CH615752A5 - Device for converting a pressure into a force, in particular for pneumatic control equipment - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung eines Druckes in eine Kraft, insbesondere für pneumatische Regelgeräte, bei der ein in bezug auf ein ortsfestes Bauteil beweglich gelagertes Bauteil von einem durch das ortsfeste Bauteil zugeführten Druckmittel angeströmt wird.

Bei Vorrichtungen oder Geräten, mit deren Hilfe ein Druck in eine Kraft umgewandelt wird, wie sie z.B. in der pneumatischen Mess- und Regeltechnik benötigt werden, besteht die Forderung, diese Umwandlung möglichst reibungsarm vorzunehmen. Bisher hat man bei solchen Geräten vor allem Federrohre zur Umwandlung eines Druckes in eine Kraft verwendet. Da solche Federrohre aber nicht beliebig klein hergestellt werden können, hat man auch bereits andere Anordnungen vorgeschlagen, wenn ein gegebener Druck in eine möglichst kleine, aber genau zugeordnete Kraft umgewandelt werden soll. Hierfür sind Bauelemente wie Kolben od. dgl. oder eine in eine Bohrung eingepasste Kugel bekannt geworden. So ist beispielsweise in der Deutschen Patentschrift 11 84 100 eine Einrichtung zur Umwandlung einer elektrischen Stromgrösse in einen proportionalen Druck für die pneumatische Regelung beschrieben worden, bei der die Kraft einer mit dem elektrischen Eingangswert beaufschlagten Messwertspule durch einen Kompensationskraftgeber ausgewogen wird, welcher einen auf langer Basis in Längsrichtung frei verschiebbar gelagerten Stift aufweist, der durch eine Bohrung in der Wandung eines mit unter dem Ausgangsdruck stehender Luft gefüllten Gefässes geführt ist. Dieser Stift gleitet in zwei Führungen. Da der Stift verhältnismässig klein gehalten werden kann, ist die durch den Druck hervorgerufene Kraft ebenfalls klein. Als Nachteil dieser 5 bekannten Einrichtung muss man aber in Kauf nehmen, dass um den Stift herum verhältnismässig viel Luft verlorengeht. Ein solcher grösserer Luftverlust ist aber unerwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein vorgegebener Druck in möglichst 10 kleine Kräfte umgeformt wird, wobei aber der an sich nicht vollständig zu vermeidende Luftverlust möglichst gering gehalten wird. Ausserdem soll diese Vorrichtung praktisch reibungslos und unempfindlich arbeiten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass 15 zwischen dem angeströmten beweglichen Bauteil und dem das Druckmittel zuführenden ortsfesten Bauteil ein von dem abströmenden Druckmittel zu durchströmendes Labyrinth angeordnet ist.

Dieses Labyrinth kann zweckmässig aus mindestens einem, 2o teils von dem beweglichen Bauteil und teils von dem ortsfesten Bauteil begrenzten Durchströmungsweg mit sich verändernder Richtung und/oder sich veränderndem Durchtrittsquerschnitt bestehen. Dieser Durchtrittsquerschnitt kann sich vorzugsweise abwechselnd verengen und erweitern.

25 Praktisch kann eine solche Vorrichtung so ausgebildet sein, dass der ortsfeste Bauteil aus einem Grundkörper mit einer Bohrung oder Düse für das Druckmittel und mindestens einer die Ausmündung der Düse mit Abstand wenigstens teilweise umgebenden Labyrinthnut besteht, in welche ein nach dem 3o Grundkörper hin vorspringender Labyrinthsteg eines den beweglichen Bauteil bildenden Kappenkörpers eintaucht. Die Labyrinthnut kann die Düse des Grundkörpers zweckmässig konzentrisch umgeben. Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung kann der eine Bauteil, z.B. der ortsfeste 35 Grundkörper, zwei oder mehr konzentrische Labyrinthnuten enthalten, in welche entsprechend zwei oder mehr konzentrisch angeordnete Labyrinthstege des anderen Bauteiles, z.B. des Kappenkörpers eintauchen.

Durch die Erfindung wird erreicht, dass das ausströmende 40 Druckmittel, insbesondere Luft, mehrmals in der Richtung verändert wird, und auch die Ausströmquerschnitte können vorzugsweise verändert werden, so dass der abfliessende Luftstrom sich abwechselnd expandiert und komprimiert. Durch diese Ausbildung wird der Strömungswiderstand für die abfliessende 45 Luft künstlich vergrössert. Die mehrmalige Strömungsumleitung und die Hintereinanderschaltung von kleinen und grossen Querschnitten bewirkt eine starke Verwirbelung des Luft- oder Gasstromes, wodurch der Durchfluss durch das Labyrinth erheblich kleiner ist als bei einem einfachen, üblichen Quer-50 schnitt gleicher Grösse.

Ferner hat die Vorrichtung gemäss der Erfindung gegenüber den bekannten Anordnungen zur Druck-Kraftumwandlung, welche z.B. mit Wellrohren, Membranen, Kolben, Stiften oder 55 einer in eine Bohrung eingepassten Kugel arbeiten, den Vorteil, dass sie praktisch ohne Reibung und Steife arbeitet und wesentlich kleinere Leckverluste als eine eingepasste Kugel oder ein verschiebbarer Stift hat. Gegenüber der mit einer eingepassten Kugel arbeitenden Anordnung ist auch die Herstellung der 6D Vorrichtung gemäss der Erfindung wesentlich einfacher, weil sich die Labyrinthspalten in der Grössenordnung von 0,1 mm bewegen, während die Kugel bei gleichen Leckverlusten mit einem Spiel von wenigen |x (bzw. (im bzw. 1/1000 mm) in die Bohrung eingepasst werden muss. Als weiterer Vorteil der 65 Erfindung kommt noch hinzu, dass die Empfindlichkeit gegen Verschmutzung infolge der grösseren Labyrinthspalten sehr viel geringer ist als bei der Anordnung mit einer in eine Bohrung eingepassten Kugel.

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In der Zeichnung ist die Erfindung in zwei Ausführungsformen beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen

Fig. 1 in einem schematischen Längsschnitt einen Druckkraftwandler mit einfachem Durchströmungslabyrinth,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Druckkraftwandler nach Fig. 1,

Fig. 3 in einem schematischen Längsschnitt einen Druckkraftwandler mir zweifachem Durchströmungslabyrinth, und

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Druckkraftwandler nach Fig. 3.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Druckkraftwandler besteht aus einem vorzugsweise runden, beweglichen bzw. geführten Kappenkörper 1 und einem in verhältnismässig geringem Abstand darunter angeordneten ortsfesten Grundkörper 2. Der Kappenkörper 1 ist z.B. mittels eines mit ihm verbundenen Hebelarmes 3 an einem Drehpunkt 4 gelagert. Der ortsfeste Grundkörper 2 hat eine mittlere Bohrung oder Düse 5, durch die das Druckmittel, z.B. Druckluft, mit einem Druck P in Richtung des eingezeichneten Pfeiles zugeführt wird.

Konzentrisch zu der Düse 5 ist in dem Grundkörper 2 eine nach dem Kappenkörper 1 hin offene, ringförmige Labyrinthnut 6 angeordnet. Der Kappenkörper 1 ist an seinem Umfang mit einem ringförmigen, nach dem Grundkörper 2 hin vorspringenden Labyrinthsteg 7 versehen, welcher mit Spiel von oben her in die Labyrinthnut 6 eingreift oder eintaucht. Dadurch erhält das ; Labyrinth einen inneren, sich an den waagerechten, zwischen der Oberfläche des Grundkörpers 2 und der Unterfläche des Kappenkörpers 1 befindlichen Durchströmungsquerschnitt 8 anschliessenden senkrechten Ringspalt 9 mit vorzugsweise engerem Querschnitt, einen sich vorzugsweise wieder erweiternden waagerechten Bodenspalt 10 und einen äusseren, sich von letzterem wieder senkrecht erstreckenden und vorzugsweise wieder engeren Ringspalt 11.

; Wenn durch die Düse 5 Druckluft in Richtung des Pfeiles P zuströmt, so wirkt das zwischen dem Kappenkörper 1 und dem Grundkörper 2 gebildete Labyrinth als Druckteiler, d.h. es bildet sich unterhalb des Kappenkörpers 1 ein Teildruck aus, der über die wirksame Fläche des Kappenkörpers in eine Kraft , F umgesetzt wird. Die Kraft F verhält sich zu dem Druck P der angelegten Druckluft linear, bzw. wird der Druck in eine demselben proportionale Kraft umgewandelt. Durch das eingebaute Labyrinth wird der Durchfluss und damit der Leckverlust entsprechend klein gehalten.

Der in Fig. 3 und 4 gezeigte Druckkraftwandler unterscheidet sich von dem Gerät nach Fig. 1 und 2 durch eine Verdoppelung des Labyrinthes. Der ortsfeste Grundkörper 2' enthält hier zwei konzentrisch zueinander angeordnete Labyrinthnuten 6' ) und 6", in welche die entsprechend konzentrisch angeordneten Labyrinthstege 7' bzw. 7" eines beweglich gelagerten Kappenkörpers 1 ' eintauchen. Auf diese Weise ergibt sich eine mehrfache Richtungsänderung der durch die Düse 5 in Richtung des Pfeiles P einströmenden Druckluft und bei entsprechender Bemessung der Spaltquerschnitte eine mehrfache, abwechselnde Expansion und Komprimierung des abfliessenden Luftstromes. Die Leckverluste werden dadurch noch geringer als bei dem Gerät nach Fig. 1 und 2, oder aber es kann bei gleichem Leckverlust die Fertigungsgenauigkeit weiter herabgesetzt i werden.

1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

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1. Vorrichtung zur Umwandlung eines Druckes in eine Kraft, insbesondere für pneumatische Regelgeräte, bei der ein in bezug auf ein ortsfestes Bauteil beweglich gelagertes Bauteil von einem durch das ortsfeste Bauteil zugeführten Druckmittel angeströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem angeströmten beweglichen Bauteil (1) und dem das Druckmittel zuführenden ortsfesten Bauteil (2) ein von dem abströmenden Druckmittel zu durchströmendes Labyrinth angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Labyrinth aus mindestens einem, teils von dem beweglichen Bauteil (1) und teils von dem ortsfesten Bauteil (2) begrenzten Durchströmungsweg (9,10,11) mit sich verändernder Richtung besteht.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Labyrinth aus mindestens einem, teils von dem beweglichen Bauteil (1) und teils von dem ortsfesten Bauteil (2) begrenzten Durchströmungsweg (9,10,11) mit sich verändernden Durchtrittsquerschnitten besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchtrittsquerschnitte des Labyrinths abwechselnd verengen und erweitern.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ortsfeste Bauteil (2) aus einem Grundkörper mit einer Bohrung oder Düse (5) für das Druckmittel und mindestens einer die Ausmündung der Bohrung bzw. Düse (5) mit Abstand wenigstens teilweise umgebenden Labyrinthnut (6) besteht, in welche ein nach diesem Grundkörper hin vorspringender Labyrinthsteg (7) eines den beweglichen Bauteil (1) bildenden Kappenkörpers eintaucht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Labyrinthnut (6) die Bohrung bzw. Düse (5) des Grundkörpers (2) konzentrisch umgibt und der Labyrinthsteg (7) entsprechend konzentrisch zur Mittelachse eines kreisförmigen Kappenkörpers (1) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ortsfeste Bauteil (2') mindestens zwei konzentrische Labyrinthnuten (6', 6") enthält, in welche mindestens zwei entsprechend konzentrisch angeordnete Labyrinthstege (7', 7") des beweglichen Bauteiles (1 ') eintauchen.