DE2348308B2 - Elektrofluidischer Wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrofluidisehen Wandler mit einem bistabilen Fluidelement, das einen in eine Wechselwirkungskammer mündenden Leistungseingang, zwei stromabwärts unter einem spitzen Winkel aus der Wechselwirkungskammer führende Ausgangskanäle sowie zwei Steuerkanäle ^h^ aufweist, in denen der Steuerdruck mit Hilfe eines mit den elektrischen Eingangssignalen beaufschlagten Magnetsystems zur Umlenkung des Fluids aus dem einen in den jeweils anderen Ausgangskanal beeinflußbar ist, wobei das bistabile Fluidelement als Fluidoszillator ausgebildet ist, bei dem von jedem Ausgangskanal eine Rückkopplungsleitung zu dem entsprechenden Steuerkanal abzweigt und die beiden Rückkopplungsleitungen durch ein von dem Magnetsystem betätigtes Ventil jeweils absperrbar bzw. freizugeben sind.

Derartige elektrofluidische Wandler werden beispielsweise in Regel- oder Steuerschaltungen verwendet, bei denen die Eingangsgröße ein elektrisches Signal, hingegen die Stellgröße ein Fluidsignal ist. So ist aus der DT-OS 18 17 651 ein elektrofluidischer Wandler der beschriebenen Art bekannt, der in Haushaltsgeräten, z. B. in Wasch- oder Geschirrspülmaschinen als Wasserweiche verwendet werden kann. Die Steuerkanäle des bistabilen, als Wandstrahlelement ausgebildeten Fluidelementes werden wechselseitig durch eine elektromagnetisch verstellbare Zunge verschlossen. In dem gerade verschlossenen Steuerkanal ist der Druck durch die Saugwirkung des durch das bistabile Wandstrahlelement strömenden Fluids geringer als in dem offenen, so daß durch die Differenz der Steuerdrücke das Fluid in den dem verschlossenen Steuerkanal zugeordneten Ausgang umgelenkt wird.

Nun ist ein Umschaltvorgang, der durch die Saugwirkung des bistabilen Fluidelementes bewirkt wird, generell langsamer als einer, der durch einen sich in den Stcuerkanälen rasch fortbewegenden Druckbzw. Leistungsimpuls ausgelöst wird. Die Grenzfrequenz dieses elektrofluidischen Wandlers ist daher verhältnismäßig niedrig und wird ferner auch durch die Trägheit und die Federkonstante der Federzunge sowie durch die verhältnismäßig großen Luftspalte zwischen Federzunge und Magnetsystem begrenzt.

Die Grenzfrequenz einer Regel- oder Steuerschaltung mit einem elektrofluidischen Wandler ist jedoch durch dessen Grenzfrequenz festgelegt, auch wenn diejenige des elektrischen Teiles der gesamten hybriden Steuer- oder Regelschaltung ohne große Schwierigkeiten sehr hoch gewählt werden kann. Um die Güte der gesamten Hybridenschaltung nicht unnötig zu verschlechtern, muß angestrebt werden, die Grenzfrequenz des elektrofluidischen Wandlers so hoch wie möglich festzusetzen. Gleichzeitig sollte der elektrofluidische Wandler so ausgebildet sein, daß mit verhältnismäßig geringen elektrischen Eingangssignalen gearbeitet werden kann.

Aus der US-PS 33 40 896 ist ein bistabiler Fluidverstärker bekannt, dessen Ausgangskanäle in einem Arbeitszylinder zu beiden Seiten eines Arbeitskolbens münden. Vom Arbeitszylinder zweigen zwei Rückkopplungsleitungen ab, die jeweils mit den Steuerkanälen verbunden sind. Die Rückkopplungsleitungen werden durch den Arbeitskolben, der einen entsprechenden Anschlag an seiner Kolbenstange aufweist, über Plattenventile wechselseitig geöffnet bzw. geschlossen. Dieser bistabile Fluidverstärker wird als Fluidoszillator betrieben, wobei die Frequenz des Oszillators lediglich mechanisch durch die öffnungs- und Schlußfrequenz der Plattenventile gesteuert wird. Die maximale Betriebsfrequenz dieses Oszillators ist, bedingt durch die mechanische Reibung im Arbeitszylinder und die notwendigerweise geringen Arbeitsgeschwindigkeiten, nur sehr gering.

Aus FR-PS 21 68 764 ist ferner ein steuerbarer Fluidoszillator bekannt, in dessen Rückkopplungsleitungen zu den Steuerkanälen elektromagnetisch betätigte Schieberventile angeordnet sind. Auch hier sind der

Arbeitsfrequenz durch die mechanische Trägheit der verwendeten Teile Grenzen gesetzt.

Hier setzt nun die Erfindung ein, deren Aufgabe es ist, den Steuermechanismus eines elektrofluidischcn Wandlers der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß der Verstärkungsfaktor des Wandlers und die Grenzfrequenz sehr hoch werden.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Ventile in den Rückkopplungsleitungen als Sitzventile ausgebildet sind, deren Sitzkörper Magnetanker für das jeweilige Magnetsystem sind, und daß die Öffnungsrichtung des Sitzkörpers mit der Flußrichtung des Fluids durch die Rückkopplungsleitungen zusammenfällt.

Bei einem elektrofluidischen Wandler gemäß der Erfindung wird das Umschalten wie bei einem rückgekoppelten Fluidoszillator durch einen leistungsstarken Druckimpuls ausgelöst, der sich in den Rückkopplungsleitungen mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt. Die Frequenz derartiger Fluidoszillatoren liegt bei entsprechender Dimensionierung der Rückkopplungsleitungen bei etwa tausend Hertz, vgl. MULTRUS, Pneumatische Logikelemente und Steuerungs-Systeme, Krausskopf-Verlag GmbH, Mainz, S. 198. Das Schalten des elektrofluidischen Wandlers geschieht dadurch, daß die Schwingung des Fluidoszillators durch Absperren einer Rückkopplungsleitung unterbrochen wird. Umgeschaltet wird dadurch, daß die gerade verschlossene Rückkopplungsieitung durch den Magnetanker des Sitzventils freigegeben wird und die bisher offene gesperrt wird. Der Umschaltvorgang des Ventils wird durch das durch die Rückkopplungsleitung strömende Fluid erheblich unterstützt, und zwar bei entsprechender Dimensionierung des Fluidelementes und bei entsprechendem Versorgungsdruck derart, daß die Trägheit des Ventils nur gering in die Frequenz des elektrofluidischen Wandlers eingeht. Aus diesen Gründen können auch Schaltzeiten von einer Millisekunde mit einem elektrofluidischen Wandler gemäß der Erfindung erreicht werden.

Die erwähnte Unterstützung des Umschaltvorganges durch das Fluid selbst bringt es auch mit sich, daß von dem Magnetsystem lediglich die Haltekräfte für den Magnetanker des Ventils in der Schließstellung aufzubringen sind, die bei kleinen und hier ohne weiteres zu erzielenden Luftspalten nur sehr gering sind.

Der Verstärkungsfaktor des elektrofluidischen Wandlers ist aus den aufgezeigten Gründen sehr hoch, so daß die elektrischen Eingangssignale in vielen Fällen direkt, d. h. ohne Vorverstärkung an die Magnetsysteme geiegt werden können.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der elektrofluidische W?ndler einen Steuerblock mit zwei Kammern aufweist, die untereinander durch einen geraden Kanal verbunden sind, in dem seinerseits ein gegenüber der Kanalwand abgedichteter und als Magnetanker für das Magnetsystem ausgebildeter Sitzkörper verschiebbar gelagert ist, und daß ferner in jede Kammer ein Steuerkanal sowie eine Rückkopplungsleitung führt, die in der Verschie- bo bungsrichtung des Magnetankers in die Kammer mündet und an ihrer Mündung von dem Magnetanker verschließbar ist.

Bei dieser Ausführungsform ist der Magnetanker Schließ- bzw. Sitzkörper für beide Rückkopplungslei- »■> tungen. Beim Umschalten des Magnetsystems wird der Magnetanker mittels Magnetkraft von seinem bisherigen Sitz abgehoben und in Richtung zu seinem zweiten, die weitere Rückkopplung verschließenden Sitz beschleunigt. Dieser Vorgang wird gleichzeitig durch das in die Kammer strömende Fluid unterstützt. Bei dieser Ausführungsform muß Vorsorge getroffen werden, daß der Magnetanker innerhalb der Umschaltzeit für das Fluidelement bereits die andere Rückkopplungsleitung verschließt, um zu verhindern, daß das bistabile Fluidelement bereits umschaltet, wenn sich der Magnetanker nur wenig von dem die Rückkopplungsleitung verschließenden Sitz gehoben hat. Dieses kann dadurch erreicht werden, daß die Rückkopplungsleitungen in an sich bekannter Weise jeweils mit einer fluidischen Kapazität verbunden sind, so daß die Strömung in den Rückkopplungsleitungen eine längere Zeit auf den Magnetanker wirkt.

Die technische Konstruktion dieses elektrofluidischen Wandlers, bei der beispielsweise die Abdichtung des Magnetankers in dem die beiden Kammern verbindenden Kanal so ausgeführt sein muß, daß der Magnetanker gleichwohl annähernd reibungslos bewegt werden kann, ist weiter dadurch zu vereinfachen, daß für jede Rückkopplungsleitung ein eigenes Ventil vorgesehen wird. Dies geschieht bevorzugt dadurch, daß das Sitzventil direkt in der Rückkopplungsleitung angeordnet ist und in seiner Schließstellung durch das Magnetsystem und eine Feder gehalten ist.

Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen stellt dar

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen elektrofluidischen Wandler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig.2 eine Aufsicht auf einen elektrofluidischen Wandler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 einen Schnitt durch ein in einer Rückkopplungsleitung des in Fig. 2 dargestellten Wandlers angeordnetes Sitzventil.

Ein elektrofluidischer Wandler gemäß der Fig. 1 ist in einer Platte 1, beispielsweise aus durchsichtigem Kunststoff angebracht, die ihrerseits aus drei Teilplatten 101, 102 und 103 besteht. Die Platte 101 dient dabei als Grundplatte; in der Platte 102 sind die einzelnen weiter unten zu beschreibenden Kanäle für den Wandler eingeschnitten; die Platte 103 dient als Deckplatte.

Im einzelnen besteht der elektrofluidische Wandler aus einem bistabilen Wandstrahlelement W, das einen in eine Wechselwirkungskammer WK mündenden Leistungseingang F, zwei Ausgangskanäle A] und A2 sowie zwei Steuerkanäle S\ und 52 aufweist.

Der Steuermechanismus für den Wandler ist in einem Teil der Platte 1 angeordnet und hier mit Steuerblock / bezeichnet. Der Steuerblock weist zwei Kammern K\ und Ki auf, die durch einen Kanal 2 miteinander verbunden sind. In diesem Kanal ist, gegen die Kanalwand abgedichtet, ein Magnetanker 3 verschiebbar gelagert, der durch zwei Magnetsysteme M₁ und Mi bewegbar ist. Den Magnetsystemen werden die elektrischen Eingangssignale einer elektrischen Schaltung 4 über Leitungen zugeführt, die durch Muffen 5 und 6 aus der Grundplatte herausgeführt sind. Die Magnetsysteme M\ und M% können dabei wechselseitig von der elektrischen Schaltung 4 über einen Schalter 7 erregt werden, so daß der Magnetanker 3 in der Zeichnung gesehen nach links bzw. rechts verschoben wird.

In die Kammern K\ und Ki münden in Verschiebungsrichtung des Magnetankers 3 zwei Rückkopplungslei-

tungen R] bzw. R2, die von den Ausgangskanälen A] bzw. A2 des Wandstrahlelementes W abgezweigt sind. Die Mündungen der Rückkopplungsleitungen R\ und R2 können in den Kammern K] bzw. K2 durch den Magnetanker 3 verschlossen werden. Der Magnetanker wirkt demnach als Schaltkörper eines Sitzventils.

Die Funktionsweise des elektrofluidischen Wandlers ohne Betätigung der Magnetsysteme M\ und M2 ist folgende: Wird das bistabile Wandstrahlelement W durch den Leistungseingang Emit einem Fluid versorgt, so wird sich der aus der Wechselwirkungskammer WK strömende Fluidstrahl, bedingt durch den Coandaeffekt, beispielsweise an die Außenwand des Ausgangskanal A] anlegen und durch diesen das Wandstrahlelement verlassen. Ein Teil dieses Fluidstrahls wird in die Rückkopplungsleitung R\ abgezweigt, so daß sich in dieser ein Druckimpuls mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet, der den Magnetanker 3 in der Zeichnung gesehen nach links drückt. Zum einen wird damit die Mündung der Rückkopplungsleitung R2 verschlossen und des weiteren, da nun der Druckimpuls in den Steuerkanal S\ läuft, der Fluidstrahl in den Ausgang A2 des Wandstrahlelementes umgelenkt. Hier wird wiederum ein Teil dieses Fluidstrahls in die Rückkopplungsleitung /?2 geführt, so daß durch den entstehenden Druckimpuls der Magnetanker 3 in der Zeichnung gesehen nach rechts verschoben, die Mündung der Rückkopplungsleitung R\ verschlossen und der Fluidstrahl zurück in den Ausgang A] gelenkt wird. Die beschriebene Anordnung wirkt wie ein Fluidoszillator.

Wird jedoch jetzt das Magnetsystem M\ erregt, so wird der Magnetanker 3 in der die Rückkopplungsleitung R] verschließenden Stellung festgehalten. Das Fluid im Wandstrahlelement tritt aus dem Ausgangskanal A] aus. Sobald durch Umschalten des Schalters 7 das Magnetsystem M\ entregt und das Magnetsystem M2 erregt wird, hebt sich der Magnetanker 3 von der Mündung der Rückkopplungsleitung R\ ab. Damit wirken auf den Magnetanker 3 die Magnetkräfte des Magnetsystems M2 und gleichzeitig der in der Rückkopplungsleitung R] herrschende statische Druck, der nun auf die volle Fläche des Ankers 3 wirkt. Der Umschaltvorgang des Magnetankers 3 wird hierdurch merklich unterstützt.

Nach dem Abheben des Magnetankers 3 von der Mündung der Rückkopplungsleitung wird, wie vorhin erwähnt, der Fluidstrahl aus dem Ausgangskanal A\ in den Ausgangskanal A? umgelenkt.

Wird in einem erneuten Schaltvorgang das Magnetsystem JW2 entregt und das Magnetsystem M₁ erregt, so läuft der geschilderte Umschaltvorgang in umgekehrter Richtung ab.

Der Schaltvorgang kann noch folgendermaßen optimiert werden: Wie bereits oben erwähnt, schaltet das bistabile Fluidelement bereits um, wenn sich der Magnetanker 3 nur geringfügig von seinem Sitz gehoben hat. Um nun zu verhindern, daß das Wandstrahlelement W erneut umschaltet, bevor der Magnetanker 3 die andere Rückkopplungsleitung verschlossen hat, sind die Rückkopplungsleitungen jeweils mit Kapazitäten Ci bzw. C2 verschen, so daß die Unterstützung des Umschaltvorganges durch das auf den Anker wirkende Fluid längere Zeit aufrechterhallen wird.

Strömt das Fluid aus dem Leistiingseingang in die Wechselwirkungskammer mit hoher Geschwindigkeit ein, so würde durch die sich dabei ausbildenden Unterdruckgebiete zu beiden Seiten des Fluidstrahlcs zumindest ein Teil des in den Steuerleitungen Si und S befindlichen Fluids abgesaugt und damit die Totzeit de; Wandstrahlelementes durch diesen Effekt erhöht. Un dies zu verhindern, werden die beiden Steuerkanäle S und Si über Stichlcitungen 9, die jeweils ein Rückschlag ventil 10 enthalten, z. B. mit der Atmosphäre oder mii einem Druckmitteltank verbunden.

Das in den Fig. 2 und 3 gezeigte weitere Ausfüh rungsbeispiel unterscheidet sich im Wesentlichen vor dem in F i g. 1 gezeigten dadurch, daß nunmehr in jedei Rückkopplungsleitung R] bzw. R2 ein elektromagnetisch betätigbares Sitzventil Vangeordnet ist. Durch eine hiei nicht gezeigte elektrische Schaltung wird sichergestellt daß die elektrischen Eingangssignale wechselweise die Sitzventile schließen.

Das Sitzventil ist rotationssymmetrisch und, vgl. die F i g. 3, aus mehreren rotationssymmetrischen Einzelteilen aufgebaut. Ein Tragkörper 11 aus isolierendem Material, z. B. aus gespritztem Kunststoff, trägi zwischen zwei Stegen die Magnetspule M und dien' gleichzeitig als Aufsteckmuffe für eine der als Leitunger ausgebildeten Steuerkanäle 5. Gegenüber der Steuerlei tung 5 ist in diesen Tragkörper 11 eine ebenfalls mi einem Steg versehene Muffe 12 aus Magnetmateria eingeschoben und verklebt. Mit dem Schenkel dei Muffe 12 ist eine im Querschnitt L-förmige Haube 12 ebenfalls aus Magnetmaterial verbunden, so daß dei magnetische Kreis durch die Muffe 12 mit ihrem Steg sowie die Haube 13 gebildet ist. Auf die Muffe 12 ist eine der Rückkopplungsleitungen R geschoben. In diesem se gebildeten Ventilgehäuse ist ein als Magnetanker U ausgebildeter Kolben mittels einer in einer Führungs muffe 15 lose geführten Kolbenstange 16 gelagert Zwischen Magnetanker 14 und Führungsmuffe 15 is ferner eine Druckfeder 17 vorgesehen, die der Magnetanker 14 auf den oberen als Sitzfläche ausgebildeten Rand der Muffe 12 drückt und somit di< Verbindung zwischen der Rückkopplungsleitung unc der Steuerleitung Sabsperrt.

Die Fläche des Magnetkerns 14 nimmt nicht der gesamten Querschnitt des Tragkörpers 11 ein; ebensc ist die Führungsmuffe 15 mit Durchbrüchen 18 versehen so daß bei abgehobenen Magnetanker 14 das Fluid vor der Rückkopplungsleitung R in die Steuerleitung J fließen kann.

Sind die Magnetsysteme der so ausgebildeter Sitzventile in dem elektrofluidischen Wandler nich erregt, so arbeilet der Wandler, wie bereits beim erster Ausführungsbeispiel beschrieben, wie ein Fluidoszilla tor. Strömt somit beispielsweise das Fluid aus den Leistungseingang E durch den Ausgangskanal A], se wird ein Teil dieses Fluids in die Rückkopplungsleituni R] geleitet. Der dabei auftretende Druckimpuls hebt dei Magnetanker 14 entgegen der Kraft der Feder 17 voi seinem Sitz ab und läuft in den Steuereingang Si wodurch der Fluidstrahl aus dem Ausgangskanal A\ ii den Ausgangskanal A2 umgeleitet wird. Sobald da bistabile Fluidelement W umgeschaltet hat, wird de Magnelanker 14 durch die Feder 17 wiederum au

Wi seinen Sitz gedrückt.

Strömt das Fluid nach dem Umschalten de Fluidelementes Wdurch den Ausgangskanal A₂, so win wiederum ein Teil in die Rückkopplungsleitung R geleitet, wodurch das Sitzventil 11 in der Rückkopp

ii5 lungslcitung 12 geöffnet wird, und das Fluidelcmen wiederum umschaltet.

Sobald nun eine der Magnetspulen M erregt wire wird der MagncUinkcr 14 auf seinem Sitz an der Muff'

12 gehalten und damit die jeweilige Rückkopplungslcitung R verschlossen. Das Fluid strömt jetzt durch den Ausgangskanal, der der verschlossenen Rückkopplungsleitung zugeordnet ist. Sobald das Magnetsystem M entregt wird, wirkt der volle statische Druck der Rückkopplungsleitung auf den Magnetankcr 14, so daß dieser von seinem Sitz abgehoben wird und ein Teil des Fluids in den Sleuerkanal S\ strömt. Wie erwähnt schaltet das Fluidelemenl W um. Wenn das Magnetsystem des in der Rückkopplungsleitung /?2 liegenden Sitzventils 11 erregt und damit die Rückkopplungsleitung /?2 verschlossen ist, findet ein erneuter Umschaltvorgang erst dann statt, wenn dieses Magnetsystem

entregt wird und der danach durch die Stcuerleitung 52 laufende Druckimpuls auf den Fluidstrahl in der Wechselwirkungskammer trifft.

Das hier geschilderte Ausführungsbcispiel eines clcktrofluidischen Wandlers ist konstruktiv besonders einfach, da bis auf eine genaue Passung des Sitzes des Magnetankers 14 auf der Muffe 12 keine konstruktiven Probleme auftreten. Ferner können die Rückkopplungslcitungen und die Slcucrkanälc S als Schläuche ausgebildet sein, die auf je eine Seite des Sit/.vcntils gesteckt werden. Der fertige elcktrofluidische Wandler wird vorteilhaft in Kunststoff eingegossen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektrofluidischer Wandler mit einem bistabilen Fluidelement, das einen in eine Wechselwirkungskammer mündenden Leistungseingang, zwei stromabwärts unter einem spitzen Winkel aus der Wechselwirkungskammer führende Ausgangskanäle sowie zwei Steuerkanäle aufweist, in denen der Steuerdruck mit Hilfe eines mit den elektrischen Eingangssignalen beaufschlagten Magnetsystems zur Umlenkung des Fluids aus dem einen in den jeweils anderen Ausgangskanal beeinflußbar ist, wobei das bistabile Fluidelement als Fluidoszillator ausgebildet ist, bei dem von jedem Ausgangskanal is eine Rückkopplungsleitung zu dem entsprechenden Steuerkanal abzweigt und die beiden Rückkopplungsleitungerr durch ein von dem Magnetsystem betätigtes Ventil jeweils absperrbar bzw. freizugeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (K], K₂; V) als Sitzventile ausgebildet sind, deren Sitzkörper Magnetanker (3; 14) für das jeweilige Magnetsystem (Mu M₂) sind, und daß die Öffnungsrichtung des Sitzkörpers mit der Flußrichtung des Fluids durch die Rückkopplungsleitungen (Ru R₂) zusammenfällt.

2. Elektrofluidischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Steuerblock (I) mit zwei Kammern (K], K₂) aufweist, die untereinander durch einen geraden Kanal (2) verbunden sind, in dem seinerseits ein gegenüber der Kanalwand abgedichteter und als Magnetanker (3) für das Magnetsystem (M], M₂) ausgebildeter Sitzkörper verschiebbar gelagert ist, und daß ferner in jede Kammer (K], K₂) ein Steuerkanal (Si, S₂) sowie eine Rückkopplungsleitung (R], R₂) führt, die in der Verschiebungsrichtung des Magnetankers (3) in die Kammer (K], K₂) mündet und an ihrer Mündung von dem Magnetanker (3) verschließbar ist. «ο

3. Elektrofluidischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungslei tungen (Ru R₂) in an sich bekannter Weise jeweils mit einer fluidischen Kapazität CCi, C₂) verbunden sind. «

4. Elektrofluidischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sitzventil (V) direkt in der Rückkopplungsleitung (R], R₂) angeordnet ist und in seiner Schließstellung durch das Magnetsystem (M], M₂) und eine Feder (17) gehalten ist.

5. Elektrofluidischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkanäle C^i, S₂) des bistabilen Fluidelementes (W) über Stichleitungen (9) mit einer Druckquelle verbunden sind.