DE19816208B4

DE19816208B4 - Steuerventil

Info

Publication number: DE19816208B4
Application number: DE19816208A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Gelbmann
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 1998-04-09
Filing date: 1998-04-09
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2018-04-10
Also published as: US6186176B1; DE19816208A1

Abstract

Steuerventil gekennzeichnet durch wenigstens zwei Vorrichtungen zur Steuerung des Durchflusses eines gasförmigen Mediums durch ein Fluid (1), wobei jede Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
– ein rheologisches Fluid (1), das in einer Einrichtung (3) angeordnet ist,
– Mittel zur Führung des gasförmigen Mediums durch das Fluid, und
– Mittel (2) zum Anlegen eines Feldes wenigstens teilweise im Bereich des rheologischen Fluids,
– wobei jeweils ein Ausgang (4) und ein Eingang (5) für das gasförmige Medium vorgesehen sind,
und wobei der Ausgang (4) der einen Vorrichtung mit dem Eingang (5) der anderen Vorrichtung mittels einer Verbindung verbunden ist und ein Verbraucher (6) an die Verbindung der zwei Vorrichtungen anschließbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerventil.
Rheologische Fluide und insbesondere magnetorheologische und elektrorheologische Fluide, wobei die letzteren auch elektroviskose Flüssigkeiten genannt werden, weisen interessante Eigenschaften auf. Diese interessanten Eigenschaften beinhalten insbesondere, daß bei Anlegen eines Magnetfeldes bei einem magnetorheologischen Fluid und beim Anlegen eines elektrischen Feldes an ein elektrorheologisches Fluid einen Phasenübergang flüssig-fest stattfindet. Hierzu ist ein Magnetfeld in der Größenordnung von ungefähr 1 kG bzw. ein elektrisches Feld in der Größenordnung von 1 kV/mm typischerweise nötig, um ein entsprechendes Fluid bzw. eine entsprechende Suspension festwerden zu lassen. D. h. die Suspension bzw. das Fluid besitzt im Feld eine endliche Fließ-(Plastizitäts-)Grenze, wobei der jeweils auftretende Prozeß reversibel ist und wobei durch Variation der Stärke des äußeren elektrischen bzw. magnetischen Feldes jeweils der Fluiditätsgrad der Suspension bzw. des Fluids gezielt verändert werden kann. Im folgenden wird einheitlich der Begriff Fluid auch für Flüssigkeiten und Suspensionen verwandt.
Ein Vorteil eines elektrorheologischen Fluids ist derjenige, daß diese im wesentlichen Isolatoren sind, so daß die Leistungsaufnahme relativ gering ist. Mit rheologischen Fluiden lassen sich beispielsweise adaptive Stoßdämpfer und Kupplungen für Kraftfahrzeuge konstruieren. Entsprechende Anwendungen werden dadurch ermöglicht, daß der Prozeß der Verfestigung sich auf einer Zeitskala von ca. 10^–3 s bis 10^–2 s abspielt.
So kommen als elektroviskose Flüssigkeit beispielsweise eine Mischung aus etwa 40 bis 60 Gew.-% Kieselsäure als Feststoff, 30 bis 50 Gew.-% einer geeigneten organischen Phase mit niedriger Elektrizitätskonstante, 5 bis 10 Gew.-% Wasser, sowie etwa 5 Gew.-% eines Dispergiermittels in Frage, die eine Grundviskosität von 100 bis 3000 nPa·s aufweisen, und eine Mischung mit 40 bis 60 Gew.-% einer Silizitsäure, 30 bis 50 Gew.-% einer organischen Phase mit niedrigem Siedepunkt, 10 bis 50 Gew.-% Wasser und 5 Gew.-% eines Dispergiermittels, wie beispielsweise Isododekan in Frage.
Außerdem ist in EP 0 803 673 A2 ein gasdurchströmtes Ventil mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass offenbart, wobei im Strömungsweg zwischen Gaseinlass und Gasauslass im Ventil eine magnetische Flüssigkeit vorgesehen ist, die bei angelegtem Magnetfeld erstarrt und den Strömungsweg von dem Gaseinlass zu dem Gasauslass gasdicht unterbricht und ohne angelegtes Magnetfeld von Gas durchströmbar ist.
Darüber hinaus offenbart US 2 670 749 ein magnetisches Ventil, wobei unter Verwendung von magnetischem Öl der Fluss eines Fluids in einer Leitung durch Beaufschlagung des magnetischen Öls mit einem magnetischen Feld gesteuert wird.
Überdies offenbart JP 58000672 A ein Sicherheitsventil, wobei mittels eines magnetischen Feldes ein magnetisches Fluid beaufschlagt wird.
Ferner ist in DE 196 13 024 A1 eine Vorrichtung zur Durchflusssteuerung eines von einem Fluid durchströmten Bauteils beschrieben. Hierbei ist ein Steuerfluid zur Steuerung des Durchflusses des Fluids durch das Bauteil vorgesehen, wobei das Steuerfluid einen Strömungswiderstand bildet.
Aus der EP-PS-0 222 350 ist ein Luftfederelement bekannt, bei der der Federkörper innerhalb einer, von einer gummieelastischen Umfangswand und zwei starren Stirnwänden abgeschlossenen Kammer angeordnet ist, wobei die durch den Federkörper abgeteilte Außenkammer zwischen Federkörper und Umfangswand mit einer, durch ein elektrisches Feld ansteuerbaren, elektroviskosen Flüssigkeit gefüllt ist.
Aus der EP-OS-0 590 808 ist eine Kupplung für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der zwei Teile rotierbar miteinander verbunden sind, wobei sich diese Teile teilweise durch eine elektroviskose Flüssigkeit bei Rotation bewegen und eine entsprechend mehr oder weniger starke Kopplung der beiden Teile mittels Anlegen einer Spannung gesteuert wird.
Gemeinsam ist diesen bekannten Anwendungen, daß die elektrorheologischen Fluide als leistungsübertragendes Medium eingesetzt werden. Dieses hat den Nachteil, daß die mechanischen Bauelemente, die häufig beispielsweise Metalle sind, den aggressiven insbesondere chemischen Einflüssen der rheologischen Fluide ausgesetzt sind. Ferner ist aus diesen bekannten Anwendungen keine Anwendung entnehmbar, die das rheologische Fluid und insbesondere die elektroviskose Flüssigkeit als nichtleistungsübertragendes Medium einsetzt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Steuerventil bereitzu stellen, bei dem ein rheologisches Fluid als nicht Leistung übertragendes Medium eingesetzt werden soll, wobei insbesondere etwaige mechanische Bauteile des Steuerventils nicht den aggressiven, insbesondere chemischen Einflüssen des Fluids ausgesetzt sein sollen.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein Steuerventil durch wenigstens zwei Vorrichtungen zur Steuerung des Durchflusses eines gasförmigen Mediums durch ein Fluid gekennzeichnet, wobei jede Vorrichtung gekennzeichnet ist durch

– ein rheologisches Fluid, das in der Einrichtung angeordnet ist,
– Mittel zur Führung des gasförmigen Mediums durch das Fluid, und
– Mittel zum Anlegen eines Feldes wenigstens teilweise im Bereich des rheologischen Fluids.
– wobei jeweils ein Ausgang und ein Eingang für das gasförmige Medium vorgesehen sind

Hierbei weist ein Verfahren zur Steuerung des Durchflusses eines gasförmigen Mediums durch ein Fluid die folgenden Verfahrensschritte auf:

– Vorsehen eines rheologischen Fluids, durch das das gasförmige Medium leitbar ist, und
– Steuerung der Viskosität des rheologischen Fluids.

Durch diese Merkmale wird von vorteilhaften Eigenschaften rheologischer Fluide Gebrauch gemacht, nämlich insbesondere die Eigenschaft eines rheologischen Fluids, daß deren Viskositäts- bzw. Fluiditätsgrad gezielt verändert werden kann. Diese gezielte Veränderung beruht auf dem mikroskopischen Mechanismus des feldinduzierten Festwerdens des Fluids, wofür es verschiedene Modellvorstellungen gibt, bei denen beispielsweise induzierte Dipolkräfte oder die Eigenschaften von Wasserbrücken eine wichtige Rolle spielen. Hierbei wird das vorher isotrope Material durch Anlegen eines Feldes oder beispielsweise äußerer (dynamischer) Scherkräfte stark anisotrop. Bei Anlegen eines beispielsweise elektrischen Feldes werden beispielsweise unter Umständen Ketten gebildet, die vorzugsweise in Richtung des äußeren Feldes orientiert sind.
Vorzugsweise ist das rheologische Fluid ein elektrorheologisches Fluid und/oder ein magnetorheologisches Fluid. Durch diese Maßnahme ist es besonders einfach, die Eigenschaften des Fluids zu ändern. Weiter vorzugsweise geschieht die Steuerung der Viskosität der Fluids mittels Anlegen eines steuerbaren Feldes. Durch diese Maßnahme wird die Steuerung der Viskosität des Fluids vereinfacht.
Vorteilhafterweise ist das steuerbare Feld ein elektrisches, magnetisches und/oder elektromagnetisches Feld. Dieses kann sowohl statisch als auch dynamisch sein.
Weiter vorzugsweise ist das gasförmige Medium Luft, wodurch sich vorteilhafterweise insbesondere diverse pneumatische Anwendungsmöglichkeiten kostengünstig ergeben.
Insbesondere wird ein rheologisches Fluid zur Steuerung des Durchflusses eines gasförmigen Mediums durch das Fluid verwendet. Vorzugsweise ist hierbei das rheologische Fluid ein elektrorheologisches und/oder ein magnetorheologisches Fluid, was die Verwendung für diverse Anwendungen vereinfacht.
Vorzugsweise ist das rheologische Fluid ein elektrorheologisches und/oder magnetorheologisches Fluid. Insbesondere in diesem Fall kann das Feld vorzugsweise ein elektrisches, magnetisches und/oder elektromagnetisches Feld sein und vorzugsweise können die Mittel zum Anlegen eines Feldes elektrische und/oder magnetische und/oder elektromagnetische Komponenten aufweisen. Derartige Komponenten sind beispielsweise elektrisch leitfähige Drähte, elektrisch leitfähige Platten, Kondensatoren, Elektromagneten und, da die Leistungsaufnahme des rheologischen Fluids relativ gering ist, beispielsweise auch leitfähige Kunststoffe.
Vorzugsweise ist das gasförmige Medium Luft. Durch diese Auswahl können kostengünstig beispielsweise elektropneumatische Vorrichtungen realisiert werden. Wenn vorzugsweise die Mittel zur Führung des gasförmigen Mediums Lamellen sind, die in der Einrichtung angeordnet sind und die wenigstens teilweise von dem Fluid benetzt sind, dann wird der Weg des gasförmigen Mediums stärker vorgegeben und kann insbesondere verlängert werden, was insbesondere zu einer stärkeren Blockade bzw. ein verlangsamtes Durchfließen des gasförmigen Mediums durch das Fluid führen kann.
Wenn vorzugsweise das Fluid räumlich beabstandet von chemisch angreifbaren Materialien angeordnet ist, dann wird die Standzeit bzw. Betriebszeit entsprechender Vorrichtungen verlängert.
Außerdem wird die eben beschriebene Vorrichtung als Komponente für ein Überdruckventil verwendet. Hierbei läßt sich vorzugsweise der Druckpunkt durch die Stärke des angelegten Feldes einstellen. Je höher das angelegte Feld ist, umso höher liegt der Druckpunkt. Insbesondere bei dieser Verwendung der Vorrichtung ist zu berücksichtigen, daß bei insbesondere anisotropen rheologischen Fluiden es darauf ankommt, in welche Richtung das Feld angelegt wird.
Erfindungsgemäß werden wenigstens zwei der beschriebenen Vorrichtungen als Komponenten für ein Steuerventil verwendet. Bei einer Verwendung der vorgenannten Vorrichtungen als Komponenten für ein Steuerventil ist es möglich, entsprechende Verbraucher wie beispielsweise Pumpen oder Zylinder anzuschließen.
Außerdem wird ein Überdruckventil durch eine der vorbeschriebenen Vorrichtungen realisiert, wobei ein Druckpunkt durch die Stärke des angelegten Feldes einstellbar ist.
Vorteilhafterweise wird eine der vorgenannten Vorrichtungen für eine pneumatische Steuerung und/oder Regelung verwendet.
Im Rahmen dieser Erfindung bedeutet Steuerung auch Regelung, d. h. sofern im Rahmen dieser Erfindung der Begriff Steuerung benutzt wird, beinhaltet dieser auch den Begriff Regelung.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Steuerung des Durchflusses eines gasförmigen Mediums durch ein Fluid und eine Einrichtung in schematischer Darstellung und
2 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektropneumatischen Vorrichtung in schematischer Darstellung.
In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird und lediglich die Abweichungen der in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden:
1 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Steuerung des Durchflusses eines gasförmigen Mediums durch ein Fluid 1 und eine Einrichtung 3 in schematischer Darstellung. In 1 ist in einem Behälter 3 eine elektroviskose Flüssigkeit 1 angeordnet. Die elektroviskose Flüssigkeit 1 wird wenigstens teilweise von leitfähigen Platten 2 bzw. einem Plattenkondensator 2 eingeschlossen bzw. dieser Plattenkondensator 2 ist außerhalb der elektroviskose Flüssigkeit 1 und dem Behälter 3 angeordnet. An diesen Plattenkondensator ist eine Spannung U anlegbar.
Denkbar wäre hier auch eine Ausführungsform, in der elektrisch leitfähige Teile innerhalb des Behältnisses 3 und sogar innerhalb der elektroviskosen Flüssigkeit 1 angeordnet sind. Hierbei wäre beispielsweise eine lamellenartige Anordnung des Plattenkondensators 2 bzw. der leitfähigen Teile, die mit einer Spannung beaufschlagbar sind, denkbar.
Über einen Eingang 5 kann Gas durch den Behälter 3 und damit die elektroviskose Flüssigkeit 1 zum Ausgang 4 geleitet werden, wobei der Druck des Gases am Eingang insbesondere höher ist als am Ausgang. Das durchgeleitete Gas, vorzugsweise Luft, kann in dieser elektropneumatischen Vorrichtung als leistungsübertragendes Medium Verwendung finden. Als bevorzugte Ausführungsform kann die Vorrichtung derart ausgestaltet sein, daß das Gas zuerst einen lamellenartigen, mit der elektroviskosen Flüssigkeit gefüllten Hohlraum durchdringt, danach über einen Bereich, in dem die Entmischung des Gases von der Flüssigkeit erfolgt, aus der Vorrichtung entweicht und an diese Vorrichtung eine elektrische Spannung gelegt wird, die bewirkt, daß in dem lamellenartigen Hohlraum bzw. dem lamellenartigen Behälter ein elektrisches Feld erzeugt wird. Durch das oben schon beschriebene Verhalten elektroviskoser Flüssigkeiten in einem elektrischen Feld wird der Gasstrom, der durch die Vorrichtung fließt, beeinflußt.
Diese Vorrichtung ließe sich in Analogie zu einem Transistor ein "elektro-pneumatischer Transistor" nennen, da durch Änderungen des elektrischen Feldes pneumatische Variationen bewirkt werden können.
Beispielsweise kann die Vorrichtung gemäß 1 direkt als Überdruckventil oder als eine Art Gasdruckdrossel Verwendung finden. Der Druckpunkt für ein entsprechendes Überdruckventil ließe sich durch entsprechende An ordnung der Lamellen und der Stärke des elektrischen Feldes einstellen. Ferner ließen sich die Drosseleigenschaften durch entsprechende Vorgabe der räumlichen Verhältnisse in dem Behälter 3 und der elektrischen Felder, die an die elektroviskose Flüssigkeit angeschlossen werden, steuern und regeln.
2 zeigt ein Steuerventil, bei dem zwei Vorrichtungen gemäß der 1 in Reihe angeordnet sind. Es könnte beispielsweise Gas in den Eingang 5 fließen und durch die elektroviskose Flüssigkeit 1, fließen, die mit einer Spannung U1 in ihren Eigenschaften entsprechend beeinflußt wurde. Nach Trennung des Gases von der elektroviskosen Flüssigkeit auf der rechten Seite des Behälters 3 gelangt dieses Gas an den Ausgang des Behälters links und damit an den Eingang eines Verbrauchers 6 und des rechten Behälters 3. Durch Anlegen einer zweiten Spannung U2 an die elektroviskose Flüssigkeit 1, die sich im rechten Behälter 3 befindet, ist es nun möglich, beispielsweise eine andere Viskosität bzw. durch eine andere Ausgestaltung von beispielsweise den lamellenförmigen Gängen in den Behältnissen 3, die Durchflußmöglichkeit des Gases anders auszugestalten als im linken Behältnis. Auf diese Art und Weise läßt sich der Betrieb des Verbrauchers 6 steuern. Sofern beispielsweise die Viskosität der elektroviskosen Flüssigkeit 1 im rechten Behältnis 3 geringer ist als die Viskosität der elektroviskosen Flüssigkeit 1 im linken Behältnis 3 kann sich der Kolben des Verbrauchers 6, wie in der 2 dargestellt nach links bewegen. Im umgekehrten Fall kann sich der Kolben des Verbrauchers 6 nach rechts bewegen.
Bevorzugt ist in diesem Ausführungsbeispiel ein einfach wirkender Zylinder 6, dessen Rückbewegung mittels einer Feder geschieht, die nicht in 2 dargestellt ist. Ferner ist das Versehen des Zylinders 6 mit einer Be lüftung bevorzugt. Das Belüftungsmittel ist in 2 auch nicht dargestellt.
Es wäre auch denkbar, die Rückbewegung des Kolbens ohne Feder zu erzielen, indem beispielsweise der Druck in der Zuleitung zu dem Zylinder geringer ausgestaltet ist als der Umgebungsdruck.

1: elektroviskose Flüssigkeit
2: Plattenkondensator
3: Behälter
4: Ausgang
5: Eingang
6: Verbraucher
U: Spannung
U1: Spannung
U2: Spannung

Claims

Steuerventil gekennzeichnet durch wenigstens zwei Vorrichtungen zur Steuerung des Durchflusses eines gasförmigen Mediums durch ein Fluid (1), wobei jede Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist: – ein rheologisches Fluid (1), das in einer Einrichtung (3) angeordnet ist, – Mittel zur Führung des gasförmigen Mediums durch das Fluid, und – Mittel (2) zum Anlegen eines Feldes wenigstens teilweise im Bereich des rheologischen Fluids, – wobei jeweils ein Ausgang (4) und ein Eingang (5) für das gasförmige Medium vorgesehen sind, und wobei der Ausgang (4) der einen Vorrichtung mit dem Eingang (5) der anderen Vorrichtung mittels einer Verbindung verbunden ist und ein Verbraucher (6) an die Verbindung der zwei Vorrichtungen anschließbar ist.
Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rheologische Fluid (1) ein elektrorheologisches und/oder magnetorheologisches Fluid ist.
Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium Luft ist.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld ein elektrisches, magnetisches und/oder elektromagnetisches Feld ist.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Führung des gasförmigen Mediums Lamellen sind, die in der Einrichtung (3) angeordnet sind und die wenigstens teilweise von dem Fluid (1) benetzt sind.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Anlegen eines Feldes elektrische und/oder magnetische und/oder elektromagnetische Komponenten (2) aufweisen.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (1) räumlich beabstandet von chemisch angreifbaren Materialien angeordnet ist.