Fig. 2 schematisch dar­ gestellt. Diese zeigt einen ER-Mikroaktor der vorstehend beschriebenen Art, bei welchem an die Rohre 1 und 2 eine elektrische Spannung 9 angelegt ist. Vom Eingang 10 her wird das Rohr 2 mit einer Eingangsströmung 8 der ER-Flüs­ sigkeit beaufschlagt, die als austretende Strömung 12 durch den Ausgang 11 wieder austritt. Durch die Viskositätserhö­ hung in dem Ringkanal 4 erhöht sich der Strömungswiderstand und entsprechend diesem ist nur noch ein verringerter Teil- bzw. Ausgangsstrom 12 der ER-Flüssigkeit gegeben. In Ver­ bindung mit einer im Flüssigkeitskreislauf anliegenden Druckdifferenz kann so der Druckabfall zwischen Aktorein­ gang 10 und -ausgang 12 verändert werden.

Der erfindungsgemäße hydraulische ER-Mikroaktor ermöglicht dadurch eine besonders günstige elektrische Regelung des Druckabfalles in einem mikrofluidischen Kreislauf bei ge­ ringer Baugröße mit einer geringen Anzahl von Bauteilen ohne bewegliche Elemente. ER-Mikroaktoren mit äußeren Ab­ messungen von minimal 1 mm können noch durch feinwerktech­ nischen Verfahren realisiert werden. ER-Mikroaktoren im Submillimeterbereich können mittels mikrotechnischer Ver­ fahren. Wie z. B. einer Kombination des LIGA-Verfahrens mit einer Opfervolumentechnologie erzeugt werden. Bei den er­ wähnten Abmessungen sind lediglich relativ niedrige Steuer­ spannungen im Bereich von 100 bis 1000 V bei Kanalweiten von 10 bis 100 µm erforderlich und kurze Schaltzeiten von < 10 ms möglich. Mehrere ER-Mikroaktoren sind leicht zu flui­ dischen Mikrosystemen integrierbar.

Einige von diesen sind in den Fig. 3 bis 5 schematisch beispielsweise dargestellt. In der Fig. 3 sind zur Erzeu­ gung eines Mikroventiles 16 zwei ER-Mikroaktoren 13 seriell hintereinander angeordnet. Der selektiv einstellbare Druck vor und hinter der Ventilkammer 14 verursacht eine von der Ansteuerspannung der Steuerung HV abhängige Auslenkung ei­ ner Membran 15, die über der Ventilkammer 14 aufgespannt ist. Dadurch können in der Ventilkammer 14 befindliche Ven­ tilöffnungen geöffnet oder geschlossen werden oder belie­ bige Zwischenpositionen einnehmen. Die Kombination von vier ER-Mikroaktoren 13 in einer fluidischen Brückenschaltung, wie in der Fig. 4. schematisch dargestellt, erlaubt die Realisierung von Positioniersystemen. Durch wechselseitige Ansteuerung der Spannungen U1 bis U4 kann ein mikrofluidi­ scher Kolben 17 wechselweise von der einen oder der anderen Seite angetrieben werden. Auch Zwischenstellungen sind da­ bei möglich. Die Fig. 6 zeigt die Kombination von acht ER-Mikroaktoren 13 zur Realisierung eines fluidischen Druck­ verteilersystemes mit vier Kanälen. Mit den Drücken p1 bis p4 können z. B. hydraulische Handhabungssysteme angesteuert werden.

Es wird somit ein hydraulischer Mikroaktor der Größenord­ nung im Millimeter- und Submillimeterbereich als Teil eines Flüssigkeitskreislaufes beschrieben, der Kondensatorflächen aufweist, zwischen denen sich eine elektrorheologische (ER) Flüssigkeit befindet, deren Viskosität beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Kondensatorflächen durch diese Spannung veränderbar ist und diese Änderung beigegebener Druckdifferenz im Flüssigkeitskreislauf der Erzeugung eines lokalen Druckgefälles im Kreislauf dient. Im wesentlichen besteht der Aktor dabei aus einem äußeren Kapillarrohr 1, in welchem koaxial das zweite Kapillarrohr 2 geringeren Durchmessers angeordnet ist, durch welches die ER-Flüssig­ keit strömt. Dabei sind beide Kapillarrohre 1 und 2 selbst elektrisch leitend, jedoch mittels elektrisch nichtleiten­ der, ringförmiger Isolatoren 3 radial gegeneinander auf Di­ stanz gehalten, somit gegeneinander isoliert und jeweils an einen Pol einer elektrischen Spannungsquelle 9 angeschlos­ sen. Die Isolatoren 3 sind achsial im Abstand zueinander angeordnet, wobei zwischen ihnen in dem Ringraum zwischen den Kapillarrohren 1 und 2 ein achsial abgeschlossener Ringkanal 4 gebildet ist und in dem inneren Kapillarrohr 2 ist zwischen den Isolatoren 3 ein Stopfen 5 angeordnet ist, der den Durchgang im Rohr 2 verschließt. Dabei sind vor und hinter dem Stopfen 5 in der Wand des inneren Rohres 2 je­ weils eine oder mehrere Queröffnungen 6 vorhanden, die den Ringkanal 4 mit dem Rohrinnenraum 7 des inneren Rohres 2 unter Überbrücken des Stopfens 5 verbinden und somit eine Durchströmung des Aktors ermöglichen.

Bezugszeichenliste

1

äußeres Kapillarrohr

2

inneres Kapillarrohr

3

Isolatoren

4

Ringkanal

5

Stopfen

6

Queröffnungen

7

Rohrinnenraum

8

eintretende Strömung

9

elektrische Spannung

10

Eingang

11

Ausgang

12

austretende Strömung

13

Mikroaktoren

14

Ventilkammer

15

Membran

16

Mikroventil

17

Kolben

Claims (3)

1. Hydraulischer Mikroaktor der Größenordnung im Millime­ ter- und Submillimeterbereich als Teil eines Flüssig­ keitskreislaufes, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor Kondensatorflächen aufweist, zwischen de­ nen sich eine elektrorheologische (ER) Flüssigkeit be­ findet, deren Viskosität beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Kondensatorflächen durch diese Spannung veränderbar ist, wobei die Änderung der Viskosität an dieser Stelle in Verbindung mit einer im Flüssigkeits­ kreislauf anliegenden Druckdifferenz zur Erzeugung eines lokalen Druckgefälles in dem Kreislauf dient.

2. Mikroaktor nach Anspruch 1 mit den folgenden Merkmalen:

• a) in einem äußeren Kapillarrohr (1) ist koaxial ein zweites Kapillarrohr (2) geringeren Durchmessers an­ geordnet, durch welches die ER-Flüssigkeit ein- und wieder austritt,
• b) beide Kapillarrohre (1, 2) sind selbst elektrisch leitend, jedoch mittels elektrisch nichtleitender, ringförmiger Isolatoren (3) radial gegeneinander auf Distanz gehalten, somit gegeneinander isoliert und jeweils an einen Pol einer elektrischen Spannungs­ quelle angeschlossen,
• c) die Isolatoren (3) sind achsial im Abstand zueinander angeordnet, wobei zwischen ihnen in dem Ringraum zwi­ schen den Kapillarrohren (1, 2) ein achsial abge­ schlossener Ringkanal (4) gebildet ist, der fluidisch dicht ist,
• d) in dem inneren Kapillarrohr (2) ist zwischen den Iso­ latoren (3) ein Stopfen (5) angeordnet, der den Durchgang im Rohr (2) verschließt,
• e) vor und hinter dem Stopfen (5) sind in der Wand des inneren Rohres (2) jeweils eine oder mehrere Queröff­ nungen (6) vorhanden, die den Ringkanal (4) mit dem Rohrinnenraum (7) des inneren Rohres (2) unter Über­ brücken des Stopfens (5) verbinden.

3. Mikroaktor nach Anspruch 2 mit den folgenden Merkmalen:

• a) der Abstand der Kapillarrohre (1, 2) voneinander bzw. die Höhe des Ringkanales (4) liegt im Mikrometerbe­ reich von 10-100 µm.