DE29700941U1

DE29700941U1 - Sensor-Aktor-System

Info

Publication number: DE29700941U1
Application number: DE29700941U
Authority: DE
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2007-01-22

Description

Anmelder: Technische Universität Dresden 01062 Dresden

Erfinder: Prof. Dr. rer. nat. habil. Karl-Friedrich Arndt Klobikauer Straße 2 06217 Merseburg

Dipl.-Ing. Jürgen Vollbarth Wiesenstraße 31 01277 Dresden

Dr.-Ing. Lothar Schulze Baumwiesenweg 8 01139 Dresden

Vertreter: ILBERG . WEIßFLOH Patentanwälte European Patent Attorneys Am Weißiger Bach 01474 Schönfeld-Weißig

Titel:

Sensor-Aktor-System

Schönfeld-Weißig, den 18.01.1997

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Sensor-Aktor-System zum Steuern und Regeln des Durchsatzes an Fluida und Aerosolen, insbesondere Ventil

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Sensor-Aktor-System für Fluida und Aerosole, insbesondere ein Ventil.

Seit langem sind Ventile bekannt, die in Abhängigkeit von Stellgrößen, wie Temperatur, Beschleunigung, Füllstand, den Durchfluß von Medien steuern, indem anstelle eines Handbetätigungsorgans geeignete Stellglieder auf den Ventilkegel einwirken, beispielsweise Thermoelemente, Fliehkraftregler, Schwimmer. Der Ventilaufbau selbst entspricht dabei im wesentlichen altbekannten Konstruktionen, was bedeutet, daß oft eine Schraubenspindel aufwendig mit einer sogenannten Stopfbüchse abzudichten ist, damit keine Substanz nach außen gelangt und für den Ventilkegel der Ventilsitz durch Bearbeitungsprozesse, wie Einschleifen oder Fräsen, im Ventilgehäuse sorgfältig hergerichtet werden muß.

Für Sonderzwecke, nämlich für die Belüftung einer Landmine oder eines entsprechenden militärischen Wirkkörpers, ist auch schon ein automatisch wirkendes Belüftungsventil beschrieben worden, dessen Durchtrittsöffnung für ein Fluid sich in Abhängigkeit des Feuchtigkeitsgehaltes des im Ventilgehäuse enthaltenen Fluids ändert (EP 0 424 749 Al) . Hierzu ist in den Ventilkörper ein hochverdichteter Naturschwamm eingesetzt, der im mit Wasser vollgesogenem Zustand eine federbelastete Gummischeibe gegen die Durchtrittsöffnung im Ventilkörper drückt, wodurch der Wasserdurchlaß gedrosselt wird. Bei trokkener Witterung verdunstet das Wasser etwa innerhalb eines Tages nach außen und das Ventil wird wieder gasdurchlässig.

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Nachteilig an letzterem Ventil ist, neben dem für ein Ventil immer noch erheblichen konstruktiven Aufwand, die sehr lange Reaktionszeit bis zum erneuten Öffnen des Ventils und die Notwendigkeit, den Schwamm direkt bis zum Vollsaugen in das Wasser zu tauchen. Auch sind keine definierten Durchflußzwischenwerte einstellbar. Ferner kann es zu Störungen kommen, indem sich zwischen die relativ starre Gummischeibe und den Rand des Auslasses größere Partikel absetzen, die die Dichtwirkung mindern. Das Ventil arbeitet zudem nur richtungsabhängig. Die Eignung ist im wesentlichen auf Flüssigkeiten eingeschränkt. Da die Feder ständig gegen die Gummiplatte im Sinne des Offenhaltens des Ventils wirkt, muß beim Schließen der Schwamm gegen die Feder arbeiten, was eine sorgfältige Berechnung der Kräftebilanz erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein selbsttätiges Ventil zu schaffen, daß relativ schnell und hochempfindlich ist und demnach auch auf kleinste Mengen von vielerlei Flüssigkeiten und Aerosolen anzusprechen vermag. Das Ventil soll sehr klein gehalten sein können, mechanisch denkbar einfach aufgebaut sein und an eine Durchflußrichtung nicht gebunden sein. Es soll außerdem ein hinreichend häufiges Ventilspiel zulassen, betriebssicher, alterungsbeständig und mechanisch absolut unempfindlich gegen Erschütterungen, Schwingungen, Korrosion, usw. sein. Es soll geeignet sein, den Durchfluß auch auf einstellbare Zwischenwerte zu stabilisieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Anwendungen sind in den Ansprüchen 2 bis 11 angegeben.

Infolge des sehr einfachen Aufbaus, ein mit dem Sensor-Aktor-System aufgebautes Ventil besteht praktisch nur aus einem durchbohrten Ventilkörper und einem im Durchlaßkanal liegenden Schwellkörper, ist das System für einen massenhaften Einsatz prädestiniert. Irgendwelche störanfälligen Zusatzteile,

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wie Gummischeiben, Drahtgitterplatten oder Schraubenfedern, können ersatzlos entfallen. Der Durchlaßkanal ermöglicht im offenen Zustand ein unbehindertes, laminares Durchströmen des Ventils.

Der Quellkörper besteht aus einem (polymeren) Material, dessen Volumenausdehnung von den Eigenschaften des Fließmediums abhängig ist, ohne von diesem angegriffen zu werden, beispielsweise einem Silikongummi, der gut auf eine aromatische Verbindung, beispielsweise Toluol, reagiert.

Aufgrund vielfältiger sensitiver Eigenschaften kann sich das Ventil selbständig auf veränderte Umgebungsgrößen oder Eigenschaften des Durchströmungsmediums mit dem Regulieren der Durchlaßrate reagieren. So kann der Quellkörper materialseitig so gewählt werden, daß sich eine vorbestimmte Durchlaßkennlinie, bezogen auf den Aromaanteil des zu führenden Mediums, ergibt.

Der Quellkörper kann den Durchlaßkanal unmittelbar begrenzen. Zwischen dem Quellkörper und dem Durchlaßkanal kann sich aber auch eine flexible, mikroporöse Kapillare befinden, die vom Quellkörper mehr oder weniger beaufschlagt wird.

Das Sensor-Aktor-System ist vielseitig einsetzbar als direkt wirkendes Ventil oder Vorsteuerventil. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist der Einsatz als Sicherheits- und Mischventil.

Durch geignetes Zusammenspiel von Quellkörpermaterial und Aromat kann eine bevorzugte Sensibilität zu pH-Werten, zur Temperatur, zum Ionengehalt, und/oder zu Stoffzusammensetzungen erzielt werden. Das Maß der Sensibilität läßt sich einstellen und es lassen sich auch unterschiedliche Sensibilitäten kombinieren. Bei der Auswahl bestimmter Quellwerkstoffe kann z.B. eine vom Temperatureinfluß unabhängige Steuerung erreicht werden. Die Anwendung der Erfindung ist deshalb nicht unmittelbar auf Ventile begrenzt, sondern eröffnet wei-

tere Felder auf dem Gebiet der Sensor-Aktor-Systeme.

Je nach Materialwahl und Parametern des Fließmediums können sowohl annähernd sprunghafte als auch kontinuierliche Volumenänderungen des Quellwerkstoffs und damit Querschnittsveränderungen der Durchlaßkanäle voreingestellt werden.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines chemomechanischen Ventils nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm mit verschiedenen Kennlinien in Abhängigkeit zum Aromatanteil des Fluids.

Im Gehäusekörper 1 eines Ventils nach Fig.l befindet sich ein Durchlaßkanal 2. Mindestens ein Abschnitt 3 im Durchlaßkanal 2 ist sacklochartig aufgeweitet. In dieses Sackloch ist ein chemomechanisches Sensor-Aktor-Element nach Art eines Quellkörper 4 eingelassen, der in Fortsetzung des Durchlaßkanals 2 ebenfalls durchbohrt ist.

Anhand der Fig. 2 soll dessen Wirkungsweise näher erläutert werden.

Im Diagramm ist auf der Ordinate die Durchflußrate eines Fluids in ml/min aufgetragen und auf der Abszisse die Zeit in min. Es soll angenommen werden, daß bei einem Aromatanteil von 0% durch den Durchlaßkanal im Ventil die definierte Fluidmenge von 10 ml/min fließt (Kennlinie a).

Verändert sich bei dem Fluid der Aromatanteil, ohne einen bestimmten Grenzwert zu übersteigen, verkleinert sich der Kanaldurchmesser des chemomechanischen Ventils, so daß es zu einer Verringerung der Fluid-Durchlaßrate kommt, die sich nach einer gewissen Zeit in Abhängigkeit vom Aromatanteil auf eine Rate stabilisiert (Kennlinie b bei 25% Aromatanteil im Fluid).

t. 6 *v.

Überschreitet der Aromatanteil einen bestimmten Grenzwert, so unterbricht das chemomechanische Ventil in kurzer Zeit den Fluidfluß. Die Ventilschließzeit beträgt beispielsweise ca. zwei Minuten (Kennlinie c bei 50% Aromatanteil im Fluid).

Im Beispiel wurde als Fluid Alkohol und als Aromat Toluol verwendet. Der Quellkörper bestand aus einem Silikongummi-Formteil, gefüllt mit 30% Aerosil. Der Kanaldurchmesser betrug 0,9mm.

' .· *: .: : &Iacgr; . ·..: .·" 2960741de-7(9)

Bezugszeichen

1 Gehäusekörper

2 Durchlaßkanal

3 Abschnitt im Durchlaßkanal 2

4 Quellkörper

Claims

.I : "l . \.&iacgr; .*" 296074iDE-8(9) Ansprüche

1. Sensor-Aktor-System zum Steuern und Regeln des Durchsatzes an Fluida und Aerosolen, insbesondere Ventil, mit einem in einem Gehäusekörper angeordnetem Quellkörper, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) In dem Gehäusekörper (1) befindet sich mindestens ein Durchlaßkanal (2),

b) mindestens ein Abschnitt (3) des Durchlaßkanals (2) führt durch einen chemomechanisch sensitiven Quellkörper (4),

c) mit dem Ansprechen des Quellkörpers (4) verändert sich der Querschnitt des Durchlaßkanals (2) innerhalb des Abschnitts (3) .

2. Sensor-Aktor-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quellkörper (4) innerhalb des Abschnitts (3) unmittelbar den Durchlaßkanal (2) begrenzt.

3. Sensor-Aktor-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quellkörper (4) innerhalb des Abschnitts (3) über eine oder mehrere flexible, mikroporöse Kanäle mittelbar den Durchlaßkanal begrenzt.

4. Sensor-Aktor-System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der Quellkörper aus einem Gel mit temperaturabhängiger Quellung besteht.

5. Sensor-Aktor-System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der Quellkörper aus einem Gel mit pH-abhängiger Quellung besteht.

6. Sensor-Aktor-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Quellkörper auf eine aromatische Verbindung sensibilisiert ist.

7. Sensor-Aktor-System nach Anspruch 6, gekennzeichnet da-

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durch, daß er auf Toluol anspricht.

8. Sensor-Aktor-System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der Quellkörper aus einem polymeren, plastisch-elastischen Werkstoff besteht.

9. Sensor-Aktor-System nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß der Quellkörper aus einem Silikongummi-Formteil besteht.

10. Sensor-Aktor-System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als direkt wirkendes Ventil.

11. Sensor-Aktor-System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Vorsteuerventil.

12. Sensor-Aktor-System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Sicherheitsventil.

13. Sensor-Aktor-System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Mischventil.