DE2450329A1 - Elektrofluidischer wandler - Google Patents

Description

Elektrofluidischer Wandler (Zusatz zu Patent , Patentanmeldung P 23 48 300.1)

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrofluidischen Wandler gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Bei derartigen elektrofluidischen Wandlern 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 1000 Hs; vgl. Multrus, Pneumatische Logikelemente und Steuerungssysteme, Krausskopf Verlag GmbH, I-iainz, 1970, Seite 198.

Die Ansteuerung des elektrofluidischen Wandlers gemäß dem Hauptpatent geschieht dadurch, daß die Schwingung des Fluidoszillators durch Absperren einer Rückkopplungsleitung durch das elektromagnetisch betätigte Ventil unterbrochen wird. Umgeschaltet wird dadurch, daß die gerade verschlossene Rückkopplungsleitung wiederum freigegeben und die bisher offene gesperrt wird. Der Umschaltvorgang des Ventiles wird durch das durch die Rückkopplungsleitung strömende Druckmittel erheblich unterstütztj und zwar bei entsprechender Dimensio-

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nierung des Fluideler.ientes und bei entsprechendem Versorgungsdruck derart, daß die Trägheit des Ventiles nur gering in die Frequenz des elektrof Inidischeri Wandlers eingeht. ·

Die Unterstützung des Umschaltvcrganges durch das Druckmittel bringt es ir.it sich, daß von dem Magnetsystem lediglich die Ilaitekräfte für den Lagnetanlcer des Ventiles in der Schließstellung aufzubringen sind, die bei kleinen und hier ohne weiteres su erzielenden Luftspalten nur sehr gering sind.

Gemäß einer Ausführungsform des Hauptpatentes ist vorgesehen, aaß beide Rückkopplungsleiturigen v/echselseitig durch ein einsiges Ventil, das einen als Doppelsitzventilkörper ausgebildeten Megnetanker aufweist, geöffnet bzw. verschlossen v/erden. Das bistabile Fluidelemenc schaltet bereits um, wenn sich der Magnetanker nur geringfügig von seinem Sitz abhebt und die Verbindung der Rückkopplungsleitung r.iit dem entsprechenden Steuereingang freigibt. Dadurch wird jetzt in der anderen Rückkopplungsleitung ein Druckmittelimpuls erzeugt, der so auf den Magnetanker wirkt, daß dessen Bewegung gehemmt oder umgekehrt wird, bevor diese andere Rückkopplungsleitung verschlossen worden ist.

Um zu verhindern, daß auf diese Weise das Fluideleraerit erneut umschaltet, sind die Rückkopplungsleitungen mit Kapazitäten versehen, so daß die Unterstützung des Umschaltvorganges durch das auf den Magnetanker wirkende Druckmittel über die eine Rückkopplungsleitung längere Zeit aufrechterhalten wird und die Laufzeit des Druckmittelimpulses in der anderen Rückkopplungsleitung verlängert wird»

Da bekanntermaßen fluidische Kapazitäten nur schwierig genau su fertigen sind_s ist es Aufgabe der Erfindung_s den elektrofluidischen Wandler gemäß dem Hauptpatent so weiterzubilden,

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daß ohne derartige Kapazitäten das Schaltverhalten des Wandlers exakt definiert ist.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruches angegebenen Mittel gelöst.

Gemäß der Erfindung wird die nur schwierig exakt einzuhaltende Zeitkonstante der bisher in den Rückkopplungsleitungen verwendeten Kapazitäten durch die wesentlich genauere konstante Totzeit ersetzt, die aus der Laufzeit des bei einer Umschaltung entstehenden Druckimpulses und durch den Massentransport durch die einzelnen Fluidelemente resultiert. Die Anzahl der Fluidelemente und die Länge der Rückkopplungsleitungen wird bevorzugt so gewählt, daß die Laufzeit eines Druckimpulses durch die gesamten Fluidelemente und eine Rückkopplungsleitung etwa so lang ist wie die Zeit, die der Magnetanker für seinen Umschaltvorgang benötigt.

Bei einem elektrofluidischen Wandler gemäß der Erfindung ist gewährleistet, daß der Magnetanker während des gesamten Umschaltvorganges durch das Druckmittel unterstützt wird, wobei die Schaltcharakteristik exakt definiert ist. Zwar besteht bei einem elektrofluidischen Wandler gemäß der Erfindung zwischen dem elektrischen Eingangssignal und dem fluidischen Ausgangssignal eine durch die allerdings geringe Laufzeit in den einzelnen Fluidelementen bedingte Phasenverschiebung, jedoch ist diese Phasenverschiebung konstant und kann entsprechend berücksichtigt werden.

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Ein Ausführungsbeispiel eines elektrofluidischen Wandlers gemäß der Erfindung, der im Zusammenhang mit einer Sekundäreinspritzung in eine Brennkammer eines Triebwerkes verwendet wird, ist anhand der Figur dargestellt.

Ein elektrofluidischer Wandler ist in einer Platte 1, die hier durchsichtig gezeichnet ist und beispielsweise aus Kunststoff besteht, angeordnet. Die Platte 1 besteht aus drei übereinandergelegten und miteinander verbundenen Teilplatten, in deren mittlere die Druckmittel führenden Kanäle für den elektrofluidischen Wandler eingeschnitten sind.

Im einzelnen besteht der Wandler aus drei bistabilen Fluidelementen, sogenannten V/andstrahlelementen W., W_ und W^, die jeweils eine Wechselwirkungskammer WK, einen in diese mündenden Versorgungseingang E, zwei Ausgänge A,. und A„ sowie zwei Steuereingänge S^ und S_? aufweisen.

Der Steuermechanismus für den elektrofluidischen Wandler ist in einem Teil der Platte 1 angeordnet und hier als Steuerblock I bezeichnet. Der Steuerblock weist eine Kammer K auf, in der gegen die Kammerwände abgedichtet ein Magnetanker 3-mittels zweier Magnetsysteme M^ und M_ verschiebbar gelagert ist. Die Magnetsysteme werden von einer elektri-

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sehen Steuerschaltung wechselseitig angeregt, so daß je nach Steuersignal der Magnetanker 3 in der Zeichnung gesehen nach rechts bzw. nach links

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verschoben wird.

In die Kammer K mündet zu beiden Seiten in Verschiebungs-■■-.■. richtung .^d es Magnetankers 3 je eine Riickkopplungsleitung ;..; R, bzw. Rp., die von.dem zugeordneten Ausgang des dritten ;v. WändstrählElementes W₃ abgezweigt ist. Die Mündungen der ^ÜGidcöpplung^lisitungen R„, und R„ in die Kammer K :werden in. der j.e.v/eilisöi¹ .E.ndf.te. llung des MagnetaBkers.. 3- durch· ;.dies:en. ^ der _::jaqmit wie; ein Schaltkörper eines

Die Steuer leitungen des ersten Fluidelementes münden eben-' falls in die Kammer K und sind derart angeordnet, daß je— weAls, ,.eine 4|i-^<rH;k..oppl}angsieitung mit der .zugehörigen Steüerleitung^^ verbünden,, ,die..andere Rückkopplungsleitung von -der ^ igen S teiler leitung jedoch getrennt ist;^rIn dier; '--'- ^lt§tßll-uiig des Magnetankers ist die Rückkopp-lungsleitung R„ mit dem Steuereingang S„ verbunden. ; ■ '■-- ---'".-■■■

P.le .S tjevier leitungen der folgenden Wands tr ah Ie Lernen te. Wy und W„ „sind, jeweils,, mit. den entsprechenden Ausgängen des vor- herigen,,^ands,trahlelementes W^ bzw. Wp verbunden, während die_Äus,gäng,er des dritten : Wandstrahl element es die Ausgänge ^r WA. bzw.. ,WA,--des elektrofluidischen Wandlers sind,,-^die^iib^er-ieine^h.ier_f nicht gezeigte, aus. weiteren Fluidelemehten be-' ' stehen^e.-yerstärkerkette mit zwei. Einspritäkanälen SE;, b^wv SE₂ einei^aketent^iebwerkes T verbunden sind» ^; :■>:-' ':--

Es ist selbstverständlich denkbar, daß die hintereinander geschalteten Wandstrahlelemente des Wandlers selbst eine Verstärkerkette bilden, so daß sich eine separate Verstärkerkette erübrigt.

In die Einspritzkanäle SE₁ und SE₃ wird über die Verstärkerkette nach Maßgabe der von dem Wandler abgegebenen Ausgangs-

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signale in bekannter Weise _rzusätzlicher Treibstoff in.die,. Brennkammern des. Raketentriebwerks T eingespritzt,; durch, die Volumenausdehnung des Zusatztreibstoffes bei seiner Verbrennung wird der Triebwerksstrahl nach links bzw, rechts,abgelenkt, --. -, ----- . ■ '---■/■.---';, - ■".-,. -----

Die Funktionsweise des elektrofluidischen Wandlers ohne Betätigung der Magnetsysteme M^ und M₂ ist folgende:

Wenn sämtliche Wandstrahlelemente W.,W_? und W- über ihre Versorgungseingänge E an eine Druckmittelguelle angeschlossen werden, so wird wegen des Coanda-Effektes das Druckmittel das erste Wandstrahlelement W^ durch einen der Ausgänge, z.B, durch den Ausgang A. verlassen. Da dieser mit dem in der Zeichnung rechten Steuereingang des zweiten Wandstrahlelementes W„ verbunden ist, wird das aus dem Versorgungseingang dieses Wandstrahlelementes W₉ ausströmende Druckmittel in den linken Ausgang gezwungen. Nach dem gleichen Prinzip wird das Druckmittel des dritten Wandstrahlelementes durch dessen rechten Ausgang strömen und den elektrofluidischen Wandler durch den. Ausgang WA₁ verlassen. Ein Teil dieses Druckmittels wird über die Leitung R^ in die Kammer K im Steuerblock I zurückgeführt und drückt in dieser den Hagnetanker 3 in der Zeichnung gesehen nachr linkSj_bis dieser dieι Rückkopplungsleitung R₉ verschließt.

Sobald jedoch der Magnetanker 3 von seinem in der Figur gezeigten Sitz abhebt, ist die Verbindung zwischen der Rückkopplungsleitung R^. und der S teuer leitung S.. des ersten Wandstrahlelementes hergestellt, so daß Druckmittel in den Steuereingang S^ strömt, wodurch, das bisher, durch d^en rechten Aus- , gang A^ strömende Druckmittel im. Wand strahl element: W,, in den, linken Ausgang. A„ umgelenkt .wird. Da ,nachfolgerid alle, weiteren

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Wandstrahlelemente umgeschaltet werden, verläßt das Druckmittel den elektrofluidischen Wandler durch den Ausgang WAp. Ein Teil dieses durch den Ausgang strömenden Druckmittels wird über die Leitung R~ wiederum zur Kammer K zurückgeführt und schiebt den Anker in der Zeichnung gesehen in die rechte Endstellung, wo er die Rückkopplungsleitung R. verschließt. Nun ist die Verbindung zwischen der Rückkopplungsleitung R~ und der Steuerleitung S„ hergestellt, so daß das Druckmittel im Wandstrahlelement W. in die anfangs beschriebene Ausgangslage umgelenkt wird.

Ohne Betätigung der Hagnetsysteme M₁ und M_? wirkt demnach der elektrofluidische Wandler wie ein Fluidoszillator.

Wird in der gezeigten Stellung des Magnetankers 3 das Magnetsystem M^ erregt, so wird der Magnetanker 3 festgehalten und das Druckmittel tritt, wie oben geschildert aus dem Ausgang WA^ des elektrofluidischen Wandlers aus. Das über die Rückkopplungsleitung R^ auf den Magnetanker 3 wirkende Druckmittel kann jetzt, da der Mündungsquerschnitt der Rückkopplungsleitung sehr klein ist, die Haltekraft des Magnetsystems nicht überwinden und keine derartige Kraft auf den Magnetanker ausüben, se daß dieser von seinem Sitz abgehoben und dadurch der Wandler umgeschaltet wircT. ~S~ömit wird die Schalt stellung des Ankers und des elektrofluidischen Wandlers beibehalten.

Erst wenn das Magnetsystem M. entregt und das Magnetsystem M erregt wird, hebt sich der Magnetanker 3 wegen der auf ihn wirkenden Magnet- und Druckmittelkräfte von dem Sitz der Rückkopplungsleitung R^ ab und wird zum einen durch die Magnetkräfte des Magnetsystems M„ und zum anderen durch das nunmehr auf seine volle Stirnfläche wirkende Druckmittel in

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Richtung der Mündung der Rückkopplungsleitung Rp beschleunigt. Sobald die Verbindung zwischen der Rückkopplungsleitung R„ und der Steuerleitung S,, hergestellt ist, schaltet der elektrofluidische Wandler wie oben beschrieben um, so daß nach einer durch die Laufzeit des Druckmittels in den Wandstrahlelementen W„, W„ und W- bedingten Totzeit das Druckmittel den Wandler durch den linken Ausgang WA„ verläßt. Da die Schaltzeiten der verwendeten Wandstrahlelemente und die erwähnte Laufzeit des Druckmittels durch die Wandstrahlelemente und durch die Rückkopplungsleitungen nur in geringen Grenzen schwanken, hat ein elektrofluidischer Wandler gemäß der Erfindung eine definierte Schaltcharakteristik. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Ausführungsform des hier beschriebenen Steuerblockes I nur beispielhaft ist und etwa durch zwei jeweils in den Rückführungsleitungen angeordnete elektromagnetisch betätigte Ventile gemäß dem Hauptpatent ersetzt werden kann.

Des weiteren ist ersichtlich, daß die hier aufgeführte Anzahl von drei Wandstrahlelementen nur beispielhaft ist; jedoch ist es vorteilhaft, eine ungerade Anzahl von Wandstrahlelementen zu verwenden, da auf diese Weise die Rückkopplungsleitungen jeweils auf einer Seite der Wandstrahlelemente geführt werden können und diese nicht zu kreuzen brauchen.

Patentansprüche

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   Elektrofluidischer Wandler mit einem bistabilen Fluidelement, das einen Versorgungseingang, zwei durch einen Strahlteiler geteilte Ausgänge und zwei Steuereingänge aufweist, wobei jeder Ausgang des Wandlers über eine Rückkopplungsleitung mit dem entsprechenden Steuereingang des Fluidelementes verbunden ist und die Rückkopplungsleitungen durch ein elektromagnetisch betätigtes

   Ventil absperrbar bzw. freizugeben sind gemäß Patent

   (Patentanmeldung P 23 48 308.l)dadurch gekennzeichnet , daß der elektrofluidische Wandler mehrere hintereinandergeschaltete bistabile Fluidelemente (W₁,Wp,W«) aufweist, deren Ausgänge mit den jeweiligen Steuereingängen des nachfolgenden Fluidelementes verbunden sind, und daß die Rückkopplungsleitungen (R.,Rp) von den Ausgängen des letzten Fluidelementes (W₃) abzweigen und auf die Steuerausgänge (S.,Sp) des ersten Fluidelementes (W.,) zurückgeführt sind.
2. 2. Elektrofluidischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Anzahl der bistabilen Fluidelemente (W₁,W₂,W₃) und die Länge der Rückkopplungsleitungen (R.,Rp) so gewählt ist, daß die Laufzeit des Druckmittels durch alle Fluidelemente und durch eine der Rückkopplungsleitungen etwa gleich der Umschaltzeit des elektromagnetischen Ventiles ist.

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3. 3. Elektrofluidischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der elektrofluxdische Wandler eine ungerade Anzahl von Wandstrahlelementen (W^W₂,W₃) aufweist.

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