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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Strömung, die ein einen Hohlraum umschließendes Gehäuse aufweist. In dem Hohlraum sind mindestens zwei bewegliche, sich gegenüberliegende, jeweils in einer Ebene verlaufende Membranen gelagert, die jeweils mit einem Aktor zur Anregung einer Schwingung der Membran verbunden sind. Das Gehäuse weist in einem Bereich zwischen den Membranen eine im Wesentlichen parallel zu den Ebenen der Membranen ausgerichtete Öffnung auf.
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Eine derartige Vorrichtung, die auch als Doppelmembran-Synthetik-Jet-Aktor bezeichnet wird, ist beispielsweise aus der Publikation „On Centerline Distribution of Velocity and Momentum in Synthetic Jet Actuator Flows" von G. Hong et al., 14th Australian Fluid Mechanics Conference, Adelaide, 10. -14. Dezember 2001, bekannt.
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Derartige Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass sich für manche Anwendungen, beispielsweise für die gezielte Beeinflussung von Strömungen um Tragflächen, Rotoren oder Hochauftriebselementen von Luftfahrzeugen, Rotoren von Windkraftanlagen, verschiedene Elemente von Straßen oder Schienenfahrzeugen oder von Strömungen in Turbinen, keine hinreichenden Strömungsgeschwindigkeiten und/oder Volumenflüsse realisieren lassen. Auch für eine hinreichende aktive Kühlung elektrischer Bauelemente ist der erzeugte Volumenfluss oft nicht hinreichend. Außerdem ist der Herstellungsaufwand für derartige Vorrichtungen hoch. Auch ein Austausch von beschädigten Membranen ist nur mit hohem Aufwand möglich.
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Aus der
US 2004/0021398 A1 ist eine Pumpe mit einer von einem piezoelektrischen Antrieb angetriebenen Membran bekannt, wobei die Membran mittels eines O-Rings auf der einen und einer Gummidichtung auf der anderen Seite flexibel gelagert ist.
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US 3 963 380 beschreibt eine Mikropumpe, die mit einer Kammer variablen Volumens verbunden ist, wobei das variable Volumen durch zwei die Kammer begrenzenden gegenüberliegenden Membranen, die jeweils mit piezoelektrischen Elementen verbunden sind, erzeugt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Strömung vorzuschlagen, mit der sich höhere Strömungsgeschwindigkeiten realisieren lassen und die zugleich einen einfacheren Aufbau aufweist. Außerdem soll ein Austausch von beschädigten Membranen erleichtert werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Dadurch, dass die Membranen flexibel gelagert sind und zwischen ihnen ein elastisches Element angeordnet ist, das an beiden Membranen entlang des Umfangs (bis auf mindestens einen mit der mindestens einen Öffnung in Verbindung stehenden unterbrochenen Bereich) anliegt und das einen mit der Öffnung in Verbindung stehenden unterbrochenen Bereich aufweist, können die Membranen mit einer höheren Auslenkung schwingen als bei einer festen Lagerung. Durch die höhere Auslenkung der Membranen wird eine höhere Geschwindigkeit der austretenden Strömung ermöglicht. Entsprechend ist auch der in die Strömung eingetragene Impuls sowie der Volumenfluss erhöht. Der Volumenfluss ist hierbei durch die erzielte Strömungsgeschwindigkeit und den Durchmesser der Düse festgelegt. Alternativ kann die gleiche Strömungsgeschwindigkeit bzw. der gleiche Volumenfluss wie durch Vorrichtungen nach dem Stand der Technik durch eine deutlich kleinere Vorrichtung erzielt werden.
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Da die flexible Lagerung eine Befestigung der Membranen durch Klemmen ermöglicht, wird auch die Herstellung der Vorrichtung vereinfacht. Durch das elastische Element ist auch ein Ausgleich von Fertigungstoleranzen ohne weiteres möglich.
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Es sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter „im Wesentlichen parallel“ zu verstehen ist, dass ein Winkel zwischen der Ebene der Membranen und einer Austrittsrichtung der Öffnung kleiner als 20°, vorzugsweise kleiner als 10° und besonders vorzugsweise kleiner als 5° ist. Selbstverständlich kann die Austrittsrichtung der Öffnung auch genau parallel zur Ebene der Membran sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist bei jeder Membran jeweils an einer Seite, die von der jeweils anderen Seite abgewandt ist, ein weiteres elastisches Element angeordnet. Auch das weitere elastische Element liegt entlang des Umfangs der jeweils benachbarten Membran an dieser an. Die Membranen werden somit jeweils zwischen dem elastischen Element und dem auf der gegenüberliegenden Seite der Membran angeordneten weiteren elastischen Element gelagert. Durch die beidseitige Lagerung der Membranen durch elastische Elemente wird eine weitere Erhöhung der möglichen Membranauslenkung beim Schwingen erzielt und auch das Risiko, dass eine der Membranen beim Zusammenbau der Vorrichtung beschädigt wird, reduziert.
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Besonders einfach können das elastische Element und/oder die weiteren elastischen Elemente als O-Ringe ausgebildet sein. Als die weiteren elastischen Elemente bildende O-Ringe können handelsübliche O-Ringe unverändert verwendet werden. An dem das elastische Element bildenden mittleren O-Ring muss nur eine kleine Änderung, nämlich das Einbringen einer Unterbrechung, an einem handelsüblichen O-Ring vorgenommen werden. Durch das Verwenden von Standardteilen wie O-Ringen wird ein Aufwand zur Herstellung und damit die Herstellungskosten deutlich reduziert.
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Alternativ zu O-Ringen kann auch eine elastische Gussmasse, beispielsweise aus Silikon, verwendet werden, um das elastische Element und/oder die weiteren elastischen Elemente herzustellen.
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Zur weiteren Steigerung der erzielbaren Strömungsgeschwindigkeit wird die Öffnung im Gehäuse vorzugsweise konisch ausgebildet. Der Durchmesser der Öffnung verringert sich also vom Hohlraum des Gehäuses zu einer Außenseite hin.
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Die Membranen können über das elastische Element drehgelagert sein. Hierdurch wird eine maximale Auslenkung der Membran erhöht, sodass auch das insgesamt durch die Bewegung der Membranbewegung verdrängte Volumen erhöht ist.
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Um eine besonders hohe Membranauslenkung zu erzielen, sind die in Richtung der Flächennormalen der Membran gerichteten Gehäusewände vorzugsweise bereichsweise unterbrochen ausgebildet. Hierdurch wird die mittels der Aktoren an den Membranen verrichtete mechanische Arbeit zu einem besonders großen Teil zum abwechselnden Vergrößern und Verkleinern des zwischen beiden Membranen eingeschlossenen Volumens genutzt. Ohne eine solche Unterbrechung der Gehäusewand würde Arbeit an dem zwischen der Membran und der Gehäusewand eingeschlossenen Gasvolumen beim Schwingen der Membran verrichtet. Dieses Gasvolumen würde als Gasfeder wirken und dabei eine zusätzliche Dämpfung in der Vorrichtung verursachen.
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Als Aktor kann beispielsweise ein elektrostatischer, piezoelektrischer und/oder elektromagnetischer oder elektrodynamischer Aktor verwendet werden. Ebenso kann eine Formgedächtnislegierung als Aktor dienen. Der Aktor kann - insbesondere wenn er als piezoelektrischen Aktor ausgebildet ist - beispielsweise aus einer Keramik bestehen.
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Das elastische Element und/oder die weiteren elastischen Elemente können vorzugsweise wahlweise aus einem Elastomer oder einem Thermoplast bestehen. Das Gehäuse kann beispielsweise zumindest überwiegend aus einem vorzugsweise duroplastischen Polymer oder aus Metall bestehen. Die Membranen können beispielsweise aus einem Metall wie Aluminium oder einer Legierung wie Edelstahl oder Messing aber auch aus Keramik oder einem Polymer bestehen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Gehäuse durch eine die Vorrichtung aufnehmenden Gegenstand selbst gebildet. Der Gegenstand weist also an seiner Oberfläche die konische Öffnung auf, wobei im inneren des Gegenstands, hinter der Konischen Öffnung der Hohlraum mit den Membranen angeordnet ist. Als die Vorrichtung aufnehmender Gegenstand kann beispielsweise ein Flügel, ein Rotor, eine Turbine oder ein Hochauftriebselement eines Luftfahrzeugs, ein Rotor einer Windkraftanlage oder ein Kühlkörper eines elektronischen Elements dienen.
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Ein besonders einfacher Aufbau wird ermöglicht, wenn die Membranen rund ausgebildet sind. Insbesondere ist dies in Kombination mit einer Drehlagerung, wie oben beschrieben, vorteilhaft. Die Membranen können jedoch ebenso rechteckig oder oval ausgebildet sein. Ein Durchmesser der Membranen kann vorzugsweise zwischen 10 und 50 mm und besonders vorzugsweise zwischen 15 und 40 mm betragen.
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Außerdem ist ein besonders einfacher Aufbau möglich, indem das Gehäuse aus mehreren Gehäuse teilen ausgebildet wird, die beispielsweise durch Klemmen miteinander verbunden werden.
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Beim Betrieb der vorangehend beschriebenen Vorrichtung wird durch periodisches Schwingen der Membran ein die Vorrichtung umgebendes Fluid (beispielsweise Luft) abwechselnd in den Hohlraum eingesaugt und ausgestoßen. Beim Ausstoßen des Fluids wird ein Impuls auf das Fluid übertragen und es bilden sich Wirbel. Um eine maximale Änderung des zwischen den Membranen eingeschlossenen Volumens beim Schwingen zu ermöglichen, werden die Membranen vorzugsweise so angesteuert, dass sie genau in entgegengesetzte Richtung schwingen, bzw. ein Phasenversatz der Schwingung der Membranen von einem genau gegensätzlichen Schwingen ist vorzugsweise kleiner als 10°. Die Membranen können beispielsweise mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und 30 kHz schwingen. Besonder bevorzugt liegt die Frequenz zwischen 20 und 30 kHZ. Dieser Frequenzbereich ist für das menschliche Gehör nicht wahrnehmbar, sodass sich eine in diesem Frequenzbereich arbeitende Vorrichtung besonders gut für Anwendungsgebiete eignet, in denen die Vorrichtung keine oder nur wenig für den Menschen wahrnehmbare Geräusche abgeben darf. Es können jedoch auch Vorrichtungen als vorteilhaft angesehen werden, die mit einer Frequenz wischen 1,5 und 3,5 kHz betrieben werden. Für Vorrichtungen, die mit derart niedrigen Frequenzen betrieben werden, können größere Membranen verwendet werden, sodass sich höhere Volumenflüsse realisieren lassen. Außerdem können Membranen, die in diesem Frequenzbereich arbeiten, besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Die Schwingfrequenz der Membran entspricht vorzugsweise der Resonanzfrequenz der Membran oder der Resonanzfrequenz des durch die Vorrichtung gebildeten Helmholz-Resonators. Die Resonanzfrequenz der Membran und/oder des Helmholtz-Resonators kann vorzugsweise in einem der oben angegebenen Frequenzbereiche liegen.
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Eine Vorrichtung wie vorangehend beschrieben kann beispielsweise in einer Flugzeugturbine eingesetzt werden. Bei Turbinen besteht das Problem, dass eine sehr große zusammenhängende Strömung entsteht, die Schall sehr weit transportieren kann. Die Vorrichtung (bzw. eine Vielzahl von in eine Turbine eingebauter erfindungsgemäßer Vorrichtungen) kann die größere durch die Turbine erzeugte Strömung in mehrere kleinere Teilströmungen zerlegen, wobei dies dazu führt, dass sich durch die Turbinen erzeugter Lärm nicht mehr so weit ausbreiten kann. Eine mit mindestens einer vorangehend beschriebenen Vorrichtung ausgestattete Turbine ist ebenfalls als vorteilhaft anzusehen.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figur erläutert. Es zeigt
- 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Strömung.
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In 1 ist eine Vorrichtung 1 dargestellt, die ein im Wesentlichen quaderförmiges Gehäuse 2 und einen vom Gehäuse umschlossenen Hohlraum 3 umfasst. In dem Hohlraum 3 sind zwei runde Membranen 4, 5 angeordnet, die jeweils mit einem Aktor 6, 7 ausgestattet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Aktoren 6, 7 als piezoelektrische Aktoren ausgebildet. Die Aktoren 6, 7 sind im vorliegenden Beispiel auf die von der jeweils anderen Membran abgewandten Seite der Membranen 4, 5 aufgebracht.
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Zwischen den Membranen 4, 5 ist ein O-Ring 8 angeordnet, der in einem Bereich 9 unterbrochen ausgebildet ist. An den Bereich 9 des O-Rings schließt sich eine in das Gehäuse 2 eingebrachte Öffnung 10 an. Diese Öffnung 10 ist konisch ausgebildet, so dass sich ihr Durchmesser vom Hohlraum 3 zu einer Außenseite 11 des Gehäuses hin verringert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 10 auf ihrer zum Hohlraum weisenden Seite größer als der unterbrochene Bereich 9 des O-Rings. In alternativen Ausführungsbeispielen kann die Öffnung 10 jedoch auf ihrer zum Hohlraum weisenden Seite auch genauso groß wie der unterbrochene Bereich 9 des O-Rings 8 ausgebildet sein.
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Auf der vom O-Ring 8 angewandten Seite der Membranen 4, 5 liegt jeweils ein weiterer O-Ring 12, 13 auf. Die weiteren O-Ringe 12, 13 sind ununterbrochen ausgebildet. Die Membranen 4, 5 sind jeweils zwischen einen der O-Ringe 12, 13 und den unterbrochen ausgebildeten O-Ring 8 geklemmt. Ein seitliches Verrutschen der Membranen 4, 5 wird dadurch verhindert, dass die Membranen seitlich am Gehäuse 2 anliegen. Alternativ kann eine Seitenkante der Membranen 4, 5 auch geringfügig von einer Wandung des Gehäuses 2 beabstandet sein, wobei der Abstand kleiner ist als eine Distanz 14 zwischen einem Auflagepunkt des O-Rings 12 auf der Membran 4 zu einer Wandung des Gehäuses 2.
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Das Gehäuse 3 weist auf seiner Oberseite 15 und Unterseite 16 jeweils Unterbrechungen 17 auf, die verhindern, dass sich in einem Zwischenraum zwischen der Membran 4 bzw. 5 und der Oberseite 15 bzw. Unterseite 16 ein Druck aufbauen kann. Ein solcher Druck entstünde ansonsten beim Schwingen der Membranen 4, 5, so dass ein im entsprechenden Zwischenraum eingeschlossenes Gas als dämpfende Feder wirken würde.
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Im Betrieb schwingen die Membranen 4, 5 in der in 1 vertikalen Richtung mit einer spezifischen, der Resonanz der Membran entsprechenden Frequenz von etwa 2,5 bis 3 kHz. Die Bewegung beider Membranen 4, 5 verläuft hierbei genau gegenläufig. Durch das Schwingen der Membranen wird der Zwischenraum zwischen beiden Membranen 4, 5 abwechselnd vergrößert und komprimiert, wodurch durch die Öffnung 10 abwechselnd das die Vorrichtung 1 umgebende Fluid eingesaugt und wieder ausgestoßen wird. Beim Ausstoßen des Fluids durch die Öffnung 10 bilden sich Wirbel.
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Es sei darauf hingewiesen, dass das dargestellte Ausführungsbeispiel in vielerlei Hinsicht modifiziert werden kann. Beispielsweise kann statt des quaderförmigen Gehäuses ein zylindrisches Gehäuse verwendet werden. Es kann jedoch auch ein quaderförmiges Gehäuse in Kombination mit rechteckigen Membranen verwendet werden. Statt der O-Ringe können andere elastische Abstandshalter verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Gehäuse 2 mehrteilig ausgebildet, beispielsweise derart, dass die Oberseite 15 oder Unterseite 16 separat vom restlichen Gehäuse ausgebildet ist. Das Gehäuse kann dann durch klemmen Zusammengehalten werden, wobei eine form- und kraftschlüssige Verbindung entsteht.
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Die Forschungsarbeiten, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, wurden von der Europäischen Union gefördert.
