CZ2014903A3 - Fluidický oscilátor - Google Patents

Abstract

Předmětem vynálezu je fluidický oscilátor bez pohyblivých součástek vyvolávající v tekutině jím protékající periodické pulsace tlaku a/nebo rychlosti proudění. Fluidický oscilátor má planární tvar vhodný pro zhotovení např. fotochemickým postupem v tenké desce nebo řezáním laserovým paprskem. Výrobní výhodou na rozdíl od dosud známých provedení fluidických oscilátorů je, že zde nejsou zpětné vazby ve tvaru uzavřených smyček kanálků nebo hadic, které při takovém výrobním postupu je nutné na jejich pozice dodatečně umísťovat. Uspořádání je zejména vhodné pro velmi nízké frekvence generovaných oscilací.

Description

FLUIDICKÝ OSCILÁTOR

Oblast techniky

Předmětem vynálezu je zafízení, které generuje periodické oscilace v tekutině (tedy buď v kapalině, nebo v plynu, afe^případně ovšem i ve dvoufázové nebo vícefázové směsi), která tímto zařízením protéká. Jde o zařízení bez součástek, které by se při své funkci pohybovaly nebo byly výrazně deformovány. Takové fluidické oscilátory nacházejí uplatnění v nejrůznějších oborech techniky, kde se pracuje s pulsujícími průtoky. Je například známo jejich použití v aerátorech vytvářejících v kapalině velmi malé vzduchové bublinky. Jsou též používány k intenzifikaci přestupu tepla a/nebo hmoty impaktním prouděním, kdy po zavedení oscilací je intenzita přestupu mnohem větší než při stacionárním, časově neměnném proudění. Jsou také známa použití těchto oscilátorů k řízení odtrhávám mezní vrstvy od povrchu obtékaných těles. V tomto případě je fluidický oscilátor umístěn uvnitř takového tělesa a vývod z něj je veden do aktuátorové trysky ústící na povrchu tělesa, a to v takových místech, kde je mezní vrstva proudění kolem tělesa obzvláště citlivá na působící rozruchy. Je pak možné poměrně malými výkonovými úrovněmi výtoku z aktuátorové trysky ovlivnit mezní vrstvu tak, aby se potlačila její tendence k odtržení od povrchu tělesa, jaká se projevuje například při překročení určité hodnoty úhlu náběhu tělesa vzhledem ke směru obtékám. Potlačením odtržení se odstraní omezení použitelných úhlů náběhu a to umožní větší volnost pokud jde o konstrukci tělesa a rozsah jeho provozních režimů.

Dosavadní stav techniky

Pokud je dnes požadováno vyvolání oscilací v proudící tekutině, jsou k tomu používány mechanické oscilátory. Ty jsou obvykle poháněny elektromotorem, který pohybuje nějakou součástkou periodicky zasahující do prouděný popřípadě střídavě měnící průřez tekutinou protékaného kanálu a pod.^ Obvykle jsou otáčky běžných elektromotorů příliš vysoké a vhodná frekvence generovaných pulsací vyžaduje vložit mezi elektromotor a akční součástku oscilátoru mechanický převod, například ozubenými koly. Je zřejmé, že takové oscilátory jsou vesměs natolik rozměrné, těžké, cenově nákladné a náročné na údržbu, že se nakonec možných intenzifikačních výhod dosažitelných oscilacemi z ekonomických důvodů vůbec nevyužívá.

Jako velmi výhodné řešení, zatím ale nové a málo známé, se ukazuje být použití fluidických oscilátorů bez pohyblivých součástek. Ty nezabírají mnoho prostoru, nevyžadují žádnou obsluhu a mají prakticky neomezenou životnost. Hlavně pak jsou výrobně levnější. Současná provedení fluidických oscilátorů sestávají z fluidického bistabilního zesilovače proudového typu opatřeného kanálkem (nebo kanálky) zavádějícím zpětnou vazbu.

Bistabilní zesilovače použité v oscilátorech jsou vesměs založeny na využití Coandova jevu přilnutí tekutinového proudu ke stěně. Nejsou sice příliš známy a rozšířeny, nicméně existují a o jejich principu, uspořádání a funkci lze nalézt dostatečné informace v existující literatuře, např. je jim věnována část „4.4 Switching valves based on the Coanda effect“ na str. 185 / 199 v monografii “Pressure-Driven Microfluidics”, vyd. Artech House Inc., Norwood, MA., U.S.A. Dnes běžná provedení bistabilních zesilovačů proudového typu jsou planámí, kdy dutiny oscilátoru jsou vytvořeny vybráním materiálu z rovinné základní desky, například fotochemickým postupem (odleptáním podle fotograficky přenesené masky). Vzniklé dutiny v základní desce* sloužící k průtoku tekutiny^ jsou pak uzavřeny překrytím rovinnou krycí deskou. Tekutina v níž se generují oscilace je přiváděna do napájecí trysky vytvořené v základní desce. Z jejího ústí vytéká jako tekutinový proud. Po obou stranách ústí napájecí trysky jsou umístěny symetricky proti sobě ležící přídržné stěny sloužící k tomu, že tekutinový proud k jedné z nich přilne účinkem Coandova jevu. Vzhledem k symetrii uspořádání má proud stejnou možnost přilnout k jedné nebo druhé přídržné stěně. Přilnutí vede ke změně směru proudu, který pak již nemůže proudit v původním přímém směru výtoky z^napájecí trysky. Jedna přídržná stěna proud vede do prvního výstupního vývodu_zÍ5ezM oruhá^ protilehlá přídržná stěna vede tento proud do druhého výstupního vývodu. Proudění ve známých provedeních fluidických oscilátorů je řízeno řídicími tryskami, které vyúsťují naproti sobě v místech mezi přídržnou stěnou a ústím napájecí trysky. Výtokem tekutiny z řídicí trysky lze překlopit proud vytékající z napájecí trysky od jedné přídržné stěny ke druhé.

Dosud známá provedení fluidických oscilátorů vesměs využívají k vyvození oscilací zpětnou vazbu zavedenou do řídicích trysek bistabilního zesilovače. Známé je nannklad provedení podle ÚSpHpatentu Ne. 3 158 166 “Negative Feedback Oscillator“, z r|f 1962. Vyznačuje se dvěma zpětnovazebními kanálky. Každý z nich vede po jedné straně zesilovače z výstupního vývodu k řídicí trysce. Vytváří se tak nestabilní situace, kdy tekutinový proud z napájecí trysky osciluje mezi oběma přídržnými stěnami. Frekvence takto generovaných oscilací je závislá, kromě jiných faktorů, zejména na délce zpětnovazebního kanálku. Čím je kanálek delší, tím déle v něm trvá přenos zpětnovazebního signálu a tím déle tedy trvá než dojde k překlopení od jedné přídržné stěny ke druhé a tím tedy je delší i perioda oscilací.

Zpětnovazební kanálky způsobují nepříjemnou výrobní komplikaci. Protože spolu s některými částmi zesilovače musí takové kanálky nutně vytvářet uzavřené smyčky, stane se to, že vybráním materiálu z rovinné desky, například výše zmíněným fotochemickým postupem, vypadnou v základní desce pak ničím již nedržené vnitřní části, tedy ty části nacházející se uvnitř takové uzavřené smyčky. Protože však tyto části jsou důležité pro funkci oscilátoru, musí být do vytvořených dutin zase nazpět vloženy, jejich poloha přesně nastavena a poté musí být připevněny k ostatním částem oscilátoru. Taková výrobní operace se zpravidla provádí manuálně. Vzhledem k nárokům na přesnost s důkladnost fixace vnitřních částí jde o kvalifikovanou práci, jejíž náklady nepříznivě ovlivňují celkovou výrobní ceny oscilátoru. Další komplikace, a to jiného druhu, způsobují zpětnovazební kanálky tehdy, mají-li být fluidickým oscilátorem generovány oscilace s nízkou frekvencí. To se u dnes obvyklých oscilátorů dosahuje zpětnovazebními kanálky o velké délce. Například v článku „No-moving-part hybridsynthetic actuator” v časopisu Sensors and Actuators A, Vol. 125, str. 159, z roku 2006 je popsán oscilátor tohoto obvyklého typu sbistabilním zesilovačem majícím celkovou délku zhruba 67 milimetrů, u kterého bylo nutné použít pro zpětnou vazbu hadičku o průměru 10 milimetrů a délce 52 metrů ^tedy délce zhruba VSOykrát^ větší než je délka vlastního zesilovače. O hadičku muselo v tomto případě jít proto, že tak dlouhý

-Jzpětnovazební kanál není prakticky reálné zhotovit stejnou fotochemickou výrobní technologií jako vlastní bistabilní zesilovač (tedy jako vyleptaný zpětnovazební kanálek ve stejné desce spolu se zesilovačem, jak tomu je u vysokofrekvenčních fluidických oscilátorů). Kromě této nevýhody výrobní komplikace (zhotovení části oscilátoru odlišnou výrobní technologií přináší zvýšené výrobní náklady) je také nevýhodou, že je obtížné vůbec najít v mnoha zařízeních dostatečně velký prostor, do kterého by bylo možné umístit takto velmi dlouhou hadici. Žádoucí jsou oscilátory prostorově kompaktní a snadno umístitelné, což ovšem známá provedení s dlouhými zpětnovazebními hadičkami nejsou. Hlavní problém související s nutností dlouhých zpětnovazebních vedení je ale ještě jiný. Jde o to, že řídicí průtoky proudící ve velmi dlouhém kanálu ztrácejí na intenzitě - nepříznivě se zde uplatňuje disipace energie účinkem třecích ztrát při proudění tekutin. V krajním případě vůbec přenesená energie nepostačí k překlopení vychylovaného tekutinového proudu od jedné přídržné stěny ke druh^ protilehlé výtokem z řídicí trysky, takže oscilátor nemůže fungovat. Jako důsledek těchto ztrát existuje tedy jistá limitní dolní hodnota frekvence. Oscilace s menší než touto frekvencí není možné v klasickém uspořádání generovat.

Určité zlepšení této situace u nízkofrekvenčních fluidických oscilátorů přináší patent CZ 304 315 o názvu “Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině”. Jednou velmi podstatnou částí tam popsané jednotky je právě fluidický oscilátor, a sice takový, že se zcela obejde bez dlouhých zpětnovazebních hadic nebo kanálků. Nízké frekvence se dosahuje dlouhým časovým zpožděním ve vírových komorách. Do vírové komory tekutina vstupuje tangenciálně na obvodu komory a vychází z ní středovým vývodem. Tlakový spád v průběhu každé oscilační periody nejprve narůstá jak se tekutina v komoře postupně roztáčí a tím se zvětšuje odstředivé zrychlení. Tím se postupně zvětšuje odpor proti průtoku od tangenciálního vtoku do středového vývodu. Po dosažení určité intenzity rotace tento zvětšený odpor způsobí podstatnou změnu charakteru proudění v celé jednotce. Uspořádání dutin v jednotce podle patentu CZ 304 315 je značně komplikované. Vyznačuje se také přítomností spojovacího kanálku který nutně vytváří uzavřené smyčky takže vzniká stejný problém jaký byl popsán výše. Jak je běžné u fluidických zařízení, i zde jsou dutiny pro průtok tekutiny vytvořeny vybráním materiálu z rovinné desky, například výše zmíněným fotochemickým postupem. U uzavřené smyčky tak vypadnou ze základní desky ničím pak již nedržené vnitřní části nacházející se uvnitř smyčky. Ty pak musí být do vytvořených dutin zase nazpět vloženy a tam fixovány, což oscilátor prodražuje a komplikuje.

Významnou další komplikací pak je celková složitá konfigurace dutin oscilátoru. Složité tvary samozřejmě vedou k větším výrobním nákladům. Oscilátor se obtížněji navrhuje i vyrábí. Složitost je především způsobena tím, že jednotkou podle CZ 304 315 tekutina proudí současně ve dvou paralelních dutinových soustavách kde tyto soustavy celkem obsahují dvanáct komponent, z nichž bezprostředně pro generování oscilací jich slouží celkem osm. Jsou to v prvé řadě dvě souběžně protékané trysky, dále ve směru výtoků z těchto trysek dvě dutiny předkomůrek, z nichž každá má dvě přídržné stěny po obou stranách průtoku. Dále jsou to dvě vírové komory a konečně z nich vycházející dva centrální vývody. Další tvarovou a funkční komplikaci pak způsobuje to, že každá z obou souběžných dutinových soustav se ještě dělí v předkomůrce do dvou cest jimiž může tekutina alternativně procházet, přičemž jedna cesta směřuje do vírové komory tangenciálně (což způsobuje, že při průtoku touto cestou dochází ve vírové komoře k rotaci jejího tekutinového obsahuj kdežto druhá cesta směřuje radiálně (tedy bez rotace).

Podstata vynálezu

Problém méně složitého a méně rozměrného fluidického oscilátoru je řešen výrazně jednodušším kompaktním fluidickým oscilátorem, jehož funkce je založena na principu, který nevyžaduje vytvoření zpětnovazebních kanálkových smyček a má pro průtok tekutiny jen dvě alternativně protékané cesty. Jako u výše zmiňovaných známých provedení jiných fluidických oscilátorů i zde je přívod tekutiny zaveden do trysky ústící mezi dvě proti sobě ležící přídržné stěny, kde se výtokem z trysky vytváří tekutinový proud směřující mezi tyto stěny.

V uspořádání podle vynálezu obsahuje fluidický oscilátor dvě vírové komory kruhového tvaru,které mají každá uprostřed vývod generovaného periodicky proměnného průtoku, přičemž dutiny z napájecího přívodu tekutiny do těchto vírových komor obsahují trysku ústící mezi dvě proti sobě ležící přídržné stěny, kde podstatou vynálezu je, že fluidický oscilátor má jedinou dvojici přídržných stěn a ty mají ve směru výtoku z ústí jediné trysky oba své konce přídržných stěn směrovány do na ně navazujících tangenciálních vtoků umístěných po jednom na obvodu každé z obou vírových komor a tyto tangenciální vtoky jsou orientovány kolmo ke směru poloměru vycházejícího ze středu vírové komory.

Podle vynálezu může být účelné, aby se mezi oběma vírovými komorami byl dělič, například klínovitého tvaru, zejména se žlábkovitým vybráním na nosu děliče.

V takovém případě může být podle vynálezu účelné, aby vrchol děliče byl od trysky ve větší odlehlosti ve směru osy trysky než je vzdálenost v jaké je hrana na konci přídržné stěny.

Také může být podle vynálezu výhodné, aby do vírové komory vyčníval u konce jedné nebo obou přídržných stěn nos, a sice vyčnívající až za kružnici, která vymezuje kruhový tvar vírové komory.

Ke generování oscilací se v uspořádání podle vynálezu využívá to, že velikost tlakového spádu na vírové komoře po náhlém přivedení průtoku tekutiny do tangenciálního vtoku je zpočátku malá a postupně narůstá, jak se tekutina ve vírové komoře dostává postupně do rychlejší rotace. Velká hodnota tlakového spádu při rotaci tekutiny je důsledkem snahy po zachování momentu hybnosti (někdy označovaného jako točivost). Jak se směrem ke středu vírové komory, kde je vývod jímž tekutina odtéká, zkracuje rameno rotace, musí se pro zachování točivosti zvětšovat rotační rychlost. V rychle rotující tekutině se pak uplatňují odstředivé síly, které brání proudění tekutiny směrem k vývodu nacházejícím'se ve středu vírové komory. Uvedení tekutiny ve vírové komoře do rotace tím, že tekutina je přiváděna tangenciálním vtokem, probíhá ovšem postupně a stím postupně narůstá i tlakový spád mezi vtokem do vírové komory a vývodem umístěným ve středu komory. Známé je využití tohoto jevu postupného, po určitou dobu probíhajícího nárůstu tlaku podle československého autorského osvědčení číslo 202898 ze dne 25. ledna 1979. Jev je tam využit pro úpravu časového průběhu průtoku tekutiny. Podobně je nárůst tlakového spádu na vírových komorách využity v oscilátorové části jednotky podle výše již zmiňovaného dokumentu CZ 304 315, kde každá vírová komora je součástí fluidického aktivního elementu, * bistabilního průtok uzavírajícího ventilu, ve kterém je ke změnám charakteru proudění využitý v každém z obou těchto ventilů rozváděči část - předkomůrka se dvěma přídržnými stěnami.

Také ve fluidickém oscilátoru podle vynálezu se využívá Coandův jev přilnutí proudu k přídržným stěnám. K přeskoku proudění od jedné této stěny k protilehlé druhé se využívá jevu označovaného v literatuře jako zátěžové překlopení fluidického proudového zesilovače. Tento jev se vyskytuje u zesilovačů s alternativním přilnutím tekutinového proudu k jedné z dvojice přídržných stěn v důsledku Coandova jevu. Setkává-li se tekutina proudící podél přídržné stěny s narůstajícím přetlakem, může dojít posléze k tomu, že Coandův jev tekutinu u stěny již více neudrží. Pak dojde ke změně charakteru proudění, vyznačujícím se odtržením proudu od přídržné stěny. Protože tekutinový proud nemůže proudit přímo, tedy proti děliči, dojde po zátěžovém odtržení od jedné přídržné stěny k přilnutí ke druhé*- protilehlé přídržné stěně. Bližší vysvětlení a také praktické využití zátěžového překlopení je Dopsáno v článku No-moving-part valve for automatic flow switching, uveřejněném v rfzOlO v časopisy! Chemical Engineering Journal Vol. 162, str. 278.

Jestliže tekutinový proud vytvářený výtokem z trysky přilne účinkem Coandova jevu k jedné ze dvou navzájem protilehlých přídržných stěn, je touto stěnou v uspořádání oscilátoru podle vynálezu veden tangenciálně do jedné z obou vírových komor. V této komoře zpočátku tekutina nerotuje, například tam rotační pohyb byl postupně zastaven třením mezi tekutinou a stěnami vírové komory. Bez rotace je tlakový spád na vírové komoře, tedy mezi tangenciálním vtokem a středovým vývodem, malý. Tekutina proto zpočátku snadno vírovou komorou protéká. Postupně však je zde tekutina uvedena do rotace působením tangenciální složky hybnosti přiváděného proudění. Rychlost rotace se postupně zvyšuje. Přitom ze zvětšují i odstředivé sjtly působící na rotující tekutinu. Tlakový spád na vírové komoře proto narůstá, a to až do té chvíle, kdy dojde k zátěžovému překlopení.

Po překlopení probíhá zcela analogický děj na protilehlé straně oscilátoru. Také zde tangenciálně vstupující tekutina vírové komoře postupně stále rychleji rotuje, což způsobí postupný nárůst tlakového spádu na vírové komoře až také na této straně dojde k zátěžovému překlopení. Proud přiváděné tekutiny přeskočí a celý děj jak je svrchu popsán se znovu opakuje. Z vývodů umístěných ve středech vírových komor vystupuje tak oscilující průtok tekutiny.

Uspořádání podle vynálezu je obzvlášť výhodné tehdy, je-li požadována generace oscilací o nízké frekvenci. Protože odpadá zpětnovazební vedení, nejsou vůbec nutné zpětnovazební hadice a tedy odpadají problémy s výrobou a montáží výrobně odlišných komponent. Oscilátor je možné zhotovit celý najednou jedním technologickým postupem. Nejsou potíže jaké dosud způsobuje umístění dlouhých hadic - oscilátor je rozměrově kompaktní. Odpadají problémy s třecími ztrátami a tím s limitní dolní hodnotou dosažitelné frekvence.

Na rozdíl od dříve známého fluidického oscilátoru který tvoří podstatnou část generátoru plynových bublin v kapalině podle dokumentu CZ 304 315 je u uspořádání podle vynálezu podstatnou výhodou mnohem menší složitost dutin. Zejména je to výhodné tam, kde je oscilátor zhotovován odstraněním materiálu z ploché tenké desky.

Nedochází tam ktomu, že by při takovém postupu výroby z desky vypadly n^jak neuchycené části, které by bylo nutné pracně vkládat a polohovat. Také celkový tvar dutin, protože je jednodušší, může být zhotovován rychleji a levněji.

Pokud je žádoucí dosažení vyšších frekvencí generovaných oscilací, může se nárůst tlakového spádu na vírové komoře zrychlit známými způsoby, jako je zejména volba malých rozměrů komory. Je-li průměr vírové komory menší, nastane nárůst tlakového spádu rychleji.

Dalším omezujícím faktorem při návrhu fluidického oscilátoru s vírovými komorami pracujícího v režimu vyšších frekvencí je doba nutná k tomu, aby se rotace ve vírové komoře zastavila po zátěžovém překlopení a tedy po zástavem průtoku tangenciálně přitékající tekutiny. Zastavení je zejména způsobeno třením o stěny ve vírové komoře. Toto třem se může zvětšit tvarovými úpravami vlastní komory, jako je třeba zmenšení její výšky - vzdálenosti mezi plochým dnem dutiny a protilehlou horní plochou stěnou nahoře. Komora pak má tvar ploché štěrbiny, což ovšem je i vhodné s ohledem na výrobu oscilátoru v planámím uspořádání. Jsou však také možné tvarové úpravy celého oscilátoru vedoucí k zastavení rotace.

Následují-li rychle po sobě překlopení vzduchového proudu od jedné přídržné stěny ke druhé, může se stát, že tekutina v komoře ještě rotuje vlivem setrvačnosti po předcházejícím oscilačním cyklu. Aby nebylo nutné se spoléhat pouze na zastavení tohoto rotačního pohybu účinkem třecích ztrát ve vírové komoře, může být provedena taková úprava základní konfigurace dutin oscilátoru jaká způsobí vtékání tekutiny do komory proti smyslu předchozího tangenciálního vtékání. Tento opačný směr má za následek rychlé brzdění rotace v komoře. Lze hovořit o derotačním průtoku, čímž je míněn malý odebíraný průtok vstupující více či méně tangenciálně do vírové komory proti směru pohybu brzděné ale zatím stále ještě existující rotace.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Fluidický oscilátor se dvěma vírovými komorami kruhového tvaru, které mají každá uprostřed vývod generovaného periodicky proměnného průtoku tekutiny, přičemž dutiny napájecího přívodu tekutiny do těchto vírových komor obsahují trysku ústící mezi dvě proti sobě ležící, navzájem vůči sobě skloněné přídržné stěny^ vyznačující se tím, že fluidický oscilátor má jedinou dvojicí přídržných stěn (3, 4) a ty mají ve směru výtoku z ústí jediné trysky (2) oba své konce přídržných stěn (3,4) směrovány do na ně navazujících tangenciálních vtoků (6, 7) umístěných po jednom na obvodu každé z obou vírových komor (8, 9) a tyto tangenciální vtoky (6, 7) jsou orientovány kolmo ke směru poloměru vycházejícího ze středu vírové komory (8P).
2. 2. Oscilátor podle nároku 1^^— vyznačující se tím, že mezi vírovými komorami (8, 91 a jejich tangenciálními vtoky (6, 7) je umístěn dělič (X) ζ&).
3. 3. Oscilátor podle nároku 2_f 5> vyznačující se tím, že é—=? vrcholMěliče (55) je ve směru osy trysky (2) od jejího ústí ve větší odlehlosti než v jaké je hrana (77) na konci přídržné stěny (3, 4).
4. 4. Oscilátor podle nároku 3_t<Ě---vyznačující se tím, že dále obsahuje nos (707) vyčnívající u konce přídržné stěny (3,4) do vírové komory (8,9) až za kružnici vymezující kruhový tvar (99) vírové komory (8,9).