DE20103782U1

DE20103782U1 - Ventilanordnung mit magnetorheologischer Flüssigkeit

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Publication number: DE20103782U1
Application number: DE20103782U
Authority: DE
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2001-05-10
Anticipated expiration: 2011-03-06

Description

PRINZ & PARTNER &oacgr;&"

PATENTANWÄLTE Manzingerweg 7

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS D-81241 München

EUROPEANTRADEMARKATTORNEYS ^Tel- +49 89 89 69

5. März 2001

Bürkert Werke GmbH & Co.

Christian-Bürkert-Str. 13-17
74653 Ingelfingen

Unser Zeichen: B 4048 DE
HD

Ventilanordnung mit magnetorheologischer Flüssigkeit

Die Erfindung geht aus von einem Ventil auf Basis magnetorheologischer Flüssigkeiten. Das Prinzip derartiger Ventile beruht darauf, dass die Viskosität einer magnetorheologischen Flüssigkeit durch das magnetische Feld eines Elektro- oder Permanentmagneten beeinflusst wird. Bisher übliche Anwendungen dieser Art benutzen das magnetorheologische Fluid meistens gleichzeitig als Steuerfluid und als Durchflussmedium, so dass spezielle hydraulische Anwendungen möglich sind, wie z. B. Bremsen, Kupplungen oder Stoßdämpfer, die in sich eine abgeschlossene Einheit bilden und bei denen magnetorheologische Ventile z. B. den Zweck erfüllen, dass die Druckdifferenz zwischen zwei nach außen abgeschlossenen Kammern verändert wird. Derartige Ventile sind z. B. aus den Patenten US-A 2,661,596, US-A 4,880,216 und aus der DE 19735898 bekannt.

Nachteilig an diesen herkömmlichen Ventilen ist vor allem, dass damit keine gasförmigen, aber auch keine flüssigen Medien, außer magnetorheologischen Flüssigkeiten, geschaltet werden können, d. h. es sind keine Prozessventile

realisierbar, da als Medium in jedem Fall die magnetorheologische Flüssigkeit verwendet werden muss.

Eine zweite Ventilart, die eine magnetorheologische Flüssigkeit benutzt, um den Durchfluss eines anderen, gasförmigen oder flüssigen, nicht magnetorheologischen Mediums zu steuern, wird in US 2,670,749 beschrieben.

Nachteilig an dieser Ventilart ist, dass die zu steuernden Medien in direkten Kontakt mit der zur Steuerung verwendeten magnetorheologischen Flüssigkeit kommen, so dass sich die praktische Anwendung dieser Ventilart auf solche flüssige oder gasförmige Medien einschränkt, die in der magnetorheologischen Flüssigkeit unlöslich sind, sonst besteht die Gefahr der Kontamination des zu steuernden Mediums durch die löslichen Anteile der magnetorheologischen Flüssigkeit oder umgekehrt der Degradation der magnetorheologischen Flüssigkeit durch das Medium.

Eine Ventilanordnung, die eine magnetorheologische Flüssigkeit benutzt, um den Durchfluss eines anderen, gasförmigen oder flüssigen, nicht magnetorheologischen Mediums zu steuern, wird in der DE 299 13 326 beschrieben. Diese Ventilanordnung besitzt ein Membran-Ventilsitzsystem zum Öffnen und Schließen des Ventils und ist dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetorheologische Flüssigkeit in einer dicht verschlossenen Kammer eingeschlossen ist. Diese Kammer ist auf der dem Medium zugewandten Seite durch eine elas-tisch verformbare Membran verschlossen, die eine unpermeable Trennung zwischen Medium und magnetorheologischer Flüssigkeit darstellt.

Diese Ventilanordnung hat den Vorteil, dass sie aus wenigen einfach herzustellenden Teilen sehr kompakt und klein gebaut werden kann. Besonders günstig ist ferner, dass dieses Ventil keine, bzw. nur wenige bewegliche Teile enthält, so dass keine oder geringe Reibungskräfte auftreten. Durch diese Maßnahmen ereibt sich ein nahezu verschleißfrei arbeitendes Ventil. Darüber

hinaus ist aufgrund der geringen Reibungskräfte eine schnelle Reaktionszeit des Ventils sowie ein Schalten des Ventils mit geringer Leistung möglich.

Als nachteilig hat sich bei dieser Ventilanordnung jedoch herausgestellt, dass aufgrund der geringen magnetischen Permeabilität der magnetorheologischen Flüssigkeit, trotz hoher an die Spule angelegten Spannungen, nur sehr kleine Drücke geschaltet werden können.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass sich bei längeren Standzeiten des Ventils die fes-ten, d.h. magnetisierbaren Bestandteile der magnetorheologischen Flüssigkeit am Boden der Kammer absetzen können. Aufgrund dieser Sedimentation kann sich die Reaktionszeit der Ventilanordnung verlängern.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine bekannte Ventilanordnung derart weiterzubilden, dass mit ihr höhere Drücke geschaltet werden können als bei bekannten Ventilanordnungen, und dass ein Absetzen der magnetorheologischen Flüssigkeit am Boden der Kammer weitestgehend reduziert wird. Ferner wird durch Reduzierung des Gesamtvolumens eine weitere Miniaturisierung angestrebt, wodurch kleinste Nennweiten realisiert werden können. 20

Diese vorgenannten Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Ventilanordnung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Mit der erfindungsgemäßen Ventilanordnung können aufgrund der magnetischen Verstärkung durch den weichmagnetischen nicht beweglichen Kern, der die eine magnetorheologische Flüssigkeit enthaltende Kammer umgibt und durch das ebenso aus weichmagnetischem Material bestehende Fluid-Steuerteil hohe Drücke geschaltet werden. Ferner ist durch das sehr kleine Volumen der Kammer eine Sedimendation der festen, d.h. magnetisierbaren Bestandteile der magnetorheologischen Flüssigkeit am Boden der Kammer nahezu ausgeschlossen bzw. es findet beim ersten Schaltvorgang eine sofortige Durchmischung aller

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Bestandteile der magnetorheologischen Flüssigkeit statt. Das durch die Erfindung zur Verfugung gestellte Ventil hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Kammer, die die magneto-rheologische Flüssigkeit enthält, nur ein sehr kleines Volumen haben muss, so dass aufgrund dessen Ventile mit sehr kleinen Nennweiten realisiert werden können.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen 2/2-Wege-Ventilanordnung ist das gesamte Ventil, bestehend aus einem Fluid-Steuerteil mit Ventilsitz, einem nicht beweglichen Kern mit einer Kammer, die die magnetorheologische Flüssigkeit enthält, mittig innerhalb einer Spule untergebracht, wobei sich die Kammer am Ende des Kerns gegenüber dem Fluid-Steuerteil befindet. Durch diese Anordnung wird die hohe Stärke des Magnetfelds im Innern der Spule ausgenutzt und gleichzeitig ein äußerst kleines Volumen des Ventils erreicht. Die magnetorheologische Flüssigkeit wird in einer vorzugsweise zylinderfbrmigen Kammer eingeschlossen, die an der dem Kern abgewandten Seite durch eine erste elastische Membran verschlossen ist. An der der ersten Membran gegenüberliegenden Seite der Kammer fuhrt ein Kanal von der Kammer auf die gegenüberliegende Seite des Kerns. Der Ausgang des Kanals wird dort von einer zweiten Membran, die vorzugsweise auf den Kern geklebt ist, verschlossen. Der Kanal dient bei der Herstellung zum Einfüllen der magnetorheologischen Flüssigkeit und während eines Schaltvorgangs zur Verbindung mit der zweiten Membran zum Druckausgleich in der Kammer.

Das Fluid-Steuerteil verfugt über eine Ausgangsöffhung und eine Eingangsöffhung, wobei die Eingangsöffhung, bzw. der Ventilsitz zweckmäßigerweise der Membranmitte gegenüberliegt. Das Fluid-Steuerteil ragt soweit in die Spule hinein, dass der Ventilsitz und die Membran in einem definierbaren Abstand voneinander positioniert sind, wobei der Abstand zwischen Ventilsitz und Membran vorteilhafterweise zur Feinjustierung der Durchflussmenge eines Mediums veränderbar ist, das mit einem Druck P am Ventilsitz ansteht.

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In der Ausgangslage ist das Magnetfeld entfernt, d. h. der Elektromagnet ist ausgeschaltet. Bedingt durch den Spalt zwischen Ventilsitz und der die magnetorheologische Flüssigkeit einschließenden Membran, ist der Sitz offen, und das Medium kann ungehindert vom Eingangskanal in den Ausgangskanal fließen. Wird der Elektromagnet mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, wirkt das zugehörige Magnetfeld derart, dass die magnetorheologische Flüssigkeit in der Kammer durch eine kleine Bewegung in Richtung Sitz den Spalt zwischen der Membran und dem Ventilsitz und damit den Magnetkreis schließt. Dabei wird die magnetorheologische Flüssigkeit, verstärkt durch die magnetische Wirkung des Magnetfeldes auf den weichmagnetischen, nicht beweglichen Kern zur Membran hin beschleunigt. Die Membran presst sich durch den, mittels beschleunigter magnetorheologischer Flüssigkeit auf sie einwirkenden Druck gegen den Ventilsitz und verschließt diesen. Gleichzeitig ändert sich die Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit unter Einwirkung des Magnetfeldes derart, dass sie sich verfestigt. Dies hat den Vorteil, dass die Membran in ihrer Schließstellung unterstützt wird.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen 2/2-Wege-Ventilanordnung ist das Ventil, bestehend aus einem Fluid-Steuerteil, einem nicht beweglichen Kern und einer Kammer, die die magnetorheologische Flüssigkeit enthält, vorzugsweise innerhalb einer Spule, jedoch an dem Ende, an dem das Fluid-Steuerteil in die Spule hineinragt, angebracht. Durch diese einfache Maßnahme ist es möglich, Ventile mit geringem Totvolumen herzustellen, die vor allem für die Steriltechnik, z. B. die Analysentechnik, die Biotechnik und medizinische Anwendungen geeignet sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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• Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung, mit einer die Ventilanordnung mittig umschließenden Spule und mit in geöffnetem Zustand entlasteter Membran;

· Figur 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung, mit einer die Ventilanordnung mittig umschließenden Spule und mit in geschlossenem Zustand gewölbter Membran;

• Figur 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Ventilanordnung innerhalb einer Spule, wobei sich der Ventilsitz an einem Ende der Spule befindet, mit in geöffnetem Zustand entlasteter Membran; und

• Figur 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung, innerhalb einer Spule, wobei sich der Ventilsitz an einem Ende der Spule befindet, mit in geschlossenem Zustand gewölbter Membran.

Die Figuren 1 und 2 zeigen schematisch eine Ausführungsform einer 2/2 Wegeventilanordnung 1. Im Innenraum 4 einer vorzugsweise zylinderförmigen, elektromagnetischen Spule 2 befindet sich ein weichmagnetischer, nicht beweglicher Kern 10, der axial bis zur Mitte in die Spule 2 hineinragt. An seinem äußeren Ende bildet der Kern 10 eine flanschartige Ausformung 5 aus, die außen an einer Jochplatte 3 anliegt. Der Kern 10 ist fest mit der Jochplatte 3 verbunden, die Teil eines Magnetkreises ist, bestehend aus Jochplatte 3, einer weiteren Jochplatte 6, dem Kern 10 und einem Fluid-Steuerteil 7 mit Ventilsitz 8, alles aus weichmagnetischem Material. Der Kern 10 bildet an seinem anderen in die Spule 2 hineinragenden Ende eine zylinderförmige Kammer 14 aus. Die Kammer 14 enthält eine magnetorheologische Flüssigkeit 15 und ist an der Seite, die vom nicht beweglichen Kern 10 wegzeigt, durch eine undurchlässige, elastische Membran 16 verschlossen. An der dieser Membran 16 gegenüberliegenden Seite der Kammer 14 führt ein Kanal 13 von der Kammer 14 auf die gegenüberliegende Seite des Kerns 10. Der Ausgang des Kanals 13 wird von einer zweiten Membran

-&Tgr;&Igr; 8 verschlossen. Ferner ragt das Fluid-Steuerteil 7 in die Spule 2 hinein. Das Fluid-Steuerteil 7 ist vom nicht beweglichen Kern 10 durch eine Distanzhülse 9 aus nichtmagnetischem Material getrennt. Der Ventilsitz 8 ist gegen die Membran 16 etwas zurückgesetzt, so dass ein Spalt 17 zwischen dem Ventilsitz 8 und der Membran 16 im geöffneten Zustand des Ventils einen Durchfluss zwischen dem Einlasskanal 11 und dem Auslasskanal 12 zulässt.

In Figur 1 ist der elektrische Kontakt geöffnet, d.h., das Magnetfeld der Spule 2 ist entfernt. Das Medium kann durch den Einlasskanal 11 im Fluid-Steuerteil 7 über den Ventilsitz 8 und den Spalt 17 zum Auslasskanal 12 strömen.

Figur 2 zeigt die Ventilanordnung 1 bei geschlossenem elektrischen Kontakt. Die magnetorheologische Flüssigkeit 15 wird durch die Anziehungskraft des Magnetfelds der eingeschalteten Spule 2 zur Membran 16 hin beschleunigt. Die Membran 16 presst sich durch den, mittels beschleunigter magnetorheologischer Flüssigkeit 15 auf sie einwirkenden Druck gegen den Ventilsitz 8 und verschließt diesen. Gleichzeitig ändert sich die Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit 15 in der Nähe der Membran 16 unter Einwirkung des Magnetfeldes derart, dass sie sich verfestigt und die Membran 16 in ihrer Schließstellung unterstützt.

In den Figuren 3 und 4 ist schematisch eine zweite Ausfuhrungsform einer 2/2-Wegeventilanordnung 1 gezeigt. Diese Ventilanordnung 1 unterscheidet sich von der vorangegangenen Anordnung lediglich dadurch, dass das Ventil, bestehend aus Fluid-Steuerteil 7, nicht beweglichem Kern 10 und der die magnetorheologische Flüssigkeit 15 enthaltenden Kammer 14, im Innenraum 4 der Spule 2, jedoch an dem Ende der Spule 2, an dem das Fluid-Steuerteil 7 in sie hineinragt, angebracht ist, wodurch der Strömungsweg des Mediums im Ventil verkürzt wird. Die in den Figuren 3 und 4 gezeigte Funktion der Ventilanordnung 1 unterscheidet sich nicht von der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Funktion.

Claims

1. Ventilanordnung zum Steuern von gasförmigen oder flüssigen Medien mit einem Ventilgehäuse, das eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist, mit einer Magnetspule (2), die auf einer Seite eine durch eine flexible Membran (16) abgeschlossene Kammer (14) umgibt, in der eine magnetorheologische Flüssigkeit (15) eingeschlossen ist, und mit einem mit der Membran (16) zusammenwirkenden Ventilsitz (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (14) wenigstens teilweise von einem in der Magnetspule (2) angeordneten Kern (10, 7) aus weichmagnetischem Material umgeben ist.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (14) axial zwischen einem ersten Kern (10) und einem zweiten Kern (7) angeordnet ist.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kern als Fluid-Steuerteil (7) ausgebildet ist, an dem der Ventilsitz (8) gebildet ist.

4. Ventilanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fluid-Steuerteil (7) ein Einlasskanal (11) und ein Auslasskanal (12) axial zum Ventilsitz (8) durchgehend ausgebildet sind.

5. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Kern (10) axial durchgehend ein Ausgleichskanal (13) ausgebildet ist, der mit der Kammer (14) verbunden und am äußeren Stirnende des Kerns (10) durch eine flexible Membran (18) verschlossen ist.

6. Ventilanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (2) an ihren Stirnenden mit Jochplatten (3, 6) versehen ist.

7. Ventilanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (10) bzw. die Kerne (7, 10) die Jochplatten (3, 6) durchragen.

8. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der das Fluid-Steuerteil (7) bildende Kern axial wesentlich kürzer ° ausgebildet ist als der andere Kern (10).

9. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die magnetorheologische Flüssigkeit (15) enthaltende Kammer (14) von einer Ausnehmung am Ende eines aus weichmagnetischem Material bestehenden nicht beweglichen Kerns (10) gebildet ist; dass ein Fluid-Steuerteil (7) aus weichmagnetischem Material besteht und vom nicht beweglichen Kern (10) durch die Distanzhülse (9), welche aus nichtmagnetischem Material besteht, getrennt ist, und dass der Ventilsitz (8) am Ende des Fluid-Steuerteils (7) und die die magnetische Flüssigkeit (15) enthaltende Kammer (14) mittig in einer vorzugsweise zylindrischen Spule (2) angebracht sind, wobei nach Anlegen einer elektrischen Spannung an die Spule (2) das erzeugte Magnetfeld auf den weichmagnetischen nicht beweglichen Kern (10), das weichmagnetische Fluid-Steuerteil (7) und die magnetorheologische Flüssigkeit (15) in der Kammer (14) derart einwirkt, dass die magnetorheologische Flüssigkeit (15) verstärkt durch die Magnetisierung des Kerns (10) zur Membran (16) hin beschleunigt wird und an der Membran (16) in den festen Zustand übergeht, wodurch der Ventilsitz (8) verschlossen wird; dass ein Kanal (13) die Kammer (14) mit dem anderen Ende des Kerns (10) verbindet, wobei der Kanal (13) an diesem Ende des Kerns (10) durch eine elastische undurchlässige Membran (18) verschlossen ist.

10. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Kammer (14) enthaltende weichmagnetische nicht bewegliche Kern (10) und das weichmagnetische Fluid-Steuerteil (7) mittig innerhalb einer vorzugsweise zylindrischen Spule (2) angeordnet sind.

11. Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der die Kammer (14) enthaltende weichmagnetische nicht bewegliche Kern (10) und das weichmagnetische Fluid-Steuerteil (7) innerhalb einer vorzugsweise zylindrischen Spule (2) angeordnet sind, wobei sich der Ventilsitz (8) im Fluid-Steuerteil (7) an einem Ende der Spule (2) befindet.