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Die Erfindung betrifft eine Vakuumerzeugervorrichtung,
mit einer Ejektoreinheit, die eine Strahldüse, eine der Strahldüse nachgeordnete
Fangdüse sowie
eine im Übergangsbereich
zwischen der Strahldüse
und der Fangdüse
definierte Absaugzone aufweist, und mit einer sich an die Austrittsöffnung der
Fangdüse
anschließenden
Kammer, von der ein Abströmkanal
zur Umgebung abgeht und die an der der Austrittsöffnung der Fangdüse axial
gegenüberliegenden
Seite von einem im Sinne einer wahlweisen Annäherung oder Entfernung relativ
zu der Austrittsöffnung
verstellbaren und positionierbaren Stellglied begrenzt ist.
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Bei einer aus der
DE 100 27 873 C1 bekannten
Vakuumerzeugervorrichtung dieser Art ist im Anschluß an die
Fangdüse
eine Auffangkammer angeordnet, die das aus der Fangdüse austretende
Fluid auffängt
und aus der das Fluid über
einen seitlich abgehenden Abströmkanal
zur atmosphärischen
Umgebung abströmen
kann. Der Austrittsöffnung
der Fangdüse
axial gegenüberliegend
ist ein Stellglied angeordnet, das als Rückstaumittel fungiert und in beliebigem
Abstand zur Austrittsöffnung
der Fangdüse
positionierbar ist, um einen mehr oder weniger großen Rückstau des
durch die Fangdüse
hindurchströmenden
Fluides zu verursachen. Dadurch kann der in der Absaugzone abgreifbare
Arbeitsdruck variiert werden. Allerdings reagiert das System sehr empfindlich,
was einer feinfühligen
Einstellung des Arbeitsdruckes abträglich ist.
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Bei einer aus der
DE 43 02 951 C1 bekannten
Vakuumerzeugervorrichtung ist der Abströmkanal gegenüberliegend
der Austrittsöffnung
der Fangdüse
angeordnet und die dazwischen liegende Kammer dient lediglich zur
Führung
eines quer beweglichen Kolbens, der wahlweise zwischen einer den
Abströmkanal
freigebenden Offenstellung und einer den Abströmkanal voständig verschließenden Schließstellung
positionierbar ist. Um in der Absaugzone einen Unterdruck zu erhalten,
nimmt der Kolben die Offenstellung ein und ermöglicht ein ungehindertes Abströmen des
aus der Fangdüse
austretenden Fluides. Bei in der Schließstellung positioniertem Kolben wird
das die Fangdüse
durchströmende
Fluid zur Absaugzone umgelenkt, wo es den Unterdruck abbaut.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Vakuumerzeugervorrichtung zu schaffen, die mit einfachen
Mitteln eine feinfühlige,
variable Beeinflussung des in der Absaugzone herrschenden Druckes
gestattet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei
der Vakuumerzeugervorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen,
dass der Abströmkanal
durch das Stellglied hindurch verläuft, wobei seine der Kammer zugewandte
innere Kanalmündung
der Austrittsöffnung
der Fangdüse
axial gegenüberliegt
und wobei der Querschnitt des Abströmkanals mindestens dem Querschnitt
der Austrittsöffnung
der Fangdüse
entspricht, so dass die Kammer als Wirbelkammer mit einer den zentralen
Durchströmungsbereich
umgebenden ringförmigen
Wirbelzone fungiert.
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Auf diese Weise werden fluiddynamische
Effekte genutzt, um den im Anschluß an die Fangdüse herrschenden
Druck und somit den in der Absaugzone abgreifbaren Arbeitsdruck
zu variieren. Das aus der Fangdüse
austretende Druckmedium durchströmt
die sich anschließende
Wirbelkammer in einem zentralen Durchströmungsbereich hin zum Abströmkanal des
Stellgliedes und kann durch diesen ohne Erzeugung eines relevanten
Strömungsrückstaus
zur Umgebung austreten, weil sein Querschnitt größer oder gleich dem Querschnitt
der Austrittsöffnung
der Fangdüse
ist. Beim Hindurchströmen
durch die Wirbelkammer entstehen in einer den zentralen Durchströmungsbereich
umgebenden ringförmigen Wirbelzone
Verwirbelungen des Druckmediums, die einen dissipativen Einfluß auf die
Fluidströmung
haben. Die für
den Aufbau und Erhalt der Wirbel erforderliche Energie wird dem
Druckmedium entzogen, dessen Strömungsgeschwindigkeit
mithin verringert wird, so dass eine Erhöhung des statischen Druckes in
der Wirbelkammer auftritt. Die daraus resultierende geringere Druckdifferenz
zum Eingangsdruck der Strahldüse
bewirkt eine Verringerung des in der Absaugzone abgreifbaren Arbeitsdruckes.
Durch Verstellen des Stellgliedes kann die Länge der Wirbelkammer und damit
der Einfluß der
Wirbelviskosität stufenlos
und sehr feinfühlig
variiert werden. Somit läßt sich
der Arbeitsdruck mit einfachen Mitteln feinfühlig und präzise vorgeben.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Zweckmäßigerweise kann das Stellglied
in einer Neutralstellung positioniert werden, in der sich die innere
Kanalmündung
des Abströmkanals
unmittelbar an die Austrittsöffnung
der Fangdüse
anschließt.
In dieser Position kann das Druckmedium völlig unbeeinflußt von eventuellen
Wirbeln austreten, da die Länge
der Wirbelkammer gleich Null ist. In der Absaugzone läßt sich
dann ein maximaler Arbeitsdruck abgreifen. Mit zunehmendem Abstand des
Stellgliedes von der Austrittsöffnung
der Fangdüse
nimmt der dissipative Einfluß der
entstehenden Wirbel zu und verringert sich folglich allmählich der abgreifbare
Arbeitsdruck.
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Es ist besonders zweckmäßig, wenn
der Abströmkanal
das Stellglied mit linearem Verlauf axial durchsetzt. Besonders
vorteilhaft ist die Ausgestaltung des Stellgliedes als Lochblen de
mit einem sehr kurzen Abströmkanal.
Auf diese Weise wird der Druckabfall beim Hindurchströmen des
Druckmediums durch den Abströmkanal
auf ein Minimum reduziert.
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Die Vakuumerzeugervorrichtung eignet
sich sehr gut für
einen modularen Aufbau. So können
die Ejektoreinheit, eine die Wirbelkammer definierende Wirbelkammereinheit,
eine für
das Verstellen und Positionieren des Stellgliedes vorgesehene Antriebseinheit
und das Stellglied selbst eigene Module bilden, die sich, wenn unterschiedliche
Ausgestaltungen zur Verfügung
gestellt werden, sehr variabel zusammenbauen lassen, um die jeweils
gewünschte
Betriebskennlinie zu generieren. Als Antriebseinheit für das Stellglied
kann beispielsweise ein handelsüblicher elektrischer
Stellantrieb eingesetzt werden.
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Mit Hilfe einer austauschbaren Wirkelkammereinheit
kann die Größe der erzeugbaren
Wirbel und damit deren Einfluß auf
den erzeugten Gegendruck verändert
werden.
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Durch Steuerungs- und oder Regelungsmittel
kann eine gesteuerte oder geregelte Vorgabe des in der Absaugzone
herrschenden Arbeitsdruck erfolgen. Beispielsweise kann durch eine
entsprechende Regelung erreicht werden, dass ein beliebiger gewünschter
Arbeitsdruck unabhängig
von dem am Einsatzort herrschenden und möglicherweise schwankenden Luftdruck
stets konstant bleibt. Außerdem
kann in Fällen,
bei denen die Vakuumerzeugervorrichtung zum Ansaugen von Gegenständen einge setzt
wird, eine beim Ansaugen poröser
Bauteile auftretende Leckage kompensiert oder zumindest minimiert
werden.
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Wenn Absperrmittel vorhanden sind,
mit denen der Abströmkanal
bei Bedarf komplett verschlossen werden kann, besteht die Möglichkeit,
einen schlagartigen Überdruckimpuls
in der Absaugzone hervorzurufen, der ein Abwerfen eines zuvor angesaugten
Bauteiles hervorruft.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der beiliegenden Zeichnung näher
erläutert.
Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine bevorzugte
Bauform der erfindungsgemäßen Vakuumerzeugervorrichtung
im Längsschnitt.
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Die beispielhafte Vakummerzeugervorrichtung 1 enthält eine
Ejektoreinheit 2, mit der ein Unterdruck erzeugt werden
kann. Die Ejektoreinheit 2 enthält ein Gehäuse 4, das eine Strahldüse 5 und
eine dieser nachgeordnete Fangdüse 6 bildet.
Die beiden Düsen
können
allerdings auch als eigenständige Komponenten
oder als zu einer Düsen-Baueinheit zusammengefaßte Komponente
in dem entsprechend ausgebildeten Gehäuse 4 plaziert sein.
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Die Strahldüse 5 ist von einem
Strahldüsenkanal 7 durchsetzt.
Durch die Fangdüse 6 hindurch
erstreckt sich ein Fangdüsenkanal 8 mit
bevorzugt koaxialer Ausrichtung bezüglich dem Strahldüsenkanal 7.
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Im Betrieb der Vakuumerzeugervorrichtung 1 wird
durch die Eintrittsöffnung 12 des
Strahldüsenkanals 7 hindurch
ein unter einem Eingangsdruck stehendes Fluid eingespeist. Bei dem
Fluid handelt es sich vorzugsweise um ein gasförmiges Fluid und insbesondere
um Druckluft. Zur Vereinfachung sei nachfolgend nurmehr von Druckluft
die Rede.
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Die eingespeiste Druckluft strömt durch
den Strahldüsenkanal 7 hindurch,
um anschließend über eine
Eintrittsöffnung 15 in
den Fangdüsenkanal 8 einzutreten.
Die Druckluft durchströmt
den Fangdüsenkanal 8 in
axialer Richtung und tritt an der der Strahldüse 5 entgegengesetzten
Seite über
eine Austrittsöffnung 16 aus.
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Beim Ausführungsbeispiel hat der Fangdüsenkanal 8 durchweg
einen konstanten Querschnitt. Allerdings kann sich der Querschnitt
zur Austrittsöffnung 16 hin
auch erweitern.
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Die vereinfacht nur als Querschnitt
bezeichnete Querschnittsfläche
der Austrittsöffnung 16 ist
in der Zeichnung mit AF kenntlich gemacht.
Der Querschnitt ist vorzugsweise kreisförmig.
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Die Eintrittsöffnung 15 des Fangdüsenkanals 8 ist
in der durch einen Pfeil markierten Strömungsrichtung 13 der
durch die beiden Düsen
hindurchströmenden
Druckluft mit Abstand zur Austrittsöffnung 11 des Strahldüsenkanals 7 angeordnet.
Da durch ergibt sich im Übergangsbereich
zwischen der Strahldüse 5 und
der Fangdüse 6 eine
als Absaugzone 21 bezeichnete Zone, die mit einem aus dem
Gehäuse 4 herausgeführten Absaugkanal 22 in
Verbindung steht.
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An die Austrittsöffnung 16 schließt sich
eine Kammer an, die aufgrund ihrer Funktionalität als Wirbelkammer 20 bezeichnet
sei. Sie ist Bestandteil einer an die Ejektoreinheit 2 angesetzten
Wirbelkammereinheit 23. Umfangsseitig ist die Wirbelkammereinheit 23 verschlossen.
Mit Ausnahme des Fangdüsenkanals 8 kommuniziert
mir ihr lediglich noch ein Abströmkanal 24,
der ein Stellglied 25 durchsetzt, das die Wirbelkammer 20 an
der der Fangdüse 6 axial
entgegengesetzten Seite begrenzt.
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Die Wirbelkammereinheit 23 verfügt über ein Gehäuse 26 mit
einem linear durchgehenden Aufnahmeraum 27, dessen Querschnitt
größer ist
als der Querschnitt AF der Austrittsöffnung 16 der
Fangdüse 6.
Der Aufnahmeraum 27 ist koaxial zum Fangdüsenkanal 8 angeordnet.
Das Stellglied 25 ist im Innern des Aufnahmeraumes 27 aufgenommen,
wobei der Aufnahmeraum 27 von dem Stellglied 25 in
einen die Wirbelkammer bildenden inneren Abschnitt 28 und
einen mit seinem gesamten Querschnitt zur umgebenden Atmosphäre hin offenen äußeren Abschnitt 29 unterteilt
wird.
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Der Abströmkanal 24 ist so angeordnet,
dass seine der Wirbelkammer 20 zugewandte innere Kanalmündung 32 der
Austrittsöff nung 16 der
Fangdüse 6 koaxial
und mithin in der Strömungsrichtung 13 gegenüberliegt.
Bevorzugt hat der Abströmkanal 24 durchgängig einen
linearen Verlauf.
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Aus der Fangdüse 6 in die Wirbelkammer 20 eintretende
Druck-Luft strömt zum größten Teil
in einem zentralen Durchströmungsbereich 33 hin
zum Stellglied 25 und tritt durch den Abströmkanal 24 hindurch
zur Umgebung aus. Im Bereich des Stellgliedes 25 tritt
dabei kein oder ein nur geringer Strömungsrückstau auf, weil die als Querschnitt
AA bezeichnete Querschnittsfläche des
Abströmkanals 24 durchweg
nicht geringer ist als der Querschnitt AF der Austrittsöffnung 16 der
Fangdüse 6.
Der Querschnitt AA des Abstömkanals 24 ist
minimal gleich, vorzugsweise allerdings geringfügig größer als der Querschnitt AF der Austrittsöffnung 16.
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Als weitere Maßnahme zur Vermeidung eines
unerwünschten
Strömungsrückstaus
verfügt
der Abströmkanal
24 beim Ausführungsbeispiel über eine
relativ kurze Baulänge.
Dies läßt sich
am einfachsten dadurch realisieren, dass das Stellglied 25 wie
abgebildet als Lochblende ausgeführt
ist. Der Druckabfall der Druckluft beim Hindurchströmen durch
das Stellglied 25 ist somit nur gering.
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Der Querschnitt der Wirbelkammer 20 ist
sowohl größer als
der Querschnitt AA des Abströmkanals 24 als
auch der Querschnitt AF der Austrittsöffnung 16.
Dadurch verbleibt radial außer halb
des sich zwischen der Austrittsöffnung 16 und
der inneren Kanalwandung 32 erstreckenden Durchströmungsbereiches 33 ein
ringförmiger
Bereich, der eine ringförmige
Wirbelzone 34 definiert. In ihr bilden sich beim Hindurchströmen der
Druckluft durch die Wirbelkammer 20 gestrichelt angedeutete
Wirbel 36 aus, die aus der Energie der Druckluft genährt werden.
Je größer die
Wirbel 36 sind, desto mehr Energie wird der Druckluftströmung entzogen
und desto größer wird,
aufgrund der damit zusammenhängenden
Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit,
der in der Wirbelkammer 20 herrschende statische Druck.
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Das Stellglied 25 ist relativ
zur Fangdüse 6 im
Sinne einer wahlweisen Annäherung
oder Entfernung verstellbar und in gewünschten Stellungen positionierbar.
Die mögliche
Verstellbewegung 35 ist durch einen Doppelpfeil angedeutet.
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Aufgrund dieser Verstellbarkeit läßt sich
das Stellglied 25 insbesondere stufenlos in unterschiedlichen
Abständen
zur Austrittsöffnung 16 positionieren,
was gleich bedeutend ist mit einer variablen Einstellung der Länge der
Wirbelkammer 20 und folglich der Größe der darin entstehenden Wirbel 36.
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Im Betrieb der Vakuumerzeugervorrichtung 1 ruft
das durch die Strahldüse 5 und
die sich anschließende
Fangdüse 6 hindurchströmende Fluid
in der Absaugzone 21 eine Absaugwirkung hervor, so dass dort
ein von der Auslegung der Ejektoreinheit 2 abhängiges Vakuum
erzeugt werden kann. Dieses Vakuum kann am Absaugkanal 22 abgegriffen
werden. Dies geschieht beispielsweise durch einen schematisch angedeuteten
Sauggreifer 31 unter Zwischenschaltung einer mit dem Absaugkanal 22 verbundenen
Absaugleitung 30.
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Der Sauggreifer 31 enthält beispielsweise
einen oder mehrere Saugnäpfe
oder Saugplatten mit mindestens einer Saugöffnung 37, wobei er
mit dieser Saugöffnung 37 voraus
an einen handzuhabenden und beispielsweise anzuhebenden oder festzuspannenden
Gegenstand angesetzt werden kann. Durch die Absaugwirkung der Ejektoreinheit 2 bildet sich
auch im Sauggreifer 31 ein Unterdruck aus, der dazu führt, dass
der betreffende Gegenstand anhaftet.
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Entsprechend der momentan eingestellten Länge der
Wirbelkammer 20 können
variabel unterschiedliche Wirbelkammerdrücke eingestellt werden. Die
Höhe des
Wirbelkammerdruckes wirkt sich auf die Fluidströmung im Fangdüsenkanal 8 aus,
da mit zunehmendem Wirbelkammerdruck ein größer werdender Rückstau der
Druckluftströmung
im Fangdüsenkanal 8 hervorgerufen
wird. Dadurch reduziert sich der Durchsatz durch den Fangdüsenkanal 8 und folglich
auch der in der Absaugzone 21 und somit im Sauggreifer 31 momentan
herrschende Arbeitsdruck.
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Bei Bedarf kann das Stellglied 25 in
einer strichpunktiert angedeuteten Neutralstellung 38 positioniert
werden, in der sich die inneren Kanalwandung 32 des Abströmkanals 24 unmit telbar
an die Austrittsöffnung 16 der
Fangdüse 6 anschließt. Die Neutralstellung
kann beispielsweise durch ein unmittelbares Anliegen des Stellgliedes 25 an
der Fangdüse 6 oder
dem Gehäuse 4 vorgegeben
werden. In dieser Neutralstellung liegt keine Wirbelkammer mehr
vor, so dass die Druckluft ungehindert ausströmen kann. In der Absaugzone 21 stellt
sich dann ein Arbeitsdruck ein, der dem maximal erzielbaren Unterdruck
entspricht.
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Der gewünschte Arbeitsdruck variiert
in Abhängigkeit
von den handzuhabenden Gegenständen. Während der
maximale Unterdruck für
das Anheben starrerer Gegenstände
bevorzugt wird, wird zum Ansaugen empfindlicher und auch flexibler
Gegenstände,
beispielsweise Leiterplatten, ein geringerer Unterdruck gewünscht. Dieser
läßt sich
dann durch entsprechende Positionierung des Stellgliedes 25 einstellen.
In diesem Zusammenhang ist in durchgezogenen Linien der beim Ausführungsbeispiel
maximal realisierbare Abstand des Stellgliedes 25 zur Austrittsöffnung 16 der
Fangdüse 6 abgebildet,
bei dem der Energieverlust der Druckluftströmung im Innern der Wirbelkammer 20 am
größten ist,
so dass der in der Absaugzone 21 abgreifbare Unterdruck
ein Minimum aufweist.
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Exemplarisch ist bei 42 strichpunktiert
eine Zwischenstellung des Stellgliedes 25 zwischen der eben
erwähnten
Stellung und der zuvor diskutierten Neutralstellung 38 gezeigt,
mit der sich ein Zwischenwert des Unterdruckes hervorrufen läßt.
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Das Stellglied 25 ist beim
Ausführungsbeispiel
zusätzlich
mit Absperrmitteln 43 ausgestattet, mit denen sich der
Abströmkanal 24 bei
Bedarf vollständig
verschließen
läßt. Diese
Schließstellung kann
dann gewählt
werden, wenn ein am Sauggreif er 31 anhaftender Gegenstand
abgelöst
werden soll. Durch das Verschließen des Abströmkanals 24 baut sich
im Innern der Ejektoreinheit 2 rasch ein hoher Überdruck
auf, der auch in der Absaugzone 21 wirksam ist. Die Absperrmittel
können
beispielsweise nach Art einer Irisblende ausgebildet sein.
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Die Absperrmittel 43 können ferner
so ausgebildet sein, dass der Querschnitt des Abströmkanals 24 variabel
ist. Auf diese Weise kann der Querschnitt AA des
Abströmkanals 24 individuell
so angepaßt
werden, dass bei minimalem Strömungsrückstau eine
maximale Wirbelbildung auftritt.
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Zum Verstellen und Positionieren
des Stellgliedes 25 ist die Vakuumerzeugervorrichtung 1 mit einer
mit dem Stellglied 25 antriebsmäßig gekoppelten, elektrisch
betätigbaren
Antriebseinheit 44 ausgestattet. Die Antriebseinheit 44 enthält beispielsweise
einen elektrischen Stellmotor 45 mit einer Stellspindel 46,
die mit dem Stellglied 25 in Antriebsverbindung steht.
Andere Bauarten der Antriebseinheit 44 sind ebenfalls möglich.
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Die Antriebseinheit 44 dient
gleichzeitig dem Antrieb der Absperrmittel 43. Allerdings
ist auch eine gesonderte Antriebseinrichtung möglich.
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Bevorzugt ist die Vakuumerzeugervorrichtung 1 mit
Steuerungs- und/oder
Regelungsmitteln 47 ausgestattet, die eine Betätigung und
Positionierung des Stellgliedes 25 in Abhängigkeit
von dem in der Absaugzone 21 herrschenden Arbeitsdruck
ermöglichen.
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Die Steuerungs- und/oder Regelungsmittel 47 verfügen beim
Ausführungsbeispiel über einen Drucksensor 48,
durch den der in der Absaugzone 21 herrschende Arbeitsdruck
erfaßt
wird und der elektrische Drucksignale als Ist-Werte einer elektronischen Steuereinheit 52 zuleitet.
Die Steuereinheit 52 gibt dann, nach Vergleich der Ist-Werte
mit einem vorgegebenen Sollwert, geeignete elektrische Ansteuersignale
an die Antriebseinheit 44 aus. Der Sollwert kann zweckmäßigerweise
variabel vorgegeben werden, was durch den Pfeil 53 verdeutlicht
werden soll.
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Die Vakuumerzeugervorrichtung 1 des
Ausführungsbeispiels
zeichnet sich durch einen modularen Aufbau aus. Dies ermöglicht es,
durch Verwendung unterschiedlicher Module sehr variabel beliebige
Regelkennlinien zu generieren.
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Beim Ausführungsbeispiel bilden die Ejektoreinheit 2,
die Wirbelkammereinheit 23, die Antriebseinheit 44 und
das Stellglied 25 jeweils ein austauschbares Modul. Indem
weitere Module des entsprechenden Typs bereitgestellt werden, die über abweichende
konstruktive Parameter, jedoch über
gleiche Schnittstellen verfügen,
kann die Vakuumerzeugervorrichtung 1 nach Art eines Baukastens
wunschgemäß individuell
zusammengestellt werden.