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Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete des Maschinenbaus sowie der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik und betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Strömung von Fluiden, wie sie beispielsweise zur Druck- oder Durchflussregelung von Fluiden in medizinischen Geräten oder in Gas- oder Wasserleitungen eingesetzt werden kann. Außerdem ist es möglich, die Vorrichtung zur Filtration von Partikeln aus einem Fluid einzusetzen.
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Die Bezeichnung Fluid stellt eine gemeinsame Bezeichnung für Flüssigkeiten und Gase dar. Zur Regelung der Strömung von Fluiden sind in technischen Einrichtungen unteranderem Ventile am Weitesten bekannt.
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Ein Ventil ist ein Bauteil zur Absperrung oder Regelung des Durchflusses von Fluiden (Flüssigkeiten oder Gasen). In Ventilen wird ein Verschlussteil (z. B. ein Kegel oder eine Kugel) nahezu parallel zur Strömungsrichtung des Fluides bewegt. Die Strömung wird reduziert oder unterbrochen, indem das gesamte Verschlussteil an eine passend geformte Öffnung angepresst wird. Ventile können so gefertigt werden, dass diese im Gegensatz zu anderen Absperrorganen (z. B. Absperrschieber, Absperrklappe, Kugelhahn) über den gesamten Stellbereich ein im Strömungsquerschnitt gleichmäßiges Strömungsbild besitzen. Deshalb eignen sich Ventile neben dem reinen Absperren von Stoffströmen auch gut für Regelaufgaben (Wikipedia, Suchbegriff „Ventil“).
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Für die Regelung der Strömung von Fluiden sind aus dem Stand der Technik verschiedene Ventillösungen bekannt.
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Aus der
US 2007 095 862 A1 ist eine Einwegventilanordnung bekannt, bei der eine sterile fließfähige Substanz von einer Quelle zu einer Austrittsöffnung fließt, wobei eine elastomere Membran jeglichen Rückfluss von Verunreinigungen verhindert, wenn der Zufluss an fließfähiger Substanz gestoppt wird.
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Aus der
US 2011 211 974 A1 ist ein Einweg-Fluidsteuerventil bekannt, bei dem eine aufgeklebte gekrümmten und anpassungsfähige Filmvorrichtung, eine Druckfeder, und eine reziprok gekrümmte Kanaloberfläche automatisch zusammenwirken und einen vorwärts gerichteten Materialfluss über eine vorbestimmte Fluiddruckschwelle ermöglichen. Durch dieses Fluidsteuerungsventil wird der Materialfluss in nur eine Richtung realisiert.
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Aus der
US 2014 271 245 A1 ist ein Einwegventil bekannt, bei dem eine befestigte flexible Filmvorrichtung, ein nachgeschaltetes Randsteuermittel und eine Kanaloberfläche vorhanden sind, wobei die Antriebskraft eines gesteuerten unter Druck stehenden Fluidstromes ermöglicht wird, und wobei der Fluidstrom nur in einer Richtung möglich ist.
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Aus der
DE 10 2014 107 599 A1 ist eine regelbare Magnetventilvorrichtung mit einem als Reaktion auf eine Bestromung stationärer Spulenmittel zum Verändern eines Strömungsquerschnitts eines Fluids relativ zu einem stationären Ventilsitz entlang einer axialen Richtung bewegbaren Ventilkolben bekannt. Der Ventilsitz und der Ventilkolben im Bereich des Strömungsquerschnitts sind zumindest abschnittsweise entlang der axialen Richtung konusförmig ausgebildet, wobei eine den Ventilkolben ausbildende Baugruppe entlang der axialen Richtung einen ersten Konusabschnitt mit einem ersten Konuswinkel und einen diesem in einer Fluidströmungsrichtung nachfolgenden zweiten Konusabschnitt mit einem gegenüber dem ersten Konuswinkel stärker zu einer der axialen Richtung entsprechenden Mittelachse geneigten zweiten Konuswinkel aufweist.
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Nachteilig an den Lösungen des Standes der Technik ist, dass die bekannten Vorrichtungen zur Steuerung und/oder Regelung der Strömung von Fluiden noch nicht ausreichend flexibel die Strömung von Fluiden steuern und/oder regeln. Außerdem sind die bekannten Vorrichtungen technisch aufwendig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Strömung von Fluiden bereitzustellen, die flexibel die Strömung von Fluiden steuert und/oder regelt.
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Diese Aufgabe wird mit der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Strömung von Fluiden gelöst, mindestens enthaltend einen Strömungskanal, in dem Fluide in beliebige Richtungen strömen, und mindestens ein oder mehrere faser- und/oder bandförmige Teile, die innerhalb des Strömungskanals und mindestens teilweise quer zur Strömungsrichtung und in ihren Abmessungen mindestens teilweise den Querschnitt des Strömungskanals bedeckend angeordnet sind, und mindestens ein ein äußeres Magnetfeld erzeugendes Bauelement, welches im Bereich der einen oder mehreren faser- und/oder bandförmigen Teile angeordnet ist, wobei die mindestens eine oder mehreren faser- und/oder bandförmigen Teile aus einem Verbundwerkstoff aus einem Matrixmaterial und magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikeln bestehen und/oder ganz oder teilweise aus magnetischem und/oder magnetisierbarem Material bestehen.
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Vorteilhaft besteht der Strömungskanal ganz oder teilweise aus Polymer, Holz, Keramik, Ton, Verbundwerkstoff und/oder Glas.
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Ebenfalls vorteilhafterweise weist der Strömungskanal laminare und/oder turbulente Strömungen auf und die Strömungen sind vorteilhafterweise nacheinander in beiden Richtungen realisierbar.
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Vorteilhafterweise besteht das Matrixmaterial des Verbundwerkstoffes aus Polymerfasern, Textilfasern oder -bändern, Glasfasern oder -bändern besteht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Vielzahl von faserförmigen und/oder bandförmigen Teilen im Strömungskanal angeordnet.
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Und außerdem vorteilhafterweise sind die ein oder mehreren faser- und/oder bandförmige Teile innerhalb des Strömungskanals und quer zur Strömungsrichtung und in ihren Abmessungen den Querschnitt des Strömungskanals bedeckend angeordnet sind,
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Als magnetische Partikel und/oder als magnetisches Material sind vorteilhafterweise Legierungen auf der Basis von Si-Fe, Fe-Co, Fe-Al, Ni-Fe, Mn-Zn-Ferriten und/oder Ni-Zn-Ferriten vorhanden.
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Ebenfalls vorteilhafterweise sind als magnetisierbare Partikel und/oder als magnetisierbares Material Legierungen auf Basis von Fe, Ni, Mn, Co und Seltenerdmetalle, die bei der Arbeitstemperatur paramagnetisch und damit durch ein äußeres Magnetfeld magnetisierbar sind, vorhanden.
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Besonders vorteilhaft liegen die magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikel homogen verteilt in den ein oder mehreren faser- und/oder bandförmige Teilen vor.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist das das äußere Magnetfeld erzeugende Bauelement ein Permanentmagnet, Elektromagnet, eine Spule, insbesondere eine supraleitende Spule, oder ein Kondensator.
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Weiterhin vorteilhafterweise ist das das äußere Magnetfeld erzeugende Bauelement auf der Innen- und/oder Außenwandung des Strömungskanals oder außerhalb des Strömungskanals ohne direkten Kontakt mit dem Strömungskanal angeordnet, und ganz besonders vorteilhaft ist das das äußere Magnetfeld erzeugende Bauelement direkt an der Stelle der Anordnung der ein oder mehreren faser- und/oder bandförmigen Teile angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß wird die Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Strömung von Fluiden als Ventil oder als Filter von Partikeln, Flüssigkeiten oder Gasen verwendet.
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Mit der vorliegenden Erfindung erstmals wird eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Strömung von Fluiden angegeben, die eine flexible Regelung und Steuerung der Strömung von Fluiden ermöglicht. So können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise die Durchflussmenge, die Strömungsgeschwindigkeit oder der Druck von Fluiden in einem Kanal beeinflusst werden.
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Die Fluide können Gase und/oder Flüssigkeiten sein, die mit Partikeln beladen sein können oder nicht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch dazu verwendet werden, Partikel aus dem strömenden Fluid zu filtern. Unter Filtration soll im Rahmen der Erfindung das Trennen oder Reinigen von Stoffen aus dem strömenden Fluid durch Zurückhalten von Partikeln aus dem Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom verstanden werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält mindestens einen Strömungskanal, in dem Fluide in beliebigen Richtungen strömen können, und mindestens ein oder mehrere faser- und/oder bandförmige Teile, die innerhalb des Strömungskanals und mindestens teilweise quer zur Strömungsrichtung und in ihren Abmessungen mindestens teilweise den Querschnitt des Strömungskanals bedeckend angeordnet sind. Außerdem enthält die Vorrichtung mindestens ein ein äußeres Magnetfeld erzeugendes Bauelement, welches im Bereich der einen oder mehreren faser- und/oder bandförmigen Teile angeordnet ist, wobei die mindestens eine oder mehreren faser- und/oder bandförmigen Teile magnetische und/oder magnetisierbare Partikel enthalten und/oder ganz oder teilweise aus magnetischem und/oder magnetisierbarem Material bestehen.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch mindestens ein innerhalb oder außerhalb des Strömungskanals angeordnetes Bauelement ein äußeres Magnetfeld erzeugt, deren Feldlinien den Strömungskanal mindestens teilweise durchdringen und mit den magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikeln oder mit dem ganz oder teilweise aus einem magnetischen und/oder magnetisierbaren Material interagieren. Im Rahmen der Erfindung soll unter äußerem Magnetfeld das Magnetfeld verstanden werden, dass durch das das Magnetfeld erzeugende Bauelement erzeugt wird.
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Im Gegensatz dazu soll unter einem inneren Magnetfeld das Magnetfeld verstanden werden, dass die magnetischen oder magnetisierbaren Partikel in den ein oder mehreren faser- und/oder bandförmigen Teilen vor, während und/oder nach dem Anlegen des äußeren Magnetfeldes aufweisen.
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Möglich ist, dass der Strömungskanal an den Öffnungen des Strömungskanals laminare und/oder turbulente Strömungen aufnehmen kann. Dabei können die Strömungen in beide Strömungsrichtungen des Strömungskanals realisiert sein, wobei immer nur eine Strömungsrichtung anliegt. Die eine oder mehreren faser- und/oder bandförmigen Teile sind im Strömungskanal im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet, sofern das das Magnetfeld erzeugende Bauelement kein äußeres Magnetfeld erzeugt. Sobald ein äußeres Magnetfeld durch das Magnetfeld erzeugende Bauelement realisiert wird, wird durch die magnetische Wechselwirkung zwischen dem angelegten äußeren Magnetfeld und den magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikeln in den faser- und/oder bandförmigen Teilen einerseits eine Ausrichtung der Partikel entlang der Feldlinien des äußeren Magnetfeldes realisiert. Zum anderen werden durch den magnetoelastischen und/oder magnetorheologischen Effekt die mechanischen Eigenschaften der faser- und/oder bandförmigen Teile verändert, so dass beispielsweise der Elastizitätsmodul des faser-und/oder bandförmigen Materials durch das Wirken des Magnetfeldes erhöht wird.
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Die Ausrichtung der faser-und/oder bandförmigen Teile ist dann im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Fluids erfolgt. Mit der Ausrichtung der faser- und/oder bandförmigen Teile im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Fluids wird mindestens teilweise oder auch vollständig der Querschnitt des Strömungskanals bedeckt, und somit die Strömung des Fluids im Strömungskanal verringert oder sogar vollständig unterbrochen. Dabei kann die vollständige Bedeckung des Querschnitts des Strömungskanales auch zeitlich gestaffelt erfolgen, so dass der Durchfluss gesteuert und getaktet unterbrochen werden kann.
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Eine im Wesentlichen ungehinderte Strömung des Fluids kann anschließend wieder dadurch realisiert werden, indem das das Magnetfeld erzeugende Bauelement entfernt und/oder das erzeugte Magnetfeld abgeschaltet wird. Dadurch können sich die faser-und/oder bandförmigen Teile, insbesondere bei Vorhandensein von paramagnetischen Partikeln in den faser- und/oder bandförmigen Teilen, ohne Einwirkung des äußeren Magnetfeldes wieder im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Fluids ausrichten und die Strömung des Fluids kann wieder ungehindert durch den Strömungskanal realisiert werden.
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Es können aber auch die faser- und/oder bandförmigen Teile mit ferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Partikeln in den faser- und/oder bandförmigen Teilen nach Abschaltung des äußeren Magnetfeldes in ihrer Position verbleiben und/oder durch die Strömung des Fluids in eine andere Position bis hin zur Position im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung verändert werden.
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Der Strömungskanal besteht aus einem Material, das mindestens teilweise durch ein Magnetfeld durchdrungen werden kann. Vorzugsweise besteht der Strömungskanal aus Kunststoffen, Holz, Keramik, Ton, Verbundwerkstoffen und/oder Glas. Dadurch wird erreicht, dass die Stärke und Ausrichtung des erzeugten Magnetfeldes beim Durchdringen des Materials des Strömungskanals nicht wesentlich verringert oder verändert wird.
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Die mindestens eine oder mehrere faser- und/oder bandförmigen Teile können aus einem Verbundwerkstoff bestehen, der aus mit magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikeln versetzten Polymerfasern, Textilfasern oder -bänder, Glasfasern oder -bänder hergestellt wurde. Für die Steuerung und/oder Regelung der Strömung von Fluiden liegen vorteilhafterweise eine Vielzahl von faser- und/oder bandförmigen Teilen im Strömungskanal vor. Damit wird eine besonders gute und effektive Steuerung und/oder Regelung des Strömung beispielsweise hinsichtlich Strömungsdruck, Strömungsgeschwindigkeit und Durchflussmenge erreicht.
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Vorzugsweise liegen die magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikel im faser- und/oder bandförmigen Teil homogen verteilt vor. Möglich ist aber auch, dass die faser-und/oder bandförmigen Teile nur in einzelnen Abschnitten die magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikel aufweisen. Außerdem ist es möglich, dass die faser-und/oder bandförmigen Teile ganz oder teilweise aus einem magnetischen und/oder magnetisierbaren Material bestehen.
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Das äußere Magnetfeld erzeugende Bauelement kann vorteilhafterweise mindestens ein Permanentmagnet, ein Kondensator oder Spule, vorteilhafterwiese eine supraleitende Spule sein.
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Bei der Verwendung eines Permanentmagneten als ein äußere Magnetfeld erzeugendes Bauelement wird die Feldstärke des auf die ein oder mehreren faser- und/oder bandförmigenTeile wirkenden Magnetfeldes unteranderem vom ausgewählten Material des Permanentmagneten und vom Abstand des Permanentmagneten zu den ein oder mehreren im Strömungskanal angeordneten faser- und/oder bandförmigen Teilen beeinflusst. Damit ist es beispielsweise möglich, die Strömung des Fluids bei einem definierten Abstand des Permanentmagneten konstant zu halten.
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Möglich ist aber auch, den Abstand des Permanentmagneten zyklisch und kontinuierlich zu verändern, um so beispielsweise auf die Strömungseigenschaften des Fluids diskontinuierlich oder kontinuierlich Einfluss nehmen zu können.
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Vorteilhafterweise kann das ein Magnetfeld erzeugende Bauelement eine Spule, insbesondere eine supraleitende Spule oder ein Kondensator sein. In diesem Fall kann die Feldstärke des äußeren Magnetfeldes geregelt und damit die Strömungseigenschaften des Fluids über die angelegte Spannung an der Spule oder über den Verschiebestrom beim Ladens des Kondensators beeinflusst werden. Das Anlegen einer größeren Spannung an der Spule führt zu einer größeren Feldstärke des äußeren Magnetfeldes. Dadurch wird erreicht, dass sich die ein oder mehreren faser- und/oder bandförmigen Teile mit den magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikeln oder aus den magnetischen und/oder magnetisierbaren Materialien im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung ausrichten und/oder versteifen und so die Strömung des Fluids verringern oder sogar vollständig unterbrechen.
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Das mindestens eine Magnetfeld erzeugende Bauelement kann auf der Innen- und/oder Außenwandung des Strömungskanals oder auch außerhalb des Strömungskanals angeordnet sein. Sofern das das Magnetfeld erzeugende Bauelement außerhalb des Strömungskanals angeordnet ist, kann das ein Magnetfeld erzeugende Bauelement mit dem Strömungskanal in Kontakt stehen oder auch ohne direkten Kontakt mit dem Strömungskanal angeordnet sein. Für den Fall, dass das Magnetfeld erzeugende Bauelement außerhalb des Strömungskanals angeordnet ist, muss das ein Magnetfeld erzeugende Bauelement im Bereich des mindestens einen oder der mehreren faser- und/oder bandförmigen Teile angeordnet sein. Dadurch ist sichergestellt, dass das Magnetfeld die Außenwandung des Strömungskanals durchdringt, sodass die innerhalb des Strömungskanals angeordnete eine oder mehrere faser- und/oder bandförmigen Teile vom erzeugten Magnetfeld erfasst werden.
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Des Weiteren ist es möglich, dass mindestens das ein Magnetfeld erzeugende Bauelement auf oder außerhalb der Außenwandung des Strömungskanals angeordnet ist und ein weiteres ein Magnetfeld erzeugendes Bauelement beispielsweise vor einer Strömungskanalöffnung oder innerhalb des Strömungskanals angeordnet sein kann. In diesem Fall sind die äußeren Magnetfelder der beiden ein Magnetfeld erzeugenden Bauelemente im Wesentlichen orthogonal ausgerichtet. Dabei kann entweder nur ein ein Magnetfeld erzeugendes Bauelement und oder auch beide ein Magnetfeld erzeugende Bauelemente ein sich gegenseitig überlagerndes äußeres Magnetfeld erzeugen.
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Mit einer derartigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die Ausrichtung der faser- und/oder bandförmigen Teile aus verschiedenen Richtungen durch die mehreren erzeugten äußeren Magnetfelder zu beeinflussen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch dazu verwendet werden, Partikel aus einem Fluid zu filtern. Dies wird dadurch realisiert, dass bei Vorliegen eines äußeren Magnetfeldes mittels des ein Magnetfeld erzeugendes Bauelements die Partikel von den quer zur Strömungsrichtung ausgerichteten faser- und/oder bandförmigen Teilen aufgenommen und am Weiterströmen gehindert werden. Dadurch wird es möglich, die Anzahl der Partikel im Fluid durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zu verringern. Es ist aber auch möglich, insbesondere magnetische oder magnetisierbare Partikel mittels Magnetkraft an den faser- und/oder bandförmigen Teilen zu halten und nach Ausschalten des Magnetfeldes mit einer beispielsweise umgekehrten Strömungsrichtung des Fluides aus dem Strömungskanal zu entfernen. Dabei kann einerseits ein sehr lokalisiertes Magnetfeld eingesetzt werden, um die Partikel an den faser- und/oder bandförmigen Teilen festzuhalten und/oder die die faser- und/oder bandförmigen Teile umgebenden Bauelemente bestehen aus einer nichtmagnetisierbaren Material, wie beispielsweise aus Kunststoff.
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Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigt die
- 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei Verringerung des Strömungsdurchflusses durch aufgerichtete Kompositfasern und die
- 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Einwirkung eines Magnetfeldes auf die Kompositfasern.
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Ausführungsbeispiel
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Ein im Querschnitt rechteckiger Strömungskanal 2 aus Acrylglas weist die inneren Abmessungen von 7mm Breite, 5mm Höhe und eine Länge von 100mm auf. Im Strömungskanal 2 strömt Druckluft mit einer Einlassgeschwindigkeit von 15m/s, wobei der Auslass offen gegenüber Umgebungsdruck, der 101325 Pa beträgt, gestaltet ist. Der maximale Einlassdruck beträgt 258000 Pa. Auf der Unterseite und in der Mitte des Strömungskanals 2 sind 104 Kompositfasern 3 regelmäßig auf einer Fläche von 14,5mm Länge und 7mm Breite quer zur Strömungsrichtung mittels Klebstoff positioniert. Die Kompositfasern 3 aus Carbonyl-Eisen-Partikeln und einem Elastomer als Matrix weisen eine Länge von 5mm und einen Durchmesser von 0,7mm auf. Die Kompositfasern 3 enthalten insgesamt 40 bis 80 m% magnetische Partikel aus Carbonyl-Eisen, die homogen verteilt in jeder Kompositfaser 3 vorliegen. Diese Kompositfasern 3 liegen am Strömungskanalboden entsprechend der Strömungsrichtung des Mediums an (2). Dabei bleibt der Strömungsquerschnitt weitgehend vollständig von den Kompositfasern unbeeinflusst und damit auch der Einlassdruck. Zur Druckregelung sind außerhalb und auf der Oberseite der Wandung des Strömungskanals 2 Permanentmagnete 1 angeordnet, die eine magnetische Flussdichte im Kanal von 1T erzeugen.
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Durch das von den Permanentmagneten 1 erzeugte Magnetfeld werden die Kompositfasern 3 mit den Carbonyl-Eisen-Partikeln quer zur Strömungsrichtung der durchströmenden Luft ausgerichtet, wodurch sich der Querschnitt des Strömungskanals 2 auf ca. 30% des ursprünglichen Querschnitts verringert. Der am Ausgang des Strömungskanals 2 gemessene Druckverlust im Strömungskanal 2 durch die aufgerichteten Kompositfasern 3 beträgt 470 Pa.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Permanentmagnet als magnetfelderzeugendes Bauelement
- 2
- Strömungskanal
- 3
- Kompositfasern als faser- und/oder bandförmige Teile
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007095862 A1 [0005]
- US 2011211974 A1 [0006]
- US 2014271245 A1 [0007]
- DE 102014107599 A1 [0008]
