WO2018033239A1 - Fluidic actuator, in particular valve, and method for operating a fluidic actuator - Google Patents

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Hans-Ullrich Hansmann
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Drägerwerk AG & Co. KGaA
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    • F16K99/0042—Electric operating means therefor
    • F16K99/0049—Electric operating means therefor using an electroactive polymer [EAP]

Definitions

  • a predetermined or predefinable opening pressure is adjustable by means of an adjustment of an elongation and extensibility of the membrane.
  • Actuator in particular the valve is so configured in a manner that an opening of the valve only takes place when due to a pending medium, the predetermined opening pressure is reached or exceeded. A flow through the actuator or valve is therefore only when the
  • a further advantageous application of the approach described here and below is in the form of a fluidic, for example, as a pressure reducer, pressure stabilizer or volume flow
  • spring element 56 and spring element 58 engage directly or indirectly via a plunger 54 connected to the valve plate on the valve plate 52 on.
  • a pressure reducer 50 affects the pressure conditions in a fluidic branch or fluidic circuit, this acts as a fluidic actuator 50 and a pressure reducer 50 is thus a further example of a fluidic actuator 50th
  • Embodiments is regularly increased or decreased by means of a drive shown in the form of an eccentric drive and a guide 72, the volume of a chamber 74. This results in increasing the chamber volume to a volume flow flowing into the chamber 74 and reducing the chamber volume to a volumetric flow out of the chamber 74.
  • the pumping action and the direction of the volume flow through the chamber pump 70 result from the valve 10 designed as check valves on the inlet side and the outlet side of the chamber pump 70.

Abstract

The invention relates to a fluidic actuator (10) having at least one membrane (12) consisting of an electroactive polymer or a dielectric elastomer, such as a valve, having an actuator device (24) having means (26) for adjusting and detecting an elongation of the membrane and to a method for operating such a fluidic actuator.

Description

BESCHREIBUNG  DESCRIPTION
Fluidisches Stellglied, insbesondere Ventil, und Verfahren zum Betrieb eines fluidischen Stellglieds Fluidic actuator, in particular valve, and method of operating a fluidic actuator
Die Erfindung betrifft ein fluidisches Stellglied, zum Beispiel ein Ventil, The invention relates to a fluidic actuator, for example a valve,
insbesondere ein zur Verwendung in einem Medizingerät oder dergleichen bestimmtes fluidisches Stellglied, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines fluidischen Stellglieds. in particular a specific for use in a medical device or the like fluidic actuator, and a method for operating a fluidic actuator.
Fluidische Stellglieder, insbesondere Absperr-, Proportional-, Wege-, Druck- oder Stromventile und dergleichen, sind an sich bekannt. Ein als Absperr- oder Fluidic actuators, in particular shut-off, proportional, directional, pressure or flow valves and the like, are known per se. As a shut-off or
Proportionalventil fungierendes Ventil umfasst einen beweglichen Absperrkörper, welcher je nach Position einen Volumenstrom ganz oder teilweise sperrt oder freigibt. Der Antrieb des Absperrkörpers erfolgt meist elektromagnetisch und/oder mithilfe von Steuerdrücken in Kombination mit mechanischen Federn. Proportional valve acting valve includes a movable shut-off, which locks or releases depending on the position of a flow completely or partially. The drive of the shut-off is usually electromagnetic and / or using control pressures in combination with mechanical springs.
Die US 2004/0124384 A1 beschreibt einen pneumatischen Aktor zum US 2004/0124384 A1 describes a pneumatic actuator for
Expandieren oder Kontrahieren einer elastischen Membran. Ein die Membran beeinflussender Volumenstrom in den Aktor hinein oder aus dem Aktor hinaus wird mittels zweier jeweils als Absperrkörper fungierender elektrostatischer Klappenventile gesteuert. Expanding or contracting an elastic membrane. A volume flow influencing the membrane into the actuator or out of the actuator is controlled by means of two electrostatic flap valves which each function as shut-off bodies.
Die EP 1 679 032 A1 beschreibt eine Verwendung von elektroaktiven Elastomeren oder Polymeren zur Positionierung eines Absperrkörpers zum Zwecke einer Steuerung eines Luftstroms. EP 1 679 032 A1 describes a use of electroactive elastomers or polymers for positioning a shut-off body for the purpose of controlling an air flow.
Des Weiteren sind Ventile mit aus elektroaktiven Polymeren (EAP) gefertigten Membranen bekannt, deren Absperrkörper mittels einer Membran und gegen die Kraft einer mechanischen Feder bewegt wird. Aufgrund der Längenänderung der Furthermore, valves with membranes made of electroactive polymers (EAP) are known whose shut-off body is moved by means of a membrane and against the force of a mechanical spring. Due to the change in length of
BESTÄTIGUNGSKOPIE elektroaktiven Membran resultieren eine mechanische lineare Bewegung des Absperrkörpers und eine Öffnung eines Ventilspalts. CONFIRMATION COPY electroactive membrane results in a mechanical linear movement of the shut-off and an opening of a valve gap.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine weitere An object of the present invention is to provide another
Ausführungsform eines fluidischen Stellglieds mit elektroaktiven Polymeren oder dergleichen anzugeben, insbesondere eine Ausführungsform eines fluidischen Stellglieds, dessen jeweilige Einstellung leicht eindeutig vorgebbar ist. Specify embodiment of a fluidic actuator with electroactive polymers or the like, in particular an embodiment of a fluidic actuator, the respective setting is easily definable.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels eines fluidischen Stellglieds mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einem fluidischen Stellglied mit zumindest einer Membran aus einem elektroaktiven Polymer oder einem According to the invention this object is achieved by means of a fluidic actuator with the features of claim 1. This is in a fluidic actuator with at least one membrane of an electroactive polymer or a
dielektrischen Elastomer, insbesondere einem fluidischen Stellglied in Form eines Absperr- oder Proportionalventils, eine Aktuatorvorrichtung mit Mitteln zur dielectric elastomer, in particular a fluidic actuator in the form of a shut-off or proportional valve, an actuator device with means for
Einstellung einer Dehnung und einer Dehnbarkeit der Membran sowie zur Adjustment of elongation and extensibility of the membrane as well as
Erfassung einer jeweils tatsächlichen Dehnung der Membran vorgesehen. Detecting a respective actual expansion of the membrane provided.
Bei einem Verfahren zum Betrieb eines solchen fluidischen Stellglieds erfolgt mittels der Aktuatorvorrichtung eine Einstellung der Dehnung und Dehnbarkeit sowie eine Erfassung der tatsächlichen Dehnung der Membran und bei einer besonderen Ausführungsform erfolgt mittels eines von der Aktuatorvorrichtung umfassten Reglers die Einstellung der Dehnung der Membran entsprechend einem jeweils zugeführten Sollwert und anhand der jeweils erfassten tatsächlichen Dehnung der Membran. In a method for operating such a fluidic actuator by means of the actuator device, an adjustment of the elongation and extensibility as well as a detection of the actual strain of the membrane and in a particular embodiment, by means of a regulator comprised of the actuator, the adjustment of the elongation of the membrane according to a respectively supplied Setpoint and based on the actual detected strain of the membrane.
Zur Erläuterung der gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgesehenen To explain the provided in accordance with the approach presented here
Einstellung der Dehnung und der Dehnbarkeit der Membran sei angemerkt, dass aufgrund der Einstellung der Dehnung der Membran entlang der Längsachsen der sehr dünnen und damit näherungsweise zweidimensionalen Membran eine entsprechende Längenänderung resultiert. Entlang jeder Längsachse wird die Membran bei einer eingestellten erhöhten Dehnung demnach länger und bei einer eingestellten reduzierten Dehnung entsprechend kürzer. Mit der jeweils Adjustment of the elongation and extensibility of the membrane should be noted that due to the adjustment of the elongation of the membrane along the longitudinal axes of the very thin and thus approximately two-dimensional membrane results in a corresponding change in length. Along each longitudinal axis, the membrane becomes longer at a set increased strain and correspondingly shorter at a set reduced strain. With each
eingestellten Dehnung ist aber auch die Dehnbarkeit der Membran korreliert, denn mit der jeweils eingestellten Dehnung der Membran wird deren Elastizitätsmodul (E-Modul) verändert. Bei einer erhöhten Dehnung resultiert eine erleichterte/ erhöhte Dehnbarkeit und bei einer reduzierten Dehnung resultiert eine verringerte Dehnbarkeit. Eine Änderung der Dehnung einer Membran aufgrund einer entsprechenden Einstellung führt also stets auch zu einer Beeinflussung von deren Dehnbarkeit und entsprechend ist eine Einstellung einer Dehnung einer Membran aus einem elektroaktiven Polymer oder einem dielektrischen Elastomer stets eine Einstellung von deren Dehnung und deren Dehnbarkeit. However, the elongation of the membrane is also correlated with the elongation that has been set since the elasticity modulus (modulus of elasticity) is changed with the respectively set elongation of the membrane. Increased elongation results in a relieved / increased extensibility and reduced elongation results in reduced extensibility. A change in the elongation of a membrane due to a corresponding adjustment thus always leads to an influence on their extensibility and, accordingly, an adjustment of an elongation of a membrane made of an electroactive polymer or a dielectric elastomer is always an adjustment of their elongation and their extensibility.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass nicht nur die Dehnung und die Dehnbarkeit der Membran eingestellt werden, sondern dass auch die eingestellte Dehnung und/oder die im Betrieb resultierende Dehnung erfasst wird. Damit kann automatisch geprüft werden, ob die tatsächlich gegebene Dehnung einer jeweiligen Vorgabe entspricht. Die Erfassung der eingestellten oder resultierenden Dehnung ermöglicht auch eine Regelung zum exakten Erhalt einer Dehnung gemäß einer jeweiligen Vorgabe. Zusätzlich oder alternativ ermöglicht die An advantage of the invention is that not only the elongation and the extensibility of the membrane are adjusted, but also the set elongation and / or the elongation resulting in operation is detected. This can be used to automatically check whether the actual elongation corresponds to a given specification. The detection of the set or resulting strain also allows a control to accurately obtain an elongation according to a respective specification. Additionally or alternatively, the
Erfassung der eingestellten oder resultierenden Dehnung auch die Verarbeitung eines die tatsächliche Dehnung kodierenden Signals durch eine dem fluidischen Stellglied funktional übergeordnete Einheit, zum Beispiel eine Steuerungseinheit eines medizinischen Geräts oder dergleichen, welche einerseits einen Sollwert für eine gewünschte Dehnung der Membran an das fluidische Stellglied ausgibt und andererseits ein solches Signal verarbeitet, um zum Beispiel bei einem fluidischen Stellglied in Form eines Proportionalventils einen Fluss durch das Ventil zu ermitteln und auf dieser Basis Volumina eines durch das Ventil geströmten Detection of the set or resulting strain also the processing of a signal encoding the actual strain by a fluidic actuator functionally superior unit, for example a control unit of a medical device or the like, which on the one hand outputs a desired value for a desired expansion of the membrane to the fluidic actuator and on the other hand processes such a signal, for example, to determine a flow through the valve in a fluidic actuator in the form of a proportional valve and on this basis volumes of a flowed through the valve
Mediums zu berechnen. To calculate medium.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. Here used backlinks point to the further development of the subject matter of the main claim by the features of the respective
Unteranspruches hin und sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist. Bei einer Ausführungsform eines fluidischen Stellglieds umfasst dessen Unteranspres and are not to be understood as a waiver of the achievement of an independent, objective protection for the feature combinations of the related sub-claims. Furthermore, with a view to an interpretation of the claims in a closer specification of a feature in a subordinate claim, it is to be assumed that such a restriction does not exist in the respective preceding claims. In one embodiment of a fluidic actuator includes the
Aktuatorvorrichtung als Mittel zur Einstellung einer Dehnung und Dehnbarkeit der Membran sowie zur Erfassung einer tatsächlichen Dehnung der Membran zumindest eine Sensorik und eine Steuereinheit, wobei mittels der Sensorik ein Maß für eine elektrische Kapazität der Membran erfassbar ist und wobei mittels der Steuereinheit in Abhängigkeit von dem erfassten Maß für die elektrische Kapazität der Membran diese zur Einstellung von deren Dehnung und Dehnbarkeit mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist. Beim Betrieb eines solchen fluidischen Stellglieds wird die Membran mittels der Steuereinheit mit einer Actuator device as means for adjusting an elongation and extensibility of the membrane and for detecting an actual elongation of the membrane at least one sensor and a control unit, wherein by means of the sensor, a measure of an electrical capacitance of the membrane can be detected and wherein by means of the control unit in dependence on the detected Measure of the electrical capacitance of the membrane, this can be acted upon to set their elongation and extensibility with an electrical voltage. In the operation of such a fluidic actuator, the membrane by means of the control unit with a
Spannung beaufschlagt und mittels der Sensorik, insbesondere einer Sensorik in Form einer Impedanzmessbrücke, die tatsächliche Dehnung der Membran erfasst, zum Beispiel indem ein für die Dehnung der Membran charakteristischer Messwert erfasst wird. Die Beaufschlagung der Membran mit der jeweiligen elektrischen Spannung erfolgt abhängig von der mittels der Sensorik erfassten tatsächlichen Dehnung der Membran, so dass mittels der Steuereinheit eine Korrektur möglich ist, solange eine resultierende Dehnung unter einer gewünschten Dehnung liegt oder sobald die resultierende Dehnung die gewünschten Dehnung überschreitet. Voltage applied and detected by means of the sensor, in particular a sensor in the form of an impedance measuring bridge, the actual strain of the membrane, for example by a characteristic of the elongation of the membrane measured value is detected. The loading of the membrane with the respective electrical voltage is effected as a function of the actual elongation of the membrane detected by the sensor, so that a correction is possible by means of the control unit, as long as a resulting elongation is below a desired elongation or as soon as the resulting elongation exceeds the desired elongation ,
Bei einer besonderen Ausführungsform eines fluidischen Stellglieds umfasst dessen Aktuatorvorrichtung einen Regler zur Einstellung der Dehnung der In a particular embodiment of a fluidic actuator whose actuator device comprises a regulator for adjusting the elongation of
Membran entsprechend einem der Aktuatorvorrichtung zuführbaren und im Betrieb zugeführten Sollwert. Mittels eines Reglers gelingt eine besonders exakte Membrane according to one of the actuator device can be fed and supplied during operation setpoint. By means of a regulator succeeds a particularly accurate
Einstellung der Dehnung und es ist folglich gewährleistet, dass die resultierende Dehnung der jeweils gewünschten Dehnung sehr genau entspricht. Adjustment of the elongation and it is thus ensured that the resulting elongation of the respective desired elongation corresponds very precisely.
Mittels des Sollwerts kann im Wege der damit bewirkten Vorgabe der Dehnung und Dehnbarkeit der Membran bei einem fluidischen Stellglied in Form eines Ventils dieses geöffnet und geschlossen werden, indem eine hohe oder maximale bzw. eine geringe oder minimale Dehnung ausgewählt wird. Bei einem fluidischen Stellglied in Form eines Proportionalventils können auch Zwischenstellungen zwischen dem geschlossenen und dem geöffneten Zustand durch Vorgabe einer entsprechenden Dehnung und Dehnbarkeit ausgewählt werden. Bei einer nochmals weiteren Ausführungsform eines fluidischen Stellglieds umfasst dessen Aktuatorvorrichtung auch zumindest eine Spannungsquelle, mittels derer die Membran zur Einstellung von deren Dehnung und Dehnbarkeit mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist. Wenn die Aktuatorvorrichtung die zur Einstellung der Dehnung und Dehnbarkeit der Membran vorgesehene Spannungsquelle selbst umfasst, ergibt sich als fluidisches Stellglied eine autarke oder im Wesentlichen autarke Einheit, welcher zum Beispiel nur ein Sollwert zur Vorgabe einer jeweils gewünschten Dehnung und Dehnbarkeit der Membran zuführbar ist und im Betrieb zugeführt wird und die ansonsten keine weiteren Anschlüsse benötigt. By means of the desired value, this can be opened and closed in the way of the specification of the expansion and extensibility of the diaphragm in the case of a fluidic actuator in the form of a valve, by selecting a high or maximum or a low or minimum elongation. In a fluidic actuator in the form of a proportional valve and intermediate positions between the closed and the open state by specifying a corresponding elongation and extensibility can be selected. In yet another embodiment of a fluidic actuator whose actuator device also comprises at least one voltage source, by means of which the membrane for setting its elongation and extensibility can be acted upon by an electrical voltage. If the actuator device comprises the voltage source itself provided for adjusting the elongation and extensibility of the membrane, a self-sufficient or substantially self-sufficient unit results, for example, only one desired value for specifying a respective desired elongation and extensibility of the membrane can be supplied as fluidic actuator and in Operation is supplied and otherwise no further connections needed.
Bei einer besonderen Ausführungsform eines fluidischen Stellglieds, insbesondere einem fluidischen Stellglied in Form eines Absperr- oder Proportionalventils, ist mittels einer Einstellung einer Dehnung und Dehnbarkeit der Membran ein vorgegebener oder vorgebbarer Öffnungsdruck einstellbar. Das fluidische In a particular embodiment of a fluidic actuator, in particular a fluidic actuator in the form of a shut-off or proportional valve, a predetermined or predefinable opening pressure is adjustable by means of an adjustment of an elongation and extensibility of the membrane. The fluidic
Stellglied, insbesondere das Ventil, ist damit in einer Art und Weise konfiguriert, dass eine Öffnung des Ventils nur dann erfolgt, wenn aufgrund eines anstehenden Mediums der vorgegebene Öffnungsdruck erreicht oder überschritten ist. Ein Fluss durch das Stellglied oder Ventil erfolgt demnach nur dann, wenn der Actuator, in particular the valve is so configured in a manner that an opening of the valve only takes place when due to a pending medium, the predetermined opening pressure is reached or exceeded. A flow through the actuator or valve is therefore only when the
Öffnungsdruck erreicht oder überschritten ist. Dies eröffnet vielfältige Opening pressure reached or exceeded. This opens manifold
Einsatzmöglichkeiten zum Beispiel in einem Medizingerät, etwa einem Possible uses for example in a medical device, such as a
Medizingerät in Form eines Beatmungsgeräts. Bei einem Verfahren zum Betrieb eines solchen fluidischen Stellglieds, insbesondere eines fluidischen Stellglieds in Form eines Absperr- oder Proportionalventils, wird mittels einer Einstellung einer Dehnung und Dehnbarkeit der Membran ein vorgegebener oder vorgebbarer Öffnungsdruck eines Ventils eingestellt. Medical device in the form of a ventilator. In a method for operating such a fluidic actuator, in particular a fluidic actuator in the form of a shut-off or proportional valve, a predetermined or predefinable opening pressure of a valve is adjusted by means of an adjustment of an elongation and extensibility of the membrane.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform eines fluidischen Stellglieds ist vorgesehen, dass dieses zumindest zwei antiparallele fluidische Stellglieder der hier und im folgenden beschriebenen Art umfasst, zum Beispiel zwei fluidische Stellglieder in Form von antiparallelen Absperr- und/oder Proportionalventilen. Eine Vorrichtung mit zumindest zwei derartigen fluidischen Stellgliedern oder Ventilen fungiert selbst als fluidisches Stellglied und fungiert bei davon umfassten fluidischen Stellgliedern in Form von Ventilen als Ventilgruppe mit zumindest zwei antiparallelen Ventilen. Mittels einer solchen Ventilgruppe mit zumindest zwei antiparallelen Ventilen lässt sich eine Flussrichtung und ein Volumenstrom durch die Ventilgruppe in weiten Grenzen durch die Vorgabe der Dehnung und In a further particular embodiment of a fluidic actuator is provided that this comprises at least two antiparallel fluidic actuators of the type described here and in the following, for example, two fluidic actuators in the form of anti-parallel shut-off and / or proportional valves. A device with at least two such fluidic actuators or valves acts as a fluidic actuator and acts as a valve group with at least two fluidic actuators in the form of valves anti-parallel valves. By means of such a valve group with at least two antiparallel valves can be a flow direction and a flow through the valve group within wide limits by the specification of the elongation and
Dehnbarkeit der von den Ventilen der Ventilgruppe umfassten Membranen einstellen.  Adjust the extensibility of the diaphragms covered by the valves of the valve group.
Eine weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit des hier und im Folgenden beschriebenen Ansatzes besteht in Form eines zum Beispiel als Druckminderer, Druckkonstanter oder Volumenstromkonstanter fungierenden fluidischen A further advantageous application of the approach described here and below is in the form of a fluidic, for example, as a pressure reducer, pressure stabilizer or volume flow
Stellglieds, welches eine Ventilplatte aufweist, die mittels zumindest einer ersten und einer zweiten in ihrer Dehnung und Dehnbarkeit einstellbaren Membran beweglich gehaltert ist. Durch die Beweglichkeit der Ventilplatte ist bei einem Druckminderer, Druckkonstanter oder Volumenstromkonstanter ein jeweiliger Hinterdruck beeinflussbar. Die Beweglichkeit der Ventilplatte ist durch die Actuator, which has a valve plate which is movably supported by means of at least a first and a second adjustable in their elongation and extensibility membrane. Due to the mobility of the valve plate, a respective back pressure can be influenced in the case of a pressure reducer, pressure stabilizer or volume flow constant. The mobility of the valve plate is through the
Einstellung der Dehnung und Dehnbarkeit der zumindest zwei die Ventilplatte haltenden Membranen beeinflussbar. Damit ist insgesamt der Hinterdruck durch Einstellung der Dehnung und Dehnbarkeit der Membranen auf einen jeweils gewünschten Hinterdruck einstellbar und bei einem Verfahren zum Betrieb eines zum Beispiel als Druckminderer, Druckkonstanter oder Volumenstromkonstanter fungierenden fluidischen Stellglieds wird mittels einer Einstellung einer Dehnung und Dehnbarkeit der Membranen ein vorgegebener oder vorgebbarer Hinterdruck des Druckminderers, Druckkonstanters oder Volumenstromkonstanters eingestellt. Adjustment of the elongation and extensibility of the at least two membranes holding the valve plate influenced. Thus, a total of the back pressure by adjusting the elongation and extensibility of the membranes to a respective desired back pressure adjustable and in a method for operating a, for example, as a pressure reducer, Druckkonstanter or Volumenstromkonstanter acting fluidic actuator is by means of a setting of an elongation and extensibility of the membranes a predetermined or predefinable back pressure of the pressure reducer, pressure condenser or volume flow adjuster is set.
Eine nochmals weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit des hier und im Yet another advantageous application of the here and in the
Folgenden beschriebenen Ansatzes besteht in Form einer Kammerpumpe, insbesondere einer Membran- oder Kolbenpumpe, mit zumindest einem The approach described below consists in the form of a chamber pump, in particular a membrane or piston pump, with at least one
fluidischen Stellglied mit zumindest einer in ihrer Dehnung und Dehnbarkeit einstellbaren Membran. Damit ist bei einer solchen Kammerpumpe das fluidic actuator with at least one adjustable in their elongation and extensibility membrane. This is the case with such a chamber pump
Fördervolumen, die Förderrichtung und/oder der Förderdruck einstellbar oder beeinflussbar. Delivery volume, the conveying direction and / or the delivery pressure adjustable or influenced.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Corresponding objects or elements are provided in all figures with the same reference numerals. The or each embodiment is not to be understood as limiting the invention. Rather, within the scope of the present disclosure
Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten und Kombinationen, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe Variations and modifications are possible, in particular such variants and combinations, for example by combination or modification of individual in conjunction with the general or specific description part described and included in the claims and / or the drawing features for those skilled in the art with a view to the solution task
entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand führen. are removable and lead by combinable features to a new object.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 ein Ventil als Beispiel für ein fluidisches Stellglied, 1 shows a valve as an example of a fluidic actuator,
Figur 2 eine EAP-Membran mit einer Spannungsquelle und einer Sensorik, FIG. 2 shows an EAP membrane with a voltage source and a sensor system,
Figur 3 ein Ventil gemäß Figur 1 mit zumindest einer Membran gemäß Figur 2 und einer Aktuatorvorrichtung zur Einstellung einer Dehnung und FIG. 3 shows a valve according to FIG. 1 with at least one membrane according to FIG. 2 and an actuator device for setting an expansion and FIG
Dehnbarkeit der Membran sowie zur Erfassung einer jeweils tatsächlichen Dehnung der Membran,  Extensibility of the membrane and for detecting a respective actual elongation of the membrane,
Figur 4 und FIG. 4 and FIG
Figur 5 eine Ventilgruppe mit zwei antiparallelen Ventilen gemäß Figur 3, Figur 6 und  5 shows a valve group with two antiparallel valves according to Figure 3, Figure 6 and
Figur 7 einen Druckminderer bzw. einen Druckkonstanter als weitere Beispiele für ein fluidisches Stellglied,  7 shows a pressure reducer or a pressure stabilizer as further examples of a fluidic actuator, FIG.
Figur 8 mit Teilfiguren 8A, 8B und 8C eine Kammerpumpe mit einem ein- und ausgangsseitigen Ventil gemäß Figur 3 sowie Figure 8 with sub-figures 8A, 8B and 8C, a chamber pump with an inlet and outlet side valve according to Figure 3 and
Figur 9 mit Teilfiguren 9A, 9B und 9C eine Kammerpumpe mit einer ein- und ausgangsseitigen Ventilgruppe gemäß Figur 4 und Figur 5. Die Darstellung in Figur 1 zeigt als Beispiel für ein fluidisches Stellglied 10 ein Ventil 10 mit zumindest einer Membran 12 in einer schematisch vereinfachten Schnittdarstellung. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Ventil 10 zwei vorgespannte Membranen 12, welche an einem mittels der Membranen 12 beweglichen Absperrkörper 14 angreifen, zum Beispiel einer als Absperrkörper 14 fungierenden Ventilplatte. Mittels des Absperrkörpers 14 wird eine von einem umlaufenden Rand eingeschlossene Öffnung (Krater 16) in einer Grenzfläche 18 verschlossen oder freigegeben. Der Rand des Kraters 16 kann eine Höhe gleich oder nahe Null haben, so dass der Krater 16 im einfachsten Fall eine Öffnung in einer Grenzfläche 18 ist, zum Beispiel einer Grenzfläche 18 mit Bereichen mit einem unterschiedlichen Druck. 9 with subfigures 9A, 9B and 9C, a chamber pump with an inlet and outlet side valve group according to Figure 4 and Figure 5. The illustration in Figure 1 shows an example of a fluidic actuator 10, a valve 10 having at least one membrane 12 in a schematically simplified sectional view. In the embodiment shown, the valve 10 comprises two prestressed membranes 12, which engage a movable by means of the membranes 12 shut-off 14, for example, acting as a shut-off valve 14 valve plate. By means of the shut-off body 14, an opening (crater 16) enclosed by a peripheral edge is closed or released in an interface 18. The edge of the crater 16 may have a height equal to or near zero, so that in the simplest case the crater 16 is an opening in an interface 18, for example an interface 18 with regions of a different pressure.
Anstelle zweier Membranen 12 und eines Absperrkörpers 14 kommt auch eine einzelne, vorgespannte und den Krater 16 überspannende Membran 12 in Instead of two membranes 12 and a shut-off body 14 is also a single, biased and the crater 16 spanning membrane 12 in
Betracht. Die Membran 12 fungiert dann selbst als Absperrkörper 14. Die Consideration. The membrane 12 then acts itself as a shut-off 14. The
Beschreibung wird - ohne Verzicht auf eine weitergehende Allgemeingültigkeit - zunächst anhand der dargestellten Ausführungsform fortgesetzt, also anhand eines mittels zweier längenveränderlicher Membranen 12 beweglichen Description is - without renouncing a broader general validity - first continued on the basis of the illustrated embodiment, that is, on the basis of a variable by means of two variable-length membranes 12
Absperrkörpers 14. Anstelle mehrerer Membranen 12 und eines Absperrkörpers 14 kommt, wie vorstehend skizziert, auch eine einzelne längenveränderliche Membran 12 in Betracht. Dies ist bei der nachfolgenden Beschreibung stets mitzulesen und als von der hier vorgelegten Beschreibung mit umfasst anzusehen. Shut-off 14. Instead of several membranes 12 and a shut-off body 14 comes, as outlined above, and a single variable-length membrane 12 into consideration. This should always be read in the following description and considered to be covered by the description presented here.
Das in Figur 1 gezeigte Ventil 10 umfasst einen beweglichen Absperrkörper 14, der in den Darstellungen als mittels der vorgespannten und in ihrer Dehnung und Dehnbarkeit einstellbaren, längenveränderlichen Membranen 12 bewegliche Platte gezeigt ist. Bei der Platte handelt es sich zum Beispiel um eine Platte aus einem Werkstoff wie zum Beispiel EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) oder PEEK (Polyetheretherketon). Der Absperrkörper 14 dichtet bei geschlossenem Ventil 14 gegen den Krater 16 ab, dessen Ränder in der Schnittdarstellung schematisch vereinfacht als Blockpfeile gezeigt sind. Der Absperrkörper 14 wird mittels mindestens zweier jeweils seitlich angreifender und gegenüberliegend im The valve 10 shown in Figure 1 comprises a movable shut-off body 14, which is shown in the illustrations as a movable plate by means of the prestressed and adjustable in their elongation and extensibility, variable-length membranes 12. The plate is, for example, a plate of a material such as EPDM (ethylene-propylene-diene rubber) or PEEK (polyetheretherketone). The shut-off 14 seals when the valve 14 is closed against the crater 16, whose edges are shown schematically simplified in the sectional view as block arrows. The shut-off body 14 is by means of at least two each laterally attacking and opposite in the
Randbereich des Kraters 16 fixierter, vorgespannter Membranen 12 gehalten. Diese sind aus einem elektroaktiven Polymer (EAP) oder einem dielektrischen Elastomer (DEA) hergestellt. Bei den Membranen 12 handelt es sich folglich um längenveränderliche und in ihrer Dehnung und Dehnbarkeit einstellbare EAP- Membranen 12 oder längenveränderliche und in ihrer Dehnung und Dehnbarkeit einstellbare DEA-Membranen 12. Im Wege einer Einstellung der Dehnung und Dehnbarkeit der Membranen 12 wird die Vorspannung erhöht oder verringert. Bei einer reduzierten Vorspannung wird der Absperrkörper 14 mittels der Membranen 12 weniger stark auf den Krater gepresst und das Ventil 10 öffnet bereits bei einem geringeren, aufgrund eines anstehenden Mediums auf den Absperrkörper 14 wirkenden Druck (der Öffnungsdruck des Ventils 10 ist aufgrund der Edge region of the crater 16 fixed, prestressed membranes 12 held. These are made of an electroactive polymer (EAP) or a dielectric elastomer (DEA). Consequently, the diaphragms 12 are variable-length EAP membranes 12 adjustable in their elongation and extensibility or variable in length and adjustable in their elongation and extensibility DEA membranes 12. By adjusting the elongation and extensibility of the membranes 12, the bias voltage is increased or decreased. At a reduced bias the shut-off body 14 is pressed by the membranes 12 less strong on the crater and the valve 10 opens even at a lower, acting on the shut-off 14 due to a pending medium pressure (the opening pressure of the valve 10 is due to the
eingestellten Dehnung und Dehnbarkeit der Membranen 12 reduziert). Bei einer erhöhten Vorspannung wird der Absperrkörper 14 stärker auf den Krater 16 gepresst. Das Ventil öffnet demnach erst bei einem entsprechend höheren, aufgrund eines anstehenden Mediums auf den Absperrkörper 14 wirkenden Druck (der Öffnungsdruck des Ventils 10 ist aufgrund der eingestellten Dehnung und Dehnbarkeit der Membranen 12 erhöht). adjusted elongation and ductility of the membranes 12 is reduced). At an increased bias of the shut-off body 14 is pressed more strongly on the crater 16. Accordingly, the valve opens only at a corresponding higher, due to a pending medium acting on the shut-off 14 pressure (the opening pressure of the valve 10 is increased due to the set elongation and extensibility of the membranes 12).
Die weitere Beschreibung wird - ohne Verzicht auf eine weitergehende The rest of the description will - without waiving any further
Allgemeingültigkeit - am Beispiel von Ventilen 10 mit EAP-Membranen 12 fortgesetzt. DEA-Membranen 12 anstelle der EAP-Membranen 12 oder zusätzlich zu den EAP-Membranen 12 sind dabei stets mitzulesen und als von der hier vorgelegten Beschreibung mit umfasst anzusehen. Darüber hinaus ist jede Generality - continued with the use of valves 10 with EAP membranes 12. DEA membranes 12 instead of the EAP membranes 12 or in addition to the EAP membranes 12 are always to be read and regarded as included in the description presented here. In addition, each one is
Verwendung des allgemeinen Begriffs„Membran" als„EAP- oder DEA-Membran" zu lesen. Use of the general term "membrane" as "EAP or DEA membrane" to read.
Die Darstellung in Figur 1 zeigt das Ventil 10 in einer geöffneten Stellung (der Absperrkörper 14 ist vom Rand des Kraters 16 abgehoben und gibt zumindest einen Ventilspalt frei). An die Membranen 12 ist dafür eine elektrische Spannung angelegt. Bekanntlich führt eine an eine EAP-/DEA-Membran 12 angelegte elektrische Spannung zu einer in Abhängigkeit von der jeweiligen Spannung erhöhten Dehnung und Dehnbarkeit der Membran 12 und im Ergebnis dazu, dass sich die Membran 12 proportional zur angelegten Spannung in ihrer Fläche ausdehnt und sich gleichzeitig die Dicke der Membran 2 verringert, weil sich das Gesamtmaterial der Membran 12 auf die resultierende vergrößerte Fläche verteilt. Die proportional mit der angelegen Spannung erhöhte Dehnung und die The illustration in Figure 1 shows the valve 10 in an open position (the shut-off 14 is lifted from the edge of the crater 16 and at least one valve gap free). An electrical voltage is applied to the membranes 12 for this purpose. As is well known, an electrical voltage applied to an EAP / DEA membrane 12 results in increased elongation and extensibility of the membrane 12 depending on the particular stress, and as a result, the membrane 12 expands and contracts in proportion to the applied stress simultaneously reduces the thickness of the membrane 2, because the total material of the membrane 12 is distributed over the resulting enlarged area. The proportionally with the applied tension increased elongation and the
resultierende geringere Dicke führt zu einer Vergrößerung der Länge der  resulting smaller thickness leads to an increase in the length of
Membran 12. Dadurch und aufgrund der mit der erhöhten Dehnung  Membrane 12. This and because of the increased strain
einhergehenden erhöhten Dehnbarkeit kann sich der Absperrkörper 14, welcher bisher mittels der zuvor gespannten Membranen 12 auf den Krater 16 gepresst wurde, bei einem entsprechenden Druck eines anstehenden Mediums vom Rand des Kraters 16 lösen und somit einen Ventilspalt freigeben (das Ventil 10 öffnet). accompanying increased extensibility, the shut-off 14, which was previously pressed by means of the previously strained membranes 12 on the crater 16, at a corresponding pressure of a pending medium from the edge of the crater 16 release and thus release a valve gap (the valve 10 opens).
Die beim Bewegen des Absperrkörpers 14 relativ zum Krater 16 wirkenden Kräfte sind in der Darstellung in Figur 1 durch Pfeile veranschaulicht. Zum einen wirkt aufgrund der elastischen Dehnung der Membranen 12 eine Kraft entlang der jeweiligen Membran 12 in Richtung auf die Umgebung des Kraters 16 und die dortige Fixierung jeder Membran 12. Diese Kräfte führen zu einer resultierenden, auf den Absperrkörper 14 wirkenden Kraft, welche dem Druck des jeweiligen Mediums entgegenwirkt, dessen Fluss mittels des Ventils 10 gesteuert werden soll. Wenn die mittels der Membranen 12 auf den Absperrkörper 14 ausgeübte Kraft (Verschlusskraft) größer als die Kraft ist, welche aufgrund des jeweiligen Mediums auf den Absperrkörper 14 wirkt, bleibt das Ventil 10 geschlossen. Wenn die aufgrund des jeweiligen Mediums auf den Absperrkörper 14 wirkende Kraft größer als die Verschlusskraft ist, öffnet das Ventil 10. The forces acting upon movement of the shut-off body 14 relative to the crater 16 are illustrated by arrows in the illustration in FIG. On the one hand, due to the elastic elongation of the membranes 12, a force acts along the respective membrane 12 in the direction of the surroundings of the crater 16 and the fixation of each membrane 12 there. These forces lead to a resultant force acting on the shut-off body 14, which is the pressure counteracts the respective medium whose flow is to be controlled by the valve 10. If the force exerted by the membranes 12 on the shut-off body 14 (closing force) is greater than the force acting on the shut-off body 14 due to the respective medium, the valve 10 remains closed. When the force acting on the shut-off body 14 due to the respective medium is greater than the closing force, the valve 10 opens.
Die Darstellung in Figur 2 zeigt eine einzelne Membran 12 eines Ventils 0 gemäß Figur 1. An die Membran 12 ist mittels einer Spannungsquelle 20 (in der The illustration in FIG. 2 shows a single membrane 12 of a valve 0 according to FIG. 1. The membrane 12 is connected to the membrane 12 by means of a voltage source 20 (in FIG
Darstellung in Figur 2 ohne Verzicht auf eine weitergehende Allgemeingültigkeit als Gleichspannungsquelle gezeigt) eine Spannung, zum Beispiel eine Representation in Figure 2 without waiving further generality as a DC voltage source shown) a voltage, for example a
Gleichspannung oder eine Wechselspannung mit einer Frequenz unterhalb eines Schwellwerts, anlegbar und im Betrieb angelegt. Mittels der jeweiligen Spannung werden eine Dicke und Länge der Membran 12 (Dehnung) sowie eine Dehnbarkeit (Elastizitätsmodul; E-Modul) der Membran 12 beeinflusst und eingestellt. Mittels einer Sensorik 22 ist eine jeweilige elektrische Kapazität der Membran 12 messbar und wird beim Betrieb der Sensorik 22 gemessen. Die elektrische Kapazität der Membran 12 ist proportional zu deren Fläche und umgekehrt proportional zur Dicke der Membran 12. Die elektrische Kapazität der Membran 12 ist damit ein Maß für deren spannungsabhängige Dicken- und Längenänderung sowie ein Maß für deren tatsächliche Dehnung. DC voltage or an AC voltage with a frequency below a threshold value, can be applied and applied during operation. By means of the respective stress, a thickness and length of the membrane 12 (elongation) as well as an extensibility (elastic modulus, modulus of elasticity) of the membrane 12 are influenced and adjusted. By means of a sensor 22, a respective electrical capacitance of the membrane 12 can be measured and is measured during operation of the sensor 22. The electrical capacity of the membrane 12 is proportional to its area and inversely proportional to the thickness of the membrane 12. The electrical capacity of the membrane 12 is thus a Measure for their voltage-dependent thickness and length change and a measure of their actual elongation.
Die Messung der elektrischen Kapazität der Membran 12 erfolgt zum Beispiel in Form einer Impedanzmessung, insbesondere mittels einer Sensorik 22 in Form einer an sich bekannten Wechselspannungsbrücke/Impedanzmessbrücke. Die Sensorik 22 umfasst bei einer Ausführung als Impedanzmessbrücke in an sich bekannter Art und Weise eine Wechselspannungsquelle zur Speisung der The measurement of the electrical capacitance of the membrane 12 takes place, for example, in the form of an impedance measurement, in particular by means of a sensor system 22 in the form of a known AC bridge / impedance measuring bridge. The sensor 22 includes in an embodiment as an impedance measuring bridge in a conventional manner, an AC voltage source for feeding the
Messbrücke (nicht gezeigt) sowie ein für Wechselspannung empfindliches Measuring bridge (not shown) and a sensitive for AC voltage
Messgerät zur Bestimmung der sogenannten Brückenquerspannung. Die Measuring device for determining the so-called transverse bridge voltage. The
Membran 12 ist einer der Brückenwiderstände der Messbrücke und die Sensorik 22 ist insoweit geeignet an diese angeschlossen. Die elektrische Kapazität der Membran 12 wird mittels einer solchen Sensorik 22 in an sich bekannter Art und Weise durch Abgleich der Brückenwiderstände gemessen. Eine Frequenz der Wechselspannung, mit welcher die Sensorik 22 betrieben wird, liegt zumindest oberhalb einer Frequenz der Spannungsquelle 20. Eine Frequenz der Membrane 12 is one of the bridge resistors of the measuring bridge and the sensor 22 is suitably connected to this. The electrical capacitance of the membrane 12 is measured by means of such a sensor 22 in a conventional manner by adjusting the bridge resistance. A frequency of the alternating voltage with which the sensor system 22 is operated lies at least above a frequency of the voltage source 20. A frequency of the
Spannungsquelle 20 liegt zum Beispiel im Bereich von 0 Hz (Gleichspannung) bis ca. 10 kHz. Bei Gleichspannung resultiert eine konstante Einstellung der Dehnung und Dehnbarkeit der Membran 12. Bei einer Wechselspannung resultiert eine der Frequenz der Wechselspannung folgende Einstellung der Dehnung und Voltage source 20 is for example in the range of 0 Hz (DC) to about 10 kHz. With DC voltage results in a constant adjustment of the elongation and extensibility of the membrane 12. In an AC voltage results in the frequency of the AC voltage following adjustment of the elongation and
Dehnbarkeit der Membran 12. Eine Frequenz der Wechselspannung, mit welcher die Sensorik 22 betrieben wird, liegt oberhalb der Frequenzen, mit der eine Elongation of the membrane 12. A frequency of the alternating voltage, with which the sensor 22 is operated, is above the frequencies with which a
Membran 12 mittels der Spannungsquelle 20 im Betrieb zur Einstellung von deren Dehnung und Dehnbarkeit beaufschlagt werden kann, also oberhalb einer Membrane 12 can be acted upon by the voltage source 20 in operation for adjusting their elongation and extensibility, ie above a
Betriebsfrequenz von zum Beispiel 100 kHz. Operating frequency of, for example, 100 kHz.
Ein mittels einer solchen oder ähnlichen Sensorik 22 erhältlicher Messwert für die elektrische Kapazität der Membran 12 ist ein Maß für die jeweilige Dehnung der Membran 12 und damit auch ein Maß für den Auslenkungszustand der Membran 12. Der Messwert für die elektrische Kapazität der Membran 12 repräsentiert somit eine Kenngröße für einen jeweiligen Öffnungsdruck oder einen tatsächlichen Durchfluss des jeweiligen Mediums durch das Ventil 10. Mittels einer solchen Sensorik 22 ist jederzeit und ohne großen Aufwand ein Maß für eine jeweilige Ventilstellung erhältlich. Ein solcher Messwert kann für eine genaue Einstellung einer Ventilstellung eines als Proportionalventil fungierenden Ventils 10 verwendet werden. A measured value for the electrical capacitance of the membrane 12 obtainable by means of such a sensor or similar sensor 22 is a measure of the respective expansion of the membrane 12 and thus also a measure of the deflection state of the membrane 12. The measured value for the electrical capacitance of the membrane 12 thus represents a parameter for a respective opening pressure or an actual flow of the respective medium through the valve 10. By means of such a sensor 22, a measure of a respective valve position is available at any time and without much effort. Such a reading may be for an accurate setting a valve position of acting as a proportional valve valve 10 may be used.
Die Darstellung in Figur 3 zeigt insoweit - schematisch vereinfacht - eine The illustration in Figure 3 shows so far - simplified schematically - a
Aktuatorvornchtung 24 mit einem Ventil 10 gemäß Figur 1. Diese umfasst eine Steuereinheit 26, welche für die oder jede Membran 12 eine Spannungsquelle 20 und eine Sensorik 22 der zuvor beschriebenen Art umfasst. Alternativ ist die Spannungsquelle 20 eine von der Aktuatorvornchtung 24 räumlich getrennte, aber mittels der Aktuatorvornchtung 24 unmittelbar oder mittelbar ansteuerbare Actuator device 24 with a valve 10 according to FIG. 1. It comprises a control unit 26, which for the or each membrane 12 comprises a voltage source 20 and a sensor 22 of the previously described type. Alternatively, the voltage source 20 is one of the Aktuatorvornchtung 24 spatially separated, but by means of Aktuatorvornchtung 24 directly or indirectly controllable
Spannungsquelle 20. Voltage source 20.
Der Steuereinheit 26 ist ein Sollwert 28 für eine gewünschte Dehnung und The control unit 26 is a setpoint 28 for a desired elongation and
Dehnbarkeit der Membran 12 oder ein Sollwert 28 für einen gewünschten Elongation of the membrane 12 or a desired value 28 for a desired
Öffnungsdruck oder ein Sollwert 28 für eine gewünschte Ventilstellung zuführbar. Der gewünschte Öffnungsdruck und die gewünschte Ventilstellung bezeichnen im Wesentlichen dasselbe: Die jeweils eingestellte Dehnung und Dehnbarkeit der Membran 12 bestimmt, bei welchem Öffnungsdruck das Ventil 10 öffnet. Wenn an dem Ventil 10 ein Medium mit einem Druck größer als der Öffnungsdruck ansteht, öffnet das Ventil demnach. Wenn also ein Öffnungsdruck kleiner oder größer als der Druck des anstehenden Mediums eingestellt wird, wird auch die gewünschte Ventilstellung vorgegeben. Opening pressure or a target value 28 for a desired valve position fed. The desired opening pressure and the desired valve position essentially designate the same: The respective set elongation and extensibility of the membrane 12 determines at which opening pressure the valve 10 opens. If a medium with a pressure greater than the opening pressure is applied to the valve 10, the valve opens accordingly. Thus, if an opening pressure is set smaller or larger than the pressure of the pending medium, the desired valve position is also specified.
Anhand des Sollwerts 28 wird mittels einer dafür vorgesehenen Funktionseinheit, zum Beispiels mittels eines Reglers 30, eine Stellgröße für die gewünschte Based on the setpoint value 28, a manipulated variable for the desired. By means of a dedicated functional unit, for example by means of a controller 30
Dehnung und Dehnbarkeit der Membran 12 erzeugt und die Spannungsquelle 20 zur Abgabe einer der Stellgröße entsprechenden Spannung angesteuert. Dies ist in der Darstellung durch den vom Regler 30 in Richtung auf die Membran 12 weisenden Pfeil veranschaulicht. Mittels der Sensorik 22 wird kontinuierlich oder regelmäßig die elektrische Kapazität der Membran 12 gemessen. Diese Messung ist durch den von der Membran 12 in Richtung auf den Regler 30 weisenden Pfeil veranschaulicht. Der Messwert wird als Regelgröße verarbeitet und eine Elongation and extensibility of the membrane 12 is generated and the voltage source 20 is driven to deliver a voltage corresponding to the manipulated variable. This is illustrated in the illustration by the arrow 30 pointing from the regulator 30 in the direction of the membrane 12. By means of the sensor 22, the electrical capacitance of the membrane 12 is measured continuously or regularly. This measurement is illustrated by the arrow pointing from the diaphragm 12 in the direction of the regulator 30. The measured value is processed as a controlled variable and a
Regeldifferenz zwischen dem Sollwert 28 und der Regelgröße wird mittels des Reglers 30 ausgeregelt. Auf diese Art und Weise stimmt die jeweilige tatsächliche Dehnung der Membran (oder der Öffnungsdruck oder die Ventilstellung) stets innerhalb der physikalisch möglichen Grenzen mit der durch den Sollwert 28 vorgegebenen gewünschten Dehnung (oder dem gewünschten Öffnungsdruck, der gewünschten Ventilstellung) überein. Bei der in Figur 3 schematisch Control difference between the setpoint 28 and the control variable is compensated by the controller 30. In this way, the respective actual expansion of the diaphragm (or the opening pressure or the valve position) always agrees within the physically possible limits with the desired elongation (or the desired opening pressure, the desired valve position) predetermined by the desired value 28. In the in Figure 3 schematically
vereinfacht gezeigten Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass der Regler 30 jeweils die Spannungsquelle 20 und die Sensorik 22 umfasst. In a simplified manner, it is assumed that the controller 30 comprises the voltage source 20 and the sensor system 22.
Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit 26 nur eine Spannungsquelle 20 für alle Membranen 12 eines Ventils 10 aufweist oder ansteuert. Dann werden alle Membranen 12 gleichzeitig angesteuert. Dabei wird davon ausgegangen, dass alle von dem Ventil 10 umfassten Membranen 12 hinsichtlich ihrer Abmessungen ausreichend gleich sind, so dass bei einer In principle, it can also be provided that the control unit 26 has only one voltage source 20 for all diaphragms 12 of a valve 10 or controls. Then all membranes 12 are driven simultaneously. It is assumed that all covered by the valve 10 membranes 12 are sufficiently equal in size, so that in a
Beaufschlagung mit derselben Spannung eine ausreichend gleichartige Applying the same voltage a sufficiently similar
Ausdehnung resultiert. Zusätzlich oder alternativ kann - unter derselben Annahme wie zuvor - auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit 26 nur eine Sensorik 22 für alle Membranen 12 eines Ventils 10 aufweist. Extension results. Additionally or alternatively, under the same assumption as before, it may also be provided that the control unit 26 has only one sensor system 22 for all diaphragms 12 of a valve 10.
Optional kann auch vorgesehen sein, dass einzelne Segmente einer Membran 12 einzeln angesteuert werden, zum Beispiel um auf diese Weise ein Kippen des Absperrkörpers 14, insbesondere einer als Absperrkörper 4 fungierenden Optionally, it can also be provided that individual segments of a membrane 12 are individually controlled, for example, in this way, a tilting of the shut-off body 14, in particular a functioning as a shut-off body 4
Ventilplatte, zu erreichen. Valve plate to reach.
Optional kann die Steuereinheit 26 ein Signal zurückliefern, welches die jeweilige Dehnung der Membran 12 und damit die tatsächliche Ventilstellung kodiert Optionally, the controller 26 may provide a signal which encodes the respective expansion of the diaphragm 12 and thus the actual valve position
(Ventilstellungssignal 32). Ein solches Ventilstellungssignal 32 ist mittels einer übergeordneten Einheit verarbeitbar, zum Beispiel einer Einheit, von welcher der Sollwert 28 für die Ventilstellung stammt. Dann können mittels der übergeordneten Einheit Berechnungen und/oder Verknüpfungen anhand der tatsächlichen (Valve position signal 32). Such a valve position signal 32 can be processed by means of a higher-level unit, for example a unit, from which the desired value 28 for the valve position originates. Then, using the parent unit, calculations and / or joins can be based on the actual
Ventilstellung vorgenommen werden, zum Beispiel eine Volumenberechnung oder ein automatisches Schließen des Ventils 10, nachdem ein bestimmtes Volumen des jeweiligen Mediums durch das Ventil 10 geströmt ist. Solche Berechnungen oder Verknüpfungen sind exakter als Berechnungen oder Verknüpfungen auf Basis eines jeweiligen Sollwerts 28. Zudem kann im Falle einer Abweichung der durch das Ventilstellungssignal 32 kodierten tatsächlichen Ventilstellung vom Sollwert 28 für die Ventilstellung eine eventuelle Fehlersituation erkannt werden. Zum Beispiel kann erkannt werden, ob bei einer Überschreitung des gewünschten Öffnungsdrucks eine reale Öffnung des Ventils 10 stattfindet. Valve position can be made, for example, a volume calculation or automatic closing of the valve 10 after a certain volume of the respective medium has flowed through the valve 10. Such calculations or links are more accurate than calculations or links based on a respective setpoint 28. In addition, in the event of a deviation of the encoded by the valve position signal 32 actual valve position from the setpoint value 28 for the valve position a possible error situation can be detected. For example, it can be detected whether a real opening of the valve 10 takes place when the desired opening pressure is exceeded.
Das Ventil 10 gemäß Figur 3 zusammen mit der Aktuatorvorrichtung 24 zur Einstellung einer Dehnung und Dehnbarkeit der mindestens einen Membran 12 sowie zur Erfassung der Dehnung der mindestens einen Membran 12 des Ventils 10 ist ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes fluidisches Stellglied. Genauso ist aber auch die Aktuatorvorrichtung 24 mit den davon umfassten Mitteln zur The valve 10 according to FIG. 3 together with the actuator device 24 for setting an expansion and extensibility of the at least one membrane 12 and for detecting the expansion of the at least one membrane 12 of the valve 10 is an example of a fluidic actuator according to the invention. Equally, however, the actuator device 24 with the means included therein
Einstellung der Dehnung und Dehnbarkeit einer Membran 12 sowie zur Erfassung der tatsächlichen Dehnung einer Membran 2 zusammen mit zumindest einer Membran 12 ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes fluidisches Stellglied. Ein solches fluidisches Stellglied kann dann zum Beispiel in einem Ventil 10  Adjustment of the elongation and extensibility of a membrane 12 and for detecting the actual elongation of a membrane 2 together with at least one membrane 12 an example of a fluidic actuator according to the invention. Such a fluidic actuator can then, for example, in a valve 10th
verwendet werden und ein solches Ventil 10 stellt dann selbst wieder ein fluidisches Stellglied gemäß der Erfindung dar. be used and such a valve 10 then again represents a fluidic actuator according to the invention.
Die nachfolgende Beschreibung gilt - auch soweit dort nur kurz von einem Ventil 10 gesprochen wird - jeweils auch für eine Aktuatorvorrichtung 24 gemäß Figur 3. Bei jeder Erwähnung eines Ventils 10 ist damit inhaltlich ein Ventil 10 mit einer Aktuatorvorrichtung 24 mit Mitteln zur Erfassung und Einstellung einer Dehnung der oder jeder von dem Ventil 10 umfassten Membran 12, insbesondere ein Ventil 10 mit einer Aktuatorvorrichtung 24 gemäß Figur 3, gedanklich zu ergänzen und mitzulesen. The following description applies - even if there is only briefly spoken by a valve 10 - in each case also for an actuator device 24 according to FIG 3. At each mention of a valve 10 is thus content a valve 10 with an actuator 24 having means for detecting and setting a Elongation of the or each of the valve 10 encompassed membrane 12, in particular a valve 10 with an actuator 24 according to Figure 3, mentally supplement and read along.
Das in Figur 1 und Figur 3 gezeigte Ventil 10 ist ein Ventil 10, welches einen Durchfluss nur in einer Richtung zulässt, wenn der Absperrkörper 14 den Krater 16 freigibt. In Gegenrichtung sperrt das Ventil 10, indem der Absperrkörper 14 durch entsprechende Druckverhältnisse auf den Krater 16 gepresst wird. Das Ventil 10 fungiert demnach wie eine Rückschlagklappe und damit als The valve 10 shown in FIG. 1 and FIG. 3 is a valve 10 which allows a flow in only one direction when the shut-off body 14 releases the crater 16. In the opposite direction, the valve 10 locks by the shut-off 14 is pressed by appropriate pressure conditions on the crater 16. The valve 10 thus acts as a check valve and thus as
Rückschlagventil. Check valve.
Die Darstellung in Figur 4 zeigt ein einer schematisch vereinfachten The illustration in FIG. 4 shows a schematically simplified one
Schnittdarstellung eine zwei antiparallele Ventile 0 gemäß Figur 3 umfassende Ventilgruppe 40. Jedes Ventil 10 der Ventilgruppe 40 ist ein fluidisches Stellglied 40 und die Ventilgruppe 40 stellt insgesamt auch selbst ein fluidisches Stellglied 40 dar. Sectional view of a two antiparallel valves 0 according to Figure 3 comprehensive valve group 40. Each valve 10 of the valve assembly 40 is a fluidic actuator 40 and the valve group 40 also represents a fluidic actuator 40 itself.
Bei der Darstellung in Figur 4 sind die beiden Ventile 10 geschlossen gezeigt. An deren Membranen 12 liegt demnach keine elektrische Spannung oder nur eine elektrische Spannung unterhalb eines die Freigabe des Kraters 16 bewirkenden/ ermöglichenden Schwellwerts an. Die resultierende Elastizität und die damit einhergehende Dehnung der Membranen 12 führt dazu, dass der Absperrkörper 14 jedes Ventils 10 auf die Öffnung des jeweiligen Kraters 16 gepresst wird und demnach durch das Ventil 10 für das jeweilige Medium kein Durchfluss möglich ist. In the illustration in Figure 4, the two valves 10 are shown closed. Consequently, there is no electrical voltage or only an electrical voltage below a threshold value enabling / enabling the release of the crater 16 at its diaphragms 12. The resulting elasticity and the concomitant elongation of the membranes 12 means that the shut-off body 14 of each valve 10 is pressed onto the opening of the respective crater 16 and accordingly no flow is possible through the valve 10 for the respective medium.
In der Darstellung in Figur 5 ist eines der Ventile 10 der Ventilgruppe 40 geöffnet. Dafür ist an die Membranen 12 des betreffenden Ventils 10 eine Spannung angelegt, welche aufgrund der resultierenden veränderten Dehnung und In the illustration in FIG. 5, one of the valves 10 of the valve group 40 is open. For this purpose, a voltage is applied to the membranes 12 of the relevant valve 10, which due to the resulting change in elongation and
Dehnbarkeit der Membranen 12 zu einer Längenänderung der Membranen 12 führt, nämlich einer Vergrößerung der wirksamen Länge der Membranen 12. Die bisher (Figur 4) mittels einer vorgespannten Membranen 12 auf den Absperrkörper 14 ausgeübte Kraft wird mit zunehmender Dehnung und Dehnbarkeit und zunehmender Länge der Membranen 12 (proportional zur jeweils angelegten elektrischen Spannung) geringer, so dass sich das Ventil 10 bei einem Elongation of the membranes 12 leads to a change in length of the membranes 12, namely an increase in the effective length of the membranes 12. The previously (Figure 4) by means of a prestressed membranes 12 on the shut-off body 14 force applied with increasing elongation and extensibility and increasing length of the membranes 12 (proportional to the respective applied electrical voltage) lower, so that the valve 10 at a
entsprechenden Druck gegen den Absperrkörper 14 öffnet und dieser den Krater 16 freigibt. Durch den resultierenden Ventilspalt kann ein jeweiliges Medium strömen. corresponding pressure against the shut-off 14 opens and this the crater 16 releases. Through the resulting valve gap, a respective medium can flow.
Die Ventilgruppe 40 gemäß Figur 4 und Figur 5 umfasst die beiden Ventile 10 in antiparalleler Anordnung. Für jede Flussrichtung fungiert jedes Ventil 10 einer Ventilgruppe 40 als Rückschlagventil und jedes Ventil 10 gibt in Abhängigkeit von der jeweils angelegten elektrischen Spannung und proportional zur angelegten elektrischen Spannung einen mehr oder weniger großen Ventilspalt frei. Bei einer solchen Ventilgruppe 40 ist der Öffnungsdruck jedes Ventils 10 einzeln mittels der an den jeweiligen Membranen 12 anliegenden elektrischen Spannung in weiten Grenzen einstellbar. Die Darstellung in Figur 6 zeigt in einer schematisch vereinfachten Schnittdarstellung einen Druckminderer 50 mit einer mittels DEA- oder EAP- Membranen 12 beweglichen Ventilplatte 52. Optional greifen Federelement 56 und Federelement 58 unmittelbar bzw. mittelbar über einen mit der Ventilplatte verbundenen Stößel 54 an der Ventilplatte 52 an. Indem ein Druckminderer 50 die Druckverhältnisse in einem fluidischen Zweig oder fluidischen Kreis beeinflusst, fungiert dieser als fluidisches Stellglied 50 und ein Druckminderer 50 ist demnach ein weiteres Beispiel für ein fluidisches Stellglied 50. The valve group 40 according to FIG. 4 and FIG. 5 comprises the two valves 10 in an antiparallel arrangement. For each direction of flow, each valve 10 of a valve group 40 functions as a check valve and each valve 10 releases a more or less large valve gap depending on the voltage applied in each case and in proportion to the applied electrical voltage. In such a valve group 40, the opening pressure of each valve 10 is individually adjustable by means of the voltage applied to the respective membranes 12 electrical voltage within wide limits. The illustration in FIG. 6 shows, in a schematically simplified sectional view, a pressure reducer 50 with a valve plate 52 which is movable by means of DEA or EAP diaphragms 12. Optionally, spring element 56 and spring element 58 engage directly or indirectly via a plunger 54 connected to the valve plate on the valve plate 52 on. By a pressure reducer 50 affects the pressure conditions in a fluidic branch or fluidic circuit, this acts as a fluidic actuator 50 and a pressure reducer 50 is thus a further example of a fluidic actuator 50th
Bei dem in Figur 6 gezeigten Druckminderer 50 wird mittels der beweglichen Ventilplatte 52 der mit der Ventilplatte 52 verbundene Stößel 54 bewegt, sodass er eine Ventilöffnung schließt oder freigibt. Auf einer Seite der Ventilöffnung herrscht ein zu vermindernder hoher Druck Pvor und ein dort anstehendes/anströmendes Medium ist in Form mehrerer paralleler Pfeile gezeigt. Auf der In the pressure reducer 50 shown in Fig. 6, by means of the movable valve plate 52, the plunger 54 connected to the valve plate 52 is moved to close or release a valve hole. On one side of the valve opening there is a high pressure Pvor to be reduced, and a medium present / flowing there is shown in the form of several parallel arrows. On the
gegenüberliegenden Seite herrscht ein reduzierter Hinterdruck Phinter. Die opposite side there is a reduced back pressure Phinter. The
Ventilplatte 52 dichtet mittels seitlicher Dichtmembranen den Bereich des Valve plate 52 seals by means of lateral sealing membranes the area of
Hinterdrucks Phinter gegen einen Bereich mit einem Arbeits- oder Umgebungsdruck Pu ab. Bei der gezeigten Ausführungsform kann der Hinterdruck Phinter durch Beeinflussung der Dehnung und Dehnbarkeit der Membranen 12 eingestellt werden. Im Gleichgewicht findet keine Bewegung der Ventilplatte 52 und Back pressure Phinter against an area with a working or ambient pressure Pu. In the illustrated embodiment, the back pressure Phinter can be adjusted by influencing the elongation and extensibility of the membranes 12. At equilibrium there is no movement of the valve plate 52 and
entsprechend keine Bewegung des Stößels 54 statt. Ohne die optionalen Accordingly, no movement of the plunger 54 instead. Without the optional
Federelemente 56, 58 gilt dann: Spring elements 56, 58 then applies:
F = 0 = Föffnende Membran— Fschließende Membran— Phinter * Aventilplatte. F = 0 = Opening Membrane Closing Membrane Phinter * Aventilplatte.
Dabei ist Föffnende Membran die aufgrund der jeweils eingestellten Dehnung und Here, the opening membrane is due to the respectively set elongation and
Dehnbarkeit resultierende Kraft derjenigen Membranen 12, welche eine Freigabe der Ventilöffnung durch den Stößel 54 bewirken können. Entsprechend ist Elongation resulting force of those membranes 12, which can cause release of the valve opening by the plunger 54. Corresponding is
Fschließende Membran die aufgrund der jeweils eingestellten Dehnung und Dehnbarkeit resultierende Kraft derjenigen Membranen 12, welche einen Verschluss der Ventilöffnung durch den Stößel 54 bewirken können. In der Darstellung in Figur 6 fungieren die beiden oberhalb der Ventilplatte 52 gezeigten Membranen 12 als schließende Membranen und entsprechend die beiden unterhalb der Ventilplatte 52 gezeigten Membranen 12 als öffnende Membranen. Avenwptatte ist die Fläche der Ventilplatte 52, auf die r hinter wirkt. Fastening membrane the resulting due to the respectively set elongation and extensibility force of those membranes 12, which can cause closure of the valve opening by the plunger 54. In the illustration in FIG. 6, the two diaphragms 12 shown above the valve plate 52 function as closing diaphragms and accordingly the two below the valve plate 52 shown membranes 12 as opening membranes. Avenwptatte is the surface of the valve plate 52, acts on the r behind.
Bei den in Figur 6 dargestellten optionalen Federelementen 56, 58, die mittelbar oder unmittelbar an der Ventilplatte 52 angreifen, handelt es sich beispielsweise um als Druckfedern fungierende Federelemente 56, 58 in Form von The optional spring elements 56, 58 shown in FIG. 6, which act indirectly or directly on the valve plate 52, are, for example, spring elements 56, 58 in the form of compression springs
Schraubenfedern. Das oberhalb der Ventilplatte 52 gezeigte Federelement 56 unterstützt eine Freigabe der Ventilöffnung durch den Stößel 54 oder kann eine solche Freigabe bewirken. Das unterhalb der Ventilplatte 52 gezeigte Coil springs. The spring element 56 shown above the valve plate 52 assists in releasing the valve opening by the plunger 54 or may effect such release. The below the valve plate 52 shown
Federelement 58 unterstützt einen Verschluss der Ventilöffnung durch den Stößel 54 oder kann einen solchen Verschluss bewirken. Die aufgrund des Spring element 58 assists in closing the valve opening by plunger 54 or may effect such a closure. The due to the
Federelements 56wirkende öffnende Kraft wird mit Fauf und die aufgrund des Federelements 58 wirkende schließende Kraft mit FZu bezeichnet. Im Spring element 56 acting opening force is denoted by Fauf and acting on the basis of the spring element 58 closing force with F Z u. in the
Gleichgewicht gilt: Balance applies:
F = 0 = Fauf — Fzu + Föffnende Membran— Fschließende Membran— Phinter * Aventilplatte. F = 0 = Fauf - Fzu + Opening membrane- Closing membrane- Phinter * Aventilplatte.
Daraus wird deutlich, dass mittels eines solchen Federelements 56, 58 It is clear that by means of such a spring element 56, 58
(einseitiges Federelement oder eine Gruppe einseitiger Federelemente) oder mittels zweier Federelemente 56, 58 (beidseitige Federelemente oder Gruppen beidseitiger Federelemente) die aufgrund der jeweils eingestellten Dehnung und Dehnbarkeit der Membranen 12 wirkenden Kräfte unterstützt werden können. (One-sided spring element or a group of one-sided spring elements) or by means of two spring elements 56, 58 (both-sided spring elements or groups of spring elements on both sides) which can be supported due to the respective set elongation and extensibility of the membranes 12 acting forces.
Gleichfalls wird deutlich, dass solche Federelemente 56, 58 die in ihrer Dehnung und Dehnbarkeit einstellbaren Membranen 12 ersetzen können. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass der Druckminderer 50 anstelle öffnender und schließender Membranen 12 und öffnender und schließender Federelemente 56, 58 nur in ihrer Dehnung und Dehnbarkeit einstellbare Membranen 12, welche ein Verschließen der Ventilöffnung bewirken können (schließende Membranen 12; die in der Darstellung in Figur 6 oben gezeigten Membranen 12) und ein Likewise, it is clear that such spring elements 56, 58 can replace the adjustable in their elongation and extensibility membranes 12. This can be done, for example, such that the pressure reducer 50 instead of opening and closing diaphragms 12 and opening and closing spring elements 56, 58 adjustable only in their elongation and extensibility membranes 12, which can cause closure of the valve opening (closing membranes 12, which in the illustration in Figure 6 above shown membranes 12) and a
Federelement 56, welches eine Freigabe der Ventilöffnung bewirken kann Spring element 56, which can cause a release of the valve opening
(öffnendes Federelement 56; in der Darstellung in Figur 6 das oben gezeigte Federelement 56), umfasst. Genauso ist eine Konfiguration mit den in der (Opening spring element 56, in the illustration in Figure 6, the spring element 56 shown above). Similarly, a configuration with in the
Darstellung in Figur 6 unten gezeigten Membranen 12 (öffnende Membranen 12) und dem Federelement 58 (schließendes Federelement 58) möglich. Welche Membranen 12 durch ein Federelement 56, 58 ersetzt werden können und bei einer von der gezeigten Ausführungsform abweichenden alternativen Representation in Figure 6 membranes shown below 12 (opening membranes 12) and the spring element 58 (closing spring element 58) possible. Which Diaphragms 12 can be replaced by a spring element 56, 58 and in a deviating from the embodiment shown alternative
Ausführungsform ersetzt sind, hängt darüber hinaus davon ab, ob das jeweilige Federelement 56, 58 als Druckfeder oder als Zugfeder wirksam ist. Für den in Figur 6 gezeigten Druckminderer 50 sind sowohl Federelemente 56, 58, welche als Druckfeder oder Druckfedern fungieren, wie auch Federelemente 56, 58, welche als Zugfeder oder Zugfedern fungieren, denkbar.  Embodiment are also dependent on whether the respective spring element 56, 58 is effective as a compression spring or as a tension spring. For the pressure reducer 50 shown in Figure 6 are both spring elements 56, 58, which act as a compression spring or compression springs, as well as spring elements 56, 58, which act as a tension spring or tension springs conceivable.
Jedenfalls ist der resultierende Hinterdruck Phinter, also der Druck aufgrund der Druckminderung, bei einem Druckminderer 50 mit öffnenden Membranen 12 und schließenden Membranen 12 abhängig von der aufgrund der jeweils eingestellten Dehnung und Dehnbarkeit der Membranen 12 resultierenden Kraft: In any case, the resulting pressure Phinter, ie the pressure due to the pressure reduction, at a pressure reducer 50 with opening membranes 12 and closing membranes 12 depending on the resulting due to the respective set elongation and extensibility of the membranes 12 force:
Phinter = f (Foffnende embran, F schließende Membran). Bei einem Druckminderer 50 mit nur öffnenden oder nur schließenden Membranen 12 gilt dies entsprechend: Phinter = f (opening embank, F closing membrane). In the case of a pressure reducer 50 with only opening or only closing membranes 12, this applies correspondingly:
Phinter = f (Foffnende Membran) bzw. Phinter = f (Fschließende Membran) . Die jeweils  Phinter = f (Foffnende membrane) or Phinter = f (Fende membrane). The respectively
resultierende Druckminderung ist also durch Einstellung der Dehnung und resulting pressure reduction is thus by adjusting the elongation and
Dehnbarkeit der an der Ventilplatte 52 angreifenden Membranen 12 einstellbar. Die Einstellung der Dehnung und Dehnbarkeit erfolgt dabei wie weiter oben im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben und auf die dortigen Erläuterungen wird hier zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen verwiesen. Elongation of the attacking on the valve plate 52 membranes 12 adjustable. The adjustment of the elongation and extensibility is carried out as described above in connection with Figure 3 and to the explanations there is referenced to avoid unnecessary repetition.
Eine vergleichbare Einstellbarkeit ergibt sich mittels des hier vorgestellten A comparable adjustability results by means of the presented here
Ansatzes für ein weiteres fluidisches Stellglied 60, nämlich einen Druckkonstanter/ Flowkonstanter 60, wie er in einer schematisch vereinfachten Schnittdarstellung in Figur 7 gezeigt ist. Der Flowkonstanter 60 ist überwiegend wie der anhand von Figur 6 beschriebene Druckminderer 50 aufgebaut. Zusätzlich weist der Approach for a further fluidic actuator 60, namely a pressure constant / flow constant 60, as shown in a schematically simplified sectional view in Figure 7. The flow constant 60 is predominantly constructed like the pressure reducer 50 described with reference to FIG. In addition, the
Flowkonstanter 60 eine ausgangsseitige Einschnürung 62 (Restriktion) auf, welche den austretenden Volumenstrom begrenzt. Der Volumenstrom bewirkt, dass sich über der Einschnürung 62 ein gegenüber dem Hinterdruck Phinter verringerter Druck Phinter - ΔΡ einstellt. Da der Bereich oberhalb der Ventilplatte 52 fluidkommunizierend mit dem Bereich über der Einschnürung 62 verbunden ist, herrscht auch dort der verringerte Druck Phinter - ΔΡ, sodass die resultierende Kraft auf die Ventilplatte 52 neben der Einstellung der beiden Membranen 12 nur noch von ΔΡ und somit vom Volumenstrom bestimmt wird. Beim Flowkonstanter 60 hängt die Kraft auf die Ventilplatte 52 nicht vom Hinterdruck Phinter ab. Als Ergebnis wird mittels der eingestellten Dehnung und Dehnbarkeit der Membranen 12 und der resultierenden Spannung der Membranen 12 ein Volumenstrom eingestellt. Flow constant 60 an output-side constriction 62 (restriction), which limits the exiting flow. The volume flow causes a reduced pressure Phinter-ΔΡ to be established over the constriction 62, compared to the pressure Phinter. Since the area above the valve plate 52 is fluid-communicating with the area above the constriction 62, there is also the reduced pressure Phinter - ΔΡ, so that the resulting force on the valve plate 52 in addition to the setting of the two membranes 12 only from ΔΡ and thus from Volume flow is determined. At the flow constant 60 the force on the valve plate 52 does not depend on the back pressure Phinter. As a result, by means of the set elongation and extensibility of the diaphragms 12 and the resulting tension of the diaphragms 12, a volumetric flow rate is adjusted.
Den in Figur 6 und Figur 7 gezeigten Ausführungsformen ist gemein, dass sich die auf die Ventilplatte 52 wirkende Kraft durch die einstellbare Dehnung The embodiments shown in FIGS. 6 and 7 have in common that the force acting on the valve plate 52 is due to the adjustable elongation
(Längenänderung) und einstellbare Dehnbarkeit (E-Modul) der Membranen 12 sehr schnell und sehr genau einstellen lässt. Die Membranen 12 sind sehr trägheitsarm und besitzen kaum Masse, wodurch sehr hohe Betriebsfrequenzen ermöglicht werden. In Verbindung mit der Möglichkeit, die Membranen 12 gleichzeitig oder zusätzlich als Dehnungssensor zu nutzen, sind solche (Change in length) and adjustable extensibility (modulus of elasticity) of the membranes 12 can be set very quickly and very accurately. The membranes 12 are very low in inertia and have hardly any mass, which allows very high operating frequencies. In conjunction with the ability to use the membranes 12 simultaneously or additionally as a strain sensor, such
Vorrichtungen ideal, um schnelle geregelte Kreise aufzubauen. Devices ideal to build fast regulated circuits.
Die Darstellungen in Figur 8 (Figuren 8A, 8B und 8C) sowie Figur 9 (Figuren 9A, 9B und 9C) zeigen jeweils eine Kammerpumpe 70 (Figur 8A, 9A) in Form einer Membranpumpe. Genauso kommt eine Kammerpumpe 70 in Form einer The illustrations in FIG. 8 (FIGS. 8A, 8B and 8C) and FIG. 9 (FIGS. 9A, 9B and 9C) each show a chamber pump 70 (FIGS. 8A, 9A) in the form of a diaphragm pump. Similarly, a chamber pump 70 in the form of a
Kolbenpumpe in Betracht. Bei den in Figur 8 und Figur 9 gezeigten Piston pump into consideration. In the case of those shown in FIG. 8 and FIG
Ausführungsformen wird mittels eines in Form einer Exzenterscheibe gezeigten Antriebs und einer Führung 72 regelmäßig das Volumen einer Kammer 74 vergrößert oder verkleinert. Dies führt beim Vergrößern des Kammervolumens zu einem in die Kammer 74 einströmenden Volumenstrom und beim Verkleinern des Kammervolumens zu einem aus der Kammer 74 ausströmenden Volumenstrom. Die Pumpwirkung und die Richtung des Volumenstroms durch die Kammerpumpe 70 ergeben sich dabei durch die als Rückschlagventile ausgeführten Ventile 10 auf der Eingangsseite und der Ausgangsseite der Kammerpumpe 70. Embodiments is regularly increased or decreased by means of a drive shown in the form of an eccentric drive and a guide 72, the volume of a chamber 74. This results in increasing the chamber volume to a volume flow flowing into the chamber 74 and reducing the chamber volume to a volumetric flow out of the chamber 74. The pumping action and the direction of the volume flow through the chamber pump 70 result from the valve 10 designed as check valves on the inlet side and the outlet side of the chamber pump 70.
Bei der in Figur 8 gezeigten Ausführungsform sind die als Rückschlagventile fungierenden Ventile 10 als Membranventile ausgeführt. Das ausgangsseitige Ventil 10 ist in der Darstellung in Figur 8B separat gezeigt. Demnach weist dieses Ventil 10 (und entsprechend auch das eingangsseitige Ventil 10) eine einzelne, einen Krater 16 überspannende Membran 12 auf, welche entsprechend dem hier vorgestellten Ansatz in ihrer Dehnung und Dehnbarkeit einstellbar ist. Genauso ist eine Ausführung des Ventils 10 oder beider Ventile 10 in einer Art und Weise denkbar, wie dies in den Figuren 1 und 3 gezeigt ist. Die Membran 12 des ausgangsseitigen Ventils 10 (und genauso die Membran 12 des eingangsseitigen Ventils 10) liegt durch ihre Eigenspannung auf dem jeweiligen Krater 16 auf und öffnet, sobald die Druckdifferenz (Pvor - Phinter) ein Öffnen unterstützt. Ein Fluss durch das Ventil 10 ergibt sich, wenn folgende Bedingung erfüllt ist: Pvor > Phinter + r Membran / AKrater. Dabei ist F embran die aufgrund der einstellbaren Dehnung und Dehnbarkeit der Membran 12 resultierende Kraft und AKrater die Fläche des mittels der Membran 12 überspannten Kraters 16. In the embodiment shown in Figure 8, the valves 10 acting as check valves are designed as diaphragm valves. The output-side valve 10 is shown separately in the illustration in FIG. 8B. Accordingly, this valve 10 (and correspondingly also the input-side valve 10) has a single, a crater 16 spanning membrane 12, which is adjustable according to the approach presented here in their elongation and extensibility. Likewise, an embodiment of the valve 10 or both valves 10 in a manner conceivable, as shown in Figures 1 and 3. The membrane 12 of the output-side valve 10 (and also the diaphragm 12 of the input-side valve 10) is due to its residual stress on the respective crater 16 and opens as soon as the pressure difference (Pvor - Phinter) supports an opening. A flow through the valve 10 results when the following condition is met: Pvor > Phinter + r membrane / AKrater. In this case, F embran is the force resulting from the adjustable elongation and extensibility of the membrane 12 and the angle of the crater 16 spanned by the membrane 12.
Durch die Eigenspannung der Membranen 12 und die Massenträgheit ergeben sich Grenzfrequenzen beim Betrieb der Kammerpumpe 70. Werden diese Due to the internal stress of the membranes 12 and the inertia limit frequencies result during operation of the chamber pump 70. Be this
Grenzfrequenzen überschritten, ergeben sich zeitliche Verzüge und die Limit frequencies exceeded, there are delays and the
Membranen 12 erreichen in der Regel nicht mehr die Endlage (ganz offen bzw. ganz geschlossen. Die Verwendung von Membranen 12 mit einer einstellbaren Dehnung und Dehnbarkeit ermöglicht eine Einstellung, Variation oder As a rule, diaphragms 12 no longer reach the end position (completely open or completely closed.) The use of diaphragms 12 with an adjustable elongation and extensibility makes possible an adjustment, variation or
Beeinflussung der Grenzfrequenz. Dies kann durch statische Einstellung der Dehnung und Dehnbarkeit der Membranen 12 erfolgen. Alternativ kann die Dehnung und Dehnbarkeit auch dynamisch während des periodischen Influencing the cutoff frequency. This can be done by static adjustment of the elongation and extensibility of the membranes 12. Alternatively, the stretch and extensibility can also be dynamic during the periodic
Pumpenbetriebs, insbesondere synchron mit dem Hub der Kammerpumpe 70, erfolgen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, den Phasenwinkel des Öffnens eines Ventils 10 gegenüber dem maximalen Phasenwinkel zu reduzieren, mit dem Ziel, die Pulsation des Drucks zu minimieren. Es ergibt sich eine Art einstellbare Pumpenfunktion, die an veränderte Verhältnisse im pneumatischen System auch während des Betriebs angepasst werden kann, indem die Pumpenkennlinie in Druck und Volumenstrom über der Drehzahl, also die Pumpencharakteristik, verändert wird. Pump operation, in particular synchronously with the stroke of the chamber pump 70, take place. This results in the possibility of reducing the phase angle of the opening of a valve 10 with respect to the maximum phase angle, with the aim of minimizing the pulsation of the pressure. The result is a kind of adjustable pump function that can be adapted to changing conditions in the pneumatic system during operation by the pump characteristic in pressure and flow over the speed, so the pump characteristics, is changed.
In der Darstellung in Figur 8C ist insoweit über der Zeit t als Sinuskurve die Position des Antriebs der Kammerpumpe 70 und darunter ein resultierender Fluss aufgrund des Betriebs gezeigt und zwar zum einen (Graph 76) ein resultierender Fluss bei einer aufgrund einer entsprechenden Einstellung der Dehnung und Dehnbarkeit resultierenden geringen Vorspannung der Membranen 12 und zum anderen (Graph 78) ein resultierender Fluss bei einer aufgrund einer In the illustration in FIG. 8C, the position of the drive of the chamber pump 70 and, below that, a resulting flow due to the operation is shown over the time t, on the one hand (graph 76) a resulting flow at one due to a corresponding adjustment of the elongation and Elongation resulting low bias of the membranes 12 and on the other hand (Graph 78) a resulting flow at one due to a
entsprechenden Einstellung der Dehnung und Dehnbarkeit resultierenden hohen Vorspannung der Membranen 12. Die Darstellung in Figur 9A zeigt eine Kammerpumpe 70 mit Ventilen 10 wie in Figur 8 oder wie in Figur 1 oder Figur 3, die ein- und ausgangsseitig jeweils zu einer Ventilgruppe 40 wie in Figur 4 und Figur 5 kombiniert sind. Letzteres ist in Figur 9B gezeigt. Mittels einer ein- und ausgangsseitigen derartigen Ventilgruppe 40 kann die Förderrichtung der Kammerpumpe 70 den jeweiligen Bedürfnissen angepasst werden. Druckaufbau und Förderrichtung lassen sich somit mittels der jeweils eingestellten Dehnung und Dehnbarkeit der Membranen 12 anpassen. corresponding adjustment of the elongation and extensibility resulting high bias of the membranes 12th The illustration in FIG. 9A shows a chamber pump 70 with valves 10 as in FIG. 8 or as in FIG. 1 or FIG. 3, which are combined on the input and output sides in each case to form a valve group 40 as in FIG. 4 and FIG. The latter is shown in FIG. 9B. By means of an inlet and outlet side such valve group 40, the conveying direction of the chamber pump 70 can be adapted to the respective needs. Pressure build-up and delivery direction can thus be adjusted by means of the respectively set elongation and extensibility of the membranes 12.
Die Darstellung in Figur 9C zeigt über der Zeit t als Sinuskurve die Position des Antriebs der Kammerpumpe 70 und darunter (Graph 80) einen Fluss durch das jeweils als Einlass fungierende Ventil 10 einer der beiden Ventilgruppen 40 und (Graph 82) einen Fluss durch das jeweils als Auslass fungierende Ventil 10 der anderen Ventilgruppe 40. The plot in FIG. 9C shows the position of the drive of the chamber pump 70 over time t as sinusoidal curve (graph 80), a flow through each inlet valve 10 of one of the two valve groups 40, and (graph 82) a flow through each acting as an outlet valve 10 of the other valve group 40th
Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereichten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Angegeben werden ein fluidisches Stellglied 10, 40, 50, 60 mit zumindest einer Membran 12 aus einem elektroaktiven Polymer oder einem dielektrischen Elastomer mit einer Individual aspects of the description presented here can be briefly summarized as follows: A fluidic actuator 10, 40, 50, 60 with at least one membrane 12 made of an electroactive polymer or a dielectric elastomer with one
Aktuatorvorrichtung 24 mit Mitteln 20, 22, 26 zur Einstellung einer Dehnung und Dehnbarkeit der Membran und zur Erfassung einer tatsächlichen Dehnung der Membran 12, zum Beispiel ein Ventil 10, eine Ventilgruppe 40, ein Druckminderer oder -konstanter 50, 60 oder eine Kammerpumpe 70, mit zumindest einer solchen Membran 12 sowie einer solchen Aktuatorvorrichtung 24, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen fluidischen Stellglieds 10, 40, 50, 60. Actuator device 24 having means 20, 22, 26 for adjusting a stretch and extensibility of the membrane and for detecting an actual elongation of the membrane 12, for example a valve 10, a valve group 40, a pressure reducer or constant 50, 60 or a chamber pump 70, with at least one such membrane 12 and such an actuator device 24, and a method for operating such a fluidic actuator 10, 40, 50, 60.
BEZUGSZEICHENLISTE LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Ventil / fluidisches Stellglied 10 valve / fluidic actuator
12 EAP-, DEA-Membran, Membran 12 EAP, DEA membrane, membrane
14 Absperrkörper 14 shut-off body
16 Krater  16 craters
18 Grenzfläche  18 interface
20 Spannungsquelle  20 voltage source
22 Sensorik / Impedanzmessbrücke 22 sensor / impedance bridge
24 Aktuatorvorrichtung 24 actuator device
26 Steuereinheit  26 control unit
28 Sollwert  28 setpoint
30 Regler  30 controllers
32 Ventilstellungssignal 32 valve position signal
- 38 (frei) - 38 (free)
40 Ventilgruppe / fluidisches Stellglied- 48 (frei)  40 valve group / fluidic actuator 48 (free)
50 Druckminderer / fluidisches Stellglied 50 pressure reducer / fluidic actuator
52 Ventil platte 52 valve plate
54 Stößel 54 pestles
, 58 Federelement , 58 spring element
60 Druckkonstanter / fluidisches Stellglied 60 pressure stabilizer / fluidic actuator
62 Einschnürung 62 constriction
-68 (frei) -68 (free)
70 Kammerpumpe  70 chamber pump
72 Führung  72 leadership
74 Kammer 74 chamber
, 78 Graph, 78 graph
, 82 Graph , 82 Graph

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Fluidisches Stellglied (10, 40, 50, 60) mit zumindest einer Membran (12) aus einem elektroaktiven Polymer oder einem dielektrischen Elastomer und mit einer Aktuatorvorrichtung (24) mit Mitteln (20, 22, 26) zur Einstellung und Erfassung einer Dehnung der Membran (12). A fluidic actuator (10, 40, 50, 60) having at least one membrane (12) of an electroactive polymer or dielectric elastomer and an actuator device (24) having means (20, 22, 26) for adjusting and detecting strain the membrane (12).
2. Fluidisches Stellglied (10, 40, 50, 60) nach Anspruch 1 , Second fluidic actuator (10, 40, 50, 60) according to claim 1,
wobei die Aktuatorvorrichtung (24) zumindest eine Sensorik (22) und eine Steuereinheit (26) umfasst,  wherein the actuator device (24) comprises at least one sensor (22) and a control unit (26),
wobei mittels der Sensorik (22) ein Maß für eine elektrische Kapazität der Membran (12) erfassbar ist,  wherein by means of the sensor system (22) a measure of an electrical capacitance of the membrane (12) can be detected,
wobei mittels der Steuereinheit (26) in Abhängigkeit von dem erfassten Maß für die elektrische Kapazität der Membran (12) die Membran (12) zur  wherein by means of the control unit (26) in dependence on the detected measure of the electrical capacitance of the membrane (12), the membrane (12) for
Einstellung von deren Dehnung mit einer elektrischen Spannung  Adjustment of their elongation with an electrical voltage
beaufschlagbar ist.  can be acted upon.
3. Fluidisches Stellglied (10, 40, 50, 60) nach Anspruch 2, 3. fluidic actuator (10, 40, 50, 60) according to claim 2,
wobei als Sensorik (22) für die Erfassung eines Maßes für die elektrische Kapazität der Membran (12) eine Impedanzmessbrücke (22) fungiert.  wherein as the sensor (22) for the detection of a measure of the electrical capacitance of the membrane (12) an impedance measuring bridge (22) acts.
4. Fluidisches Stellglied (10, 40, 50, 60) nach Anspruch 2 oder 3, 4. fluidic actuator (10, 40, 50, 60) according to claim 2 or 3,
wobei die Aktuatorvorrichtung (24) einen Regler (30) zur Einstellung der Dehnung der Membran (12) entsprechend einem zuführbaren Sollwert (28) umfasst.  wherein the actuator device (24) comprises a regulator (30) for adjusting the elongation of the membrane (12) in accordance with a feedable desired value (28).
5. Fluidisches Stellglied (10, 40, 50, 60) nach Anspruch 2, 3 oder 4, 5. fluidic actuator (10, 40, 50, 60) according to claim 2, 3 or 4,
wobei die Aktuatorvorrichtung (24) eine Spannungsquelle (20), mittels derer die Membran (12) zur Einstellung von deren Dehnung mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, umfasst.  wherein the actuator device (24) comprises a voltage source (20), by means of which the membrane (12) can be acted upon by an electrical voltage for adjusting its expansion.
6. Fluidisches Stellglied (10, 40, 50, 60), insbesondere Ventil (10), nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mittels einer Einstellung einer Dehnung der Membran (12) ein vorgegebener oder vorgebbarer Öffnungsdruck einstellbar ist. 6. fluidic actuator (10, 40, 50, 60), in particular valve (10), according to one of the preceding claims, wherein by means of an adjustment of an elongation of the membrane (12) a predetermined or predetermined opening pressure is adjustable.
7. Ventilgruppe (40) mit zumindest zwei antiparallelen fluidischen Stellgliedern (10, 40, 50, 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche. 7. Valve group (40) with at least two antiparallel fluidic actuators (10, 40, 50, 60) according to one of the preceding claims.
8. Fluidisches Stellglied (10, 40, 50, 60), insbesondere Druckminderer (50) oder Druckkonstanter (60) oder Volumenstromkonstanter, nach einem der 8. fluidic actuator (10, 40, 50, 60), in particular pressure reducer (50) or pressure stabilizer (60) or volume flow, according to one of
Ansprüche 1 bis 6, mit einer mittels zumindest einer ersten und einer zweiten in ihrer Dehnung einstellbaren Membran (12) beweglich gehalterten  Claims 1 to 6, with a movably supported by means of at least a first and a second adjustable in their elongation membrane (12)
Ventilplatte (52).  Valve plate (52).
9. Kammerpumpe (70) mit zumindest einem fluidischen Stellglied (10, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 6. 9. chamber pump (70) with at least one fluidic actuator (10, 40, 50, 60) according to one of claims 1 to 6.
10. Kammerpumpe (70) nach Anspruch 9, mit zumindest einer Ventilgruppe (40) nach Anspruch 7. 10. chamber pump (70) according to claim 9, with at least one valve group (40) according to claim 7.
11. Verfahren zum Betrieb eines fluidischen Stellglieds (10, 40, 50, 60) nach 11. A method for operating a fluidic actuator (10, 40, 50, 60) after
einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mittels der Aktuatorvorrichtung (24) eine Einstellung und eine Erfassung der Dehnung der Membran (12) erfolgt.  one of claims 1 to 6, wherein by means of the actuator device (24) adjustment and detection of the elongation of the membrane (12).
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei die Aktuatorvorrichtung (24) als Mittel zur Erfassung der Dehnung der Membran (12) eine Sensorik (22), insbesondere eine Sensorik (22) in Form einer Impedanzmessbrücke, und als Mittel zur Einstellung der Dehnung der Membran (12) eine Steuereinheit (26) umfasst, wobei mittels der Steuereinheit (26) die Membran (12) in Abhängigkeit von dem mittels der Sensorik (22) erfassten Maß für deren elektrische Kapazität zur Einstellung von deren Dehnung mit einer elektrischen Spannung 12. The method of claim 11, wherein the actuator device (24) as a means for detecting the elongation of the membrane (12) comprises a sensor (22), in particular a sensor (22) in the form of an impedance measuring bridge, and as a means for adjusting the elongation of the membrane (12) comprises a control unit (26), wherein by means of the control unit (26), the membrane (12) in dependence on the sensed by the sensor (22) measure of their electrical capacity for adjusting their elongation with an electrical voltage
beaufschlagt wird.  is charged.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei mittels eines von der Aktuatorvorrichtung (24) umfassten Reglers (30) die Einstellung der Dehnung der Membran (12) entsprechend einem jeweils zugeführten Sollwert (28) erfolgt. 13. The method according to claim 12, wherein by means of one of the actuator device (24) included regulator (30), the adjustment of the elongation of the membrane (12) corresponding to a respectively supplied set value (28).
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei mittels einer 14. The method according to any one of claims 11 to 13, wherein by means of a
Einstellung einer Dehnung der Membran (12) ein vorgegebener oder  Adjustment of an elongation of the membrane (12) a predetermined or
vorgebbarer Öffnungsdruck eines Ventils (10) eingestellt wird. predetermined opening pressure of a valve (10) is set.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei mittels einer 15. The method according to any one of claims 11 to 13, wherein by means of a
Einstellung einer Dehnung der Membran (12) ein vorgegebener oder vorgebbarer Hinterdruck eines Druckminderers (50), Druckkonstanters (60) oder Volumenstromkonstanters eingestellt wird.  Setting an elongation of the membrane (12) a predetermined or predefinable back pressure of a pressure reducer (50), Druckkonstanters (60) or Volumenstromkonstanters is set.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei mittels einer 16. The method according to any one of claims 11 to 13, wherein by means of a
Einstellung einer Dehnung der Membran (12) eine Pumpencharakteristik einer Kammerpumpe (70) eingestellt wird.  Adjustment of an elongation of the diaphragm (12) a pump characteristic of a chamber pump (70) is set.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei mittels einer 17. The method according to any one of claims 11 to 13, wherein by means of a
Einstellung einer Dehnung der Membran (12) eine Förderleistung einer Kammerpumpe (70) eingestellt wird.  Adjustment of an elongation of the membrane (12) a delivery rate of a chamber pump (70) is set.
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