DE2024147A1 - Fluid-Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz - Google Patents

Description

Dr, Horst Schüler λ}λ}^

Patentanwalt 1 3. Mai 13/0

6 Frankfurt/Main 1 Niddastr. 52

1495-39-RE-mo

GENERAL ELECTRIC COMPANY ä

1 River Road
Schenectady, N.Y./USA

Fluid-Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf fluidische Vorrichtungen und insbesondere auf einen ITuid-Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz.

Es ist in vielen Fällen sehr erwünscht, einen Proportionalverstärker zur Verfügung zu haben, der sowohl eine hohe Eingangsimpedanz als auch eine große Verstärkung hat. Diese Eigenschaften sind bei herkömmlichen Röhren- und Transistor-Schaltungen leicht erzielbar. Bei bekannten fluidischen Proportionalverstärkern waren jedoch beide Eigenschaften gleichzeitig nicht zu halten. Ea sind fluidische Proportionalverstärker mit hoher Eingangsimpedanz und kleiner Verstärkung entwickelt worden, sie mußten aber in Verbindung mit einem Verstärker hoher Verstärkung verwendet werden, um den in vielen Fällen bestehenden Anforderungen hinsichtlich der Ausgangsleistung zu genügen. Daneben sind viele andere Eigen-

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achaften erwünscht und für einige Applikationen·erforderlich. Hierzu gehören eine gute dynamische Reaktion, hohe Zuverlässigkeit, minimale Hystereseeffekte und Fluid-Grenzschichteignung (interface capabilities). Diese letzte Eigenschaft erlaubt die Verwendung unterschiedlicher Versorgungs- und Regelströmungsmittel. Weiterhin ist es häufig erwünscht, für einen Übergang zwischen den Regelmedien zu sorgen, so dass beispielsweise ein elektrisches Signal als Regelmedium für eine fluidische Vorrichtung verwendet werden kann.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen fluidischen Verstärker mit großer Verstärkung und hoher Eingangsimpedanz zu schaffen. Außerdem soll der fluidische Verstärker eine gute dynamische Reaktion, große Zuverlässigkeit und praktisch keine Hysterese aufweisen. Ferner beinhaltet die Erfindung einen fluidischen Verstärker mit Fluid-Grenzschichteignungen. Schließlich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine fluidische Vorrichtung zu schaffen, die durch ein nicht-fluidisches Regelmedium für eine Fluidregelung sorgt.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Regelung einer Fluidströmung gelöst, die durch einen Fluid-Versorgungskanal, ein' Fluid-Ausgangskanal, der den Versorgungskanal stromaufwärts von einem Ausgangsabschnitt des Versorgungskanals schneidet, Strömungsverengungen, die stromaufwärts vom Kreuzungspunkt des Ausgangskanales und des Versorgungskanales angeordnet sind, und eine Einrichtung zur proportionalen Regelungjder aus dem Ausgangsabschnitt austretenden Fluidströmung gekennzeichnet ist. Gemäß bevorzugter Ausführungsformen kann die Regeleinrichtung eine elastische Membran, die gegenüber dem Ausgangsende des Versorgungskanales angeordnet ist, und einen Fluid-Regelkanal mit einem Kammerabschnitt aufweisen, der zum Teil von der Membran begrenzt ist. Der Fluid-Regeldruck bestimmt die

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Auslenkung bzw. den Biegungsausschlag der Membran, der wiederum die Fluidströmung aus dem Ausgangsabschnitt des Versorgungskanales regelt.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen unterschiedlicher Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1 ist eine Querschnittansicht von oben auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

Figur 2 ist ein üeitenschnitt der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform entlang der Linie II-II.

Figur 3 ist eine Querschnittansicht von oben auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Figur 4 ist eine Querschnittansicht von oben auf eine Druckdifferenz-Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Figur 5 ist eine Querschnittansicht von oben auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit variabler Verstärkung. - Φ

In den Figuren 1 und 2 ist ein fluidischer Verstärker 1o gemäß der Erfindung dargestellt. Der Verstärker 1o wird von einem Fluid-Versorgungskanal 12, einem Fluid-Ausgangskanal 14, der den Versorgungskanal stromaufwärts von einem Auegangsabschnitt 12 a des Veraorgungskanales 12 schneidet, ferner von Strömungsverengungen 16, die in dem Versorgungskanal 12 stromaufwärts von dem Kreuzungspunkt der Kanäle 12,14 angeordnet sind, einer gegenüber dem Ausgangsabschnitt 12 a angeordneten Membran 18 und einem Fluid-Regelkanal 2o· gebildet, der einen Kammerabschnitt 2o a aufweist, welcher zum Teil von der elastischen Membran 18 begrenzt ist.

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Die Platten 22, 23 können aus irgendeinem Material hergestellt sein, das für die Umgebungsbedingungen erforderlich ist. Als Beispiel sind die Platten in den Figuren als aus Kunststoff hergestellt gezeigt. Die Vorrichtung kann nach irgendeinem Verfahren gefertigt werden, das zur Herstellung üblicher fluidischer Elemente bekannt ist.

Der Kammerabschnitt 2oa ist zweckmäßigerweise als Teil eines Hohlraumes 24 gebildet, den die Membran 18 in zwei Teile teilt, nämlich den Kammerabschnitt 2oa und den Ventraum 24a. Zwischen dem Ventraum 24a und der Außenumgebung der Vorrichtung ist ein Ventkanal 26 vorgesehen.

Die Enden der Membran 18 sind als in eine Platte 22 eingegossen dargestellt, aber sie können auch in irgendeiner anderen bekannten V/eise an dieser befestigt werden.

Auf Wunsch können die Strömungsverengungen 16 auf geeignete Weise als ein einheitliches Stück mit dem Versorgungskanal 12 ausgebildet werden. Die StrömungsVerengung 16 soll vermeiden, dass der Versorgungsdruck durch irgendwelche Behinderungen bzw. Einschränkungen der Strömung des^Versorgungsmittels aus dem Ausgangsabschnitt 12a beeinflusst wird. Der Ausgangsabschnitt 12a des Kanales 12 kann einen getrennten oder mit dem Kanal 12 aus einem Stück bestehenden Düsenteil 28 aufweisen.

wie Die Membran 18 kann aus irgendeinem Material,/z.B. Gummi, Kunststoff oder einem dünnen Metallblech hergestellt sein, das eine elastische bzw. federnde Bewegung des gegenüber dem Endstück 12a angeordneten Abschnittes der Membran 18 gestattet.

Während des Betriebes wird eine Versorgungsströmung zu dem Versorgungskanal 12 und eine Hegelströmung zu dem Regelkanal

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2o geleitet. Ein Teil der Versorgungsströmung fließt durch den Kanal 12, aus dem Ausgangsabschnitt 12 a heraus und wird dann durch den Kanal 26 nach außen abgeleitet. Der übrige Teil strömt durch den Ausgangskanal H. Auf den Regelströmungsdruck hin wird die Lage der elastischen Membran 18 bezüglich des Ausgangsabschnittes 12a verändert, so dass die Strömung des Versorgungs-Strömungsmittels aus dem Abschnitt 12a und die Strömung des Versorgungs-Strömungsmittels durch den Ausgangskanal 14 hindurch geregelt wird. In dieser Weise rufen Druckänderungen der Regelströmung entsprechend proportionale Druckänderungen in dem durch den Ausgangskanal 14 strömenden Medium hervor.

Infolge der Konfiguration der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine hohe lineare Verstärkung erzielt. Die wichtigen Parameter dieser Verstärkungscharakteristik sind die Dichten der Regel- und Versorgungsströmungsmittel, die Ausgangsfläche des Ausgangsabschnittes 12a (Düsenfläche), die mit der Regelströmung in Berührung stehende Fläche der Membran 18 (Regelbereich bzw. Regelfläehe), die Elastizität der Membran 18, die zu analytischen Zwecken als Federkonstante betrachtet werden kann, und der Abstand χ zwischen dem Endabschnitt 12a und der Membran 18. Grundsätzlich besteht über der Membran ein Kraftgleichgewicht. Wenn die Kraft auf die Membran aufgrund des Druckes der Regelströmung größer ist als die Kraft, die von der aus dem Ausgangsabschnitt 12a herausströmenden Versorgungsströmung und die Membranfederkraft ausgeübt wird, so verschiebt aich die Membran in der Weise, dass die Strömung des Versorgungsmittels, aus dem Ausgangsabsohnitt 12 a eingeschränkt wird. Der wesentlichste, den Verstärkungsgrad beeinflussende Parameter ist das Verhältnis der Regelfläche zu der Düsenfläche des Auagangsabschnittes. Wenn dieses Verhältnis ansteigt, vergrößert sich auch die Verstärkung. Andere weeentliche Parameter sind die Federkonstante der Membran und der Abstand χ. Sanz allgemein gilt, dass die Verstärkung umso kleiner iot, Je größer dieae Parameter Bind.

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Der anfängliche Abstand bzw. Zwischenraum zwischen dem Auagangsabachnitt und der Membran ist ein weiterer wichtiger Verstärkerfaktor, da er den Wert des Fluid-Ausgangsdruckea bestimmt, wenn kein Regeldruck vorliegt.

Die gleiche oder ähnliche Bauform, die in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, kann auch als andere Ausführungsform eines fluidiachen Verstärkers verwendet werden. In dieser zweiten Ausführungsform wird der Kanal H als-Ventkanal und der Kanal 26 als der Ausgangekanal betrachtet.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist genau die gleiche, außer dass der Auagangsdruok umgekehrt proportional zum Regeldruck ist. Wenn beispielsweise der Regeldruck ansteigt, versucht die Membran, die Versorgungsströmung durch den Kanal 26 hindurch zu beschränken.

Einer der besonderen Vorteile der Ausführungsbeispiele, die anhand der Figuren 1 und 2 erörtert wurden, ist die Fähig- keit, Grenzschichten zu bilden (interface capability). Dadurch wird die Verwendung unterschiedlicher Versorgunga- und Regelströmungsmittel gestattet. Beiapielsweiae könnte das Versorgungaatrömungsmittel eine Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, und das Steueratrömungamittel ein Gas, wie beispielsweise Luft, sein. Dadurch wird die Verwendung jedea leicht verfügbaren Steueratrömungamittela gestattet und weiterhin kann ein einziges Steuerströmungsmittel zur Regelung eines Veraorgungatrömungamittels durch zahlreiche fluidiache Vorrichtungen verwendet werden, falls dies erwünscht ist.

Die oben erwähnten Ausführungafo.rmen, die eine fluidische Regelvorrichtung verwenden, sind besonders bedeutsam, da sie einen fluidiachen Verstärker mit einer unbegrenzten Eingangsimpedanz zeigen, die für. eine hohe Proportional-

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verstärkung sorgen kann.

Die Verwendung einer Membran, deren Bewegung duroh den Druck eines Regelströmungsmittels gesteuert wird, ist ein Mittel von vielen zur Erzeugung einer hohen Impedanz, die zur proportionalen Regelung der Strömung eines Versorgungsströmungsmittels aus dem Ausgangsabschnitt des Versorgungskanales verwendet werden können. Ein weiteres Mittel dieser Art ist eine elektrische Regelung, wie sie in Figur 3 dargestellt ist. In dieser Ausführungsform ist der Aufbau der Membran, der Versorgung, des Ausganges und des Ventkanals die gleiche wie die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Es ist ein Magnet-Regelsystem 3o vorgesehen. Ea umfasst einen Magnetkern 32, zahlreiche Spulen 34 auf dem Kernteil 32, ein Paar mit den Spulen 34 verbundene elektrische Leiter 36, ein eisenhaltiges, metallisches Betätigungsglied 38, ' das gegenüber einem Ende des Kernes 32 angeordnet ist, und eine nicht-eisenhaltige Welle 4o, die innerhalb des Kernes 32 frei zu gleiten vermag'. Die Welle 4ο ist an einem Ende · mit dem Betätigungsglied 38 und an dem anderen Ende mit der Membran 18 verbunden. In Figur 3 ist die Welle 4o in Form einer Kunststoffwelle dargestellt, sie kann aber auch aus irgendeinem anderen nicht-eisenhaltigen Material wie z.B. Messing oder Aluminium hergestellt sein.

Die Wirkungsweise des elektrischen Regelsystems 3o ist recht einfach. Ein Regelstrom fließt durch die Leiter 36 und bewirkt, dass das Betätigungsglied 38 in Richtung auf den Kern 3ü angezogen wird. Die Bewegung des Betätigungsgliedes 38 wiederum bewirkt eine Bewegung der Welle 4o und somit eine Bewegung der Membran 18 in Richtung auf den Ausgangsabschnitt 12a. Jie Veratärkungswirkung auf die Strömung des Versorgungsatröinungsmit tela ist die gleiche wie sie bereits anhand der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Auaführungsformen beschrieben wurde. Es aei jedtjch darauf hingewiesen, daan der oben beschriebene Aufbau

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nur ein Beispiel für ein elektrisches Regelmedium angibt, das in Verbindung mit dem Erfindungsgegenstand verwendbar ist.

Die Verwendung einer elektrischen Regelung für die Erfindung zeigt einen Weg zur Herbeiführung einea Überganges zwischen einem elektrischen Regelmedium und einem fluidischen Regelmedium. Beispielsweise könnte im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 das Versorgungsatrömungsmittel ein Regelströmungsmittel für andere fluidische Elemente sein.

In Figur 4 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die für eine proportionale Verstärkung eines Druckdifferenzsignales sorgt. Diese Ausführungsform umfasst hauptsächlich zwei der in den Figuren 1 und 2 gezeigte Verstärker, die "Rücken gegen Rücken" mit einem gemeinsamen Eingang 42 für die Versorgungskanäle 12,12' angeordnet sind. Gleiche Elemente der zwei Verstärkerteile haben gleiche Bezugszahlen erhalten und sind voneinander durch den Zusatz eines Striches zur Bezugszahl unterschieden. P ₁ und P ρ stellen die Drucke des Regelströmungsmittels in den Regelkanälen 2o bzw. 2o' und P- und P ₂ stellen die Drucke des Ausgangsatrömungamittels in den Ausgangskanälen 1'f bzw. 14' dar.

Wenn jeder Verstärkerteil dieser Ausführungsform in der gleichen Weise wie die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Au3fUhrungaform arbeitet, ist das Druckdifferenzausgangseignal P₀₂ - P_Qi durch das Druckdifferenzregelsignal P ~ P_n1 proportional geregelt.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in der der Aufbau der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführung«form dahingehend abgewandelt ist, dasa Mittel zur Veränderung des Veratärkungsfaktora des Verstärkers

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vorgesehen sind. Die Verstärkung wird durch eine Regelung des Zuges bzw. der Zugspannung und somit der Federkonstante K der elastischen Membran 18 verändert.

Ein Ende der Membran 18 steht starr mit der Platte 22 in Verbindung und das andere Ende ist an einem Gleitteil angebracht, das in einer Nut 46 in der Platte 22 angeordnet ist. Eine mit einem Gewinde versehene Welle 48 ragt durch einen entsprechend mit einem Gewinde versehenen Abschnitt 5o der Platte 22 hindurch und steht mit dem Teil 44 in Verbindung. Diese beschriebene Verbindung erlaubt eine freie Drehung der Welle 48 in dem Teil 44, ' * sie drückt aber in der Weise auf den Teil 44». dass dieser sich mit einer axialen Bewegung des Endes der Welle 48 in axialer Richtung verschiebt. Am anderen Ende der Welle 48 ist ein gerändelter Teil 42 fest angebracht, so dass ein Benutzer die Welle leicht drehen kann, um die Lage des Teiles 44 zu verändern und um folglich die Zugdehnung der Membran 18 zu verändern, die an dem Teil 44 angebracht ist. Allgemein gilt, dass der Verstärkungsgrad umso kleiner ist, je höher die Dehnung der Membran ist. Ferner ist das Düsenelement 28 in der Weise dargestellt, dass es in den Versorgungskanal 12 eingeschraubt werden kanH,' um Veränderungen des anfänglichen Abstandes M zwischen dem Ausgangsabschnitt 12 a und der Membran 18 zu erlauben.

Es können aber auch andere Mittel zur Veränderung des Verstärkungsgrades verwendet werden. Beispielsweise kann das Verhältnis zwischen der Regelfläche und der Düsenfläche verändert werden, indem eine oder beide Flächen verändert werden. Je größer das Verhältnis der Regelfläche zur Düaenflache ist, desto größer wird der Verstärkungsgrad sein.

Es sind aber im Rahmen der Erfindung auch noch weitere Aus-

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führungaformen möglich. Beiapieläweise könnte jede der Ausführungaformeη in der Weiae abgewandelt werden, dass die Membran gegenüber und an dem Ausgangsabschnitt 12a anstoßend angeordnet ist. Wenn beispielsweise bei dieser Modifikation kein Regeldruck vorhanden ist, würde der Ausgangadruck aein Maximum, d.h. den Versorgungsdruck, aufweisen, wenn der Kanal H als Ausgangskanal verwendet wird. Eine Verkleinerung des Regeldruckes würde zu einem proportionalen Abfall des Ausgangsdruckes führen. Selbstverständlich könnte eine elektrische Regelung auf geeignete Weise angepasst werden, um auf ähnliche Weise zu arbeiten. Ferner könnte anstelle der Membran ein durch Federkraft vorgespannter Kolben oder jede andere analoge Vorrichtung Verwendung finden.

Somit liefert die Erfindung eine Regelvorrichtung für eine Fluidströmung, die eine hohe Eingangsimpedanz, eine große lineare Verstärkung, praktisch vernachlässigbare Hystereseverluste, einen geringen Energieverbrauch, einen geringen Strömungsverbrauch, eine gute dynamische Reaktion und hohe Zuverlässigkeit aufweist, da sie nur wenige bewegte Teile enthält. In einigen Ausführungaformen kann für einen variablen Verstärkungsgrad proportional zur Verstärkung, Fluid-Grenzflächenfähigkelten (interface capabilities) und einen Übergang zwischen den Regelmedien gesorgt werden.

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Claims (11)

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   Patentansprüohe

   ( 1.jVorrichtung zur Regelung einer Fluidströmung, . gekennzeichnet durch einen Fluid-Versorgungskanal (12), einen Fluid-Ausgangskanal (14), der den Versorgungskanal (12) stromaufwarta von einem Ausgangsabschnitt (12a) des Versorgungakanales (^\2) schneidet, Strömungsverengungen (16), die stromaufwärts vom Kreuzungspunkt des Ausgangskanales (14) mit dem Versorgungskanal {12) angeordnet sind, und eine Einrichtung ä (18) zur proportionalen Regelung der aus dem Ausgangsabschnitt (12a) austretenden Fluidströmung.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, dass die Einrichtung (18) zur Regelung der Fluidströmung eine fluidische Regelvorrichtung ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Veränderung des Verstärkungsgrades der Vorrichtung vorgesehen sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- · ^ k e η η ζ e i c h η e t , dass die Einrichtung zur proportionalen Regelung der Fluidströmung eine elastische Membran (18), von der ein Teil gegenüber dem Ausgangsabachnitt (12a) des Versorgungskanalea angeordnet iat, und eine Vorrichtung zur Veränderung der Lage dieses Teiles der ^wembran (18) aufweist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass die Vorrichtung zur Veränderung der Lage einen Fluid-Regelkanal (2o) mit einem Kammorabscihnitt (2oaj enthält, der zum Teil.von der Membran (18) begrenzt ist.

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6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Veränderung der Lage eine elektrisch betätigte Magnetspule (3o) enthält.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der Membran (1(0 zunächst in einem vorbestimmten Abstand von dem Ausgangsabschnitt (12aJ des Versorgungskanals (12) angeordnet ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g β ken nzeichnet, dass Mittel (44-52) zur Veränderung der Zugdehnung der Membran (18) vorgesehen sind.
9. y. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangeabschnitt (12a) des Vereorgungskanalee (12) einen Düsenteil (28) aufweist.
10. ο.Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9t dadurch gekennzeichnet, dass zwei einander entsprechende Regelvorrichtungen Uo) verwendet sind, die einen gemeinsamen Fluid-Eingangskanal (42) aufweisen, der mit beiden Pluid-Versorgungskanälen (12,12·) verbunden ist.
11. 11.Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 1o, dadurch gekennzeichnet, daaa der den Versorgungskanal (12) schneidende Kanal (14) als Vent für das Strömungemittel und ein Kanal (26), der mit Abstand zu dem Ausgangsabschnitt (12a) in dem Kammerabschnitt (24a) angeordnet ist, als Ausgangskanal verwendet ist.

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