Elektrorheologische Antriebseinheit für fluidische Applikationen

In unserem Alltag nutzten wir an verschiedenen Stellen fluidtechnische Systeme. In der Industrie werden durch das Vermischen unterschiedlicher Flüssigkeiten und Gasen diverse Produkte hergestellt. In der Medizintechnik wird sie von der Forschung über die Diagnose bis zur Behandlung von Krankheiten eingesetzt. Auch nutzen wir die Hydraulik und Pneumatik, um Leistungen und Kräfte zu übertragen. Um einen Fluidstrom zu steuern und zu regeln, werden Ventile eingesetzt. Muss ein Fluid auf viele Leitungen geschaltet oder müssen mehrere Fluide geregelt werden, können die dazu notwendigen Ventile in einer Ventilmatrix zusammengefasst werden. ... mehrDies hat nicht nur einen geringeren Platzbedarf zur Folge, sondern reduziert auch das Volumen in den Leitungen zwischen den Ventilen. Die Flüssigkeitsmenge, welche sich in dem Volumen befindet, steht für eine weitere Nutzung nicht zur Verfügung. Daher ist dies insbesondere beim Händeln kleiner Flüssigkeitsvolumen von Vorteil.
In dieser Arbeit wird ein Antriebskonzept für eine Ventilmatrix untersucht, welches auf einer elektrorheologischen Flüssigkeit basiert. Eine elektrorheologische Flüssigkeit (ERF) ist eine Dispersion, welche meistens aus einer nichtleitenden Trägerflüssigkeit und kleinen Partikeln besteht. Im elektrischen Feld polarisieren sich die Partikel und die gegenseitigen Anziehungskräfte der Partikel wirken dem Fließen der Flüssigkeit entgegen. Makroskopisch betrachtet wird dadurch die Viskosität erhöht. In dem in dieser Arbeit betrachteten ERF-Aktor wird über das Anlegen eines elektrischen Feldes durch den elektrorheologischen Effekt der Fließwiderstand in einem Kanal erhöht und die dadurch hervorgerufene Druckänderung zum Schalten eines Ventils genutzt. Somit kann die Antriebseinheit, welche die Energie für das Betätigen des Ventils bereitstellt, zum Antrieb mehrerer Ventile verwendet und von diesen räumlich getrennt aufgebaut werden. Durch das Trennen der Funktionen sind für die angesteuerten Ventile nur wenige Elemente erforderlich, was einen einfachen Aufbau derselben ermöglicht. Das Konzept ist somit speziell auf die Ansteuerung mehrerer Ventile in einer Ventilmatrix ausgerichtet. Zur Umsetzung eines solchen Aktorprinzips wurde ein Konzept für eine Ventilmatrix entwickelt. Dabei lag der Fokus auf einer einfachen Fertigung der einzelnen Ventile, die sich auch für eine Herstellung in größeren Stückzahlen eignet. Anhand einer aufgebauten Testmatrix konnte die Funktionsfähigkeit des Antriebskonzepts demonstriert werden und eine Charakterisierung des Schaltverhaltens der Matrixventile erfolgen.

In our everyday life we use different fluidtechnical systems. In the industry are several products manufactured by mixing different fluids and gases. In medical technology they are used from the research to the diagnosis to the treatment of diseases. Also we are using hydraulic and pneumatic systems to transfer power and forces. Valves are used to control and regulate a fluid flow. If a fluid has to be distributed to many conduits, the necessary valves can be packet together in a valve-matrix. This results in a smaller required space and reduced volume in the conduits between the valves. ... mehrThe fluid in this volume can not be used for further processes. This is beneficial by handling small volumes of liquid.
This thesis is about an actor-concept for a valve-matrix which works with an electrorheological fluid. An electrorheological fluid is mostly a dispersion of a non conductive fluid with small particles. In an electric field the particles get polarized and the attracting forces between the particles work against the fluid flow. This results in a higher viscosity. The idea of this actor is that a channel gets blocked by the ER-effect when a voltage is applied. The resulting pressure increasing is used to operate a valve. Consequently the propulsion unit can be used for several valves and can be placed separatly. As a consequence only a few elements are necessary for a single valve. This enables a simple structure. Hence the concept is developed to operate multiple valves in a valve matrix. To implement this principle a concept for a valve matrix was developed. The focus has been a simple production which is suitable for high quantities. A test-matrix was produced. Therewith the function of the drive concept could be demonstrated and the switching behavior could be characterized.