DE2450329C2 - Elektrofluidischer Wandler - Google Patents

Description

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 Hz; vgl. Multrus, Pneumatische Logikelemente und Steuerungssysteme, Krausskopf Verlag GmbH, Mainz, 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 Ventiies wird durch das durch die Rückkopplungsleitung strömende Druckmittel erheblich unterstützt, und zwar bei entsprechender Dimensionierung des Fluidelementes und bei entsprechendem Versorgungsdruck derart, daß die Trägheit des Ventiles nur gering in die Frequenz des elektrofluidischen Wandlers eingeht.

Die Unterstützung des Umschaltvorganges durch das Druckmittel bringt es mit sich, daß von dem Magnetsystem lediglich die Haltekräfte für den Magnetanker des Ventiies in der Schließstellung aufzubringen sind, die bei kleinen und hier ohne weiteres zu erzielenden Luftspalten nur sehr gering sind. Gemäß einer Ausführungsform des Hauptpatentes ist vorgesehen, daß beide Rückkopplungsleitungen wechselseitig durch ein einziges Ventil, das einen als Doppelsitzventilkörper ausgebildeten Magnetanker aufweist, geöffnet bzw. verschlossen werden. Das bistabile Fluidelement schaltet bereits um, wenn sich der Magnetanker nur geringfügig von seinem Sitz abhebt und die Verbindung der Rückkopplungsleitung mit 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 Fluidelement 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 zu fertigen sind, ist es Aufgabe der Erfindung, den elektrofluidischen Wandler gemäß dem Hauptpatent so weiterzubilden, daß ohne derartige

so Kapazitäten das Schaltverhalten des Wandlers exakt definiert ist.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruches angegegebenen 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 Fluidelemenie 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 un-f 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.

t>o 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 eiektrofluidischer 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 verbünde-

nen Teilplatten, in deren mittlere die Druckmittel führenden Kanäle für den elektrofluidischen Wandler eingeschnitten sind.

Im einzelnen besteht der Wandler aus drei bistabilen Fluidelementen, sogenannten Wand=trahlelementen Wi, W2 und Wy, die jeweils eine Wechselwirkungskammer WK, einen in diese mündenden Versorgungseingang E, zwei Ausgänge A\ und A₂ sowie zwei Steuereingänge Si und S₂ aufweisen.

Der Steuermechanismus für den elektrofluidischen Wandler ist in einem Teil der Platte 1 angeordnet und hier als Steuerblock /bezeichnet. Der Steuerblock weist eine Kammer K auf, in der gegen die Kammerwände abgedichtet ein Magnetanker 3 mittels zweier Magnetsysteme Mi und M₂ verschiebbar gelagert ist. Die Magnetsysteme werden von einer elektrischen Steuerschaltung 4 wechselseitig angeregt, so daß je nach Steuersignal der Magnetanker 3 in der Zeichnung gesehen nach rechts bzw. nach links verschoben wird.

In die Kammer K mündet zu be^:den Seiten in Verschiebungsrichtung des Magnetankers 3 je eine Rückkopplungsleitung R\ bzw. R₂, die von dem zugeordneten Ausgang des dritten Wandstrahlelementes W₃ abgezweigt ist Die Mündungen der Rückkopplungsleitungen /?i und R₂ in die Kammer K werden in der jeweiligen Endstellung des Magnetankers 3 durch diesen verschlossen, der somit wie ein Schaltkörper eines Sitzventiles wirkt.

Die Steuerleitungen des ersten Fluidelementes münden ebenfalls in die Kammer K und sind derart angeordnet, daß jeweils eine Rückkopplungsleitung mit der zugehörigen Steuerleitung verbunden, die andere Rückkopplungsleitung von der ihr zugehörigen Steuerleitung jedoch getrennt ist; in der gezeigten Schaltstellung des Magnetankers ist die Rückkopplungsleitung R₂ mit dem Steuereingang S₂ verbunden.

Die Steuerleitungen der folgenden Wandstrahlelemente W₂ und W3 sind jeweils mit den entsprechenden Ausgängen des vorherigen Wandstrahlelementes W, bzw. W₂ verbjnden, während die Ausgänge des dritten Wandstrahlelementes die Ausgänge WA] bzw. WA₂ des elektrofluidischen Wandlers sind, die über eine hier nicht gezeigte, aus weiteren Fluidelementen bestehende Verstärkerkette mit zwei Einspritzkanälen SE\ bzw. SE₂ eines Raketentriebwerkes Tverbunden sind.

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

In die Einspritzkanäle SE\ und SE₂ wird über die Verstärkerkette nach Maßgabe der von dem Wandler abgegebenen Ausgangssignale in bekannter Weise zusätzlicher 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 Wi, W₂ und W₃ über ihre Versorgungseingänge fan eine Druckmittelquelle angeschlossen werden, so wird wegen des Coanda-Effektes das Druckmittel das erste Wandstrahlelement Wi durch einen der Ausgänge, z. B. durch den Ausgang A] verlassen. Da dieser mit dem in der Zeichnung rechten Steuereingang des zweiten Wandstrahlelementes W₂ verbunden ist, wird das aus dem Versorgungseingang dieses Wandstrahlelementes W₂ ausströmende Druckmittel in den ünken Ausgang gezwungen. Nach dem gleichen Prinzip wird das Druckmittel des dritten Wandstrahlelementes durch dessen rechten Ausgang strömen und den elektrofluidischen Wandler durch den Ausgang WA\ verlassen. Ein Teil dieses Druckmittels wird über die Leitung /?i in die Kammer K im Steuerblock / zurückgeführt und drückt in dieser den Magnetanker 3 in der Zeichnung gesehen nach links, bis dieser die Rückkopplungsleitung R₂ verschließt.

Sobald jedoch der Magnetanker 3 von seinem in der Figur gezeigten Sitz abhebt, ist die Verbindung zwischen der Rückkopplungsleitujig R\ und der Steuerleitung Si des ersten Wandstrahlelementes hergestellt, so daß Druckmittel in den Steuereingang Si strömt, wodurch das bisher durch den rechten Ausgang A\ strömende Druckmittel im Wandstrahlelement W₁ in den linken Ausgang A₂ umgelenkt wird. Da nachfolgend alle weiteren Wandstrahlelemente umgeschaltet werden, verläßt das Druckmittel den elektrofluidischen Wandler durch den Ausgang WA₂. Ein Teil dieses durch den Ausgang strömenden Druckmittels wird über die Leitung R₂ wiederum zur Kammer K zurückgeführt und schiebt den Anker in der Zeichnung gesehen in die rechte Endstellung, wo er die Rückkopplungsleilung /?, verschließt. Nun ist die Verbindung zwischen der Rückkopplungsleitiing R₂ und der Steuerleitung S₂ hergestellt, so daß das Druckmittel im Wandstrahlele-

M ment Wi in die anfangs beschriebene Ausgangslage umgelenkt wird.

Ohne Betätigung der Magnetsystnme M\ und M₂ 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 W4i 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 Magnttanker ausüben, daß dieser von seinem Sitz abgehoben und dadurch der Wandler umgeschaltet wird. Somit wird die Schaltstellung des Ankers und des elektrofluidischen Wandlers beibehalten.

Erst wenn das Magnetsystem M\ entregt und das Magnetsystem M₂ 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 M₂ und zum anderen durch das nunmehr auf seine volle Stirnfläche wirkende Druckmittel in Richtung der Mündung der Rückkopplungsleitung R₂ beschleunigt. Sobald die Verbindung zwischen der Rückkopplungsleitung R\ und der Steuerleitung Si hergestellt ist, schaltet der elektrofluidische Wandler wie oben beschrieben um, so daß nach einer durch die Laufzeit des Druckmittels in den Wandstrahlelementen Wi, W₂ und W-i bedingten Totzeit das Druckmittel den Wandler durch den linken Ausgang WA₂ verläßt. Da die Schaltzeiten der verwendeten Wandstrahlelemente und die erwähnte Laufzeit des Druckmittels durch die V/andstrah!elemente und durch die Rückkopplungsleitungen nur in geringen Grenzen schwanken, hat ein elektrofluidischer Wandler gemäß der Erfindung eine definierte Schaltchaiakteristik. Es sei ferner darauf

Anzahl von drei Wandstrahleletnenten 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.

hingewiesen, daß die Ausführungsform des hier beschriebenen Steuerblockes / 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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Eiektrofluidischer 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 2348308, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrofluidische Wandler mehrere hintereinandergeschaltete bistabile Fluidelemente (W,, Wi, W₃) aufweist, deren Ausgänge mit den jeweiligen Steuereingängen des nachfolgenden Fluidelementes verbunden sind, und daß die Rückkopplungsleitungen (Ru R2) von den Ausgängen des. letzten Fluidelementes (W₃) abzweigen und auf die Steuerausgänge (Si, S2) des ersten Fluidelementes
zurückgeführt sind.

2. Eiektrofluidischer Wandler
dadurch gekennzeichnet, daß

bistabilen Fluidelemente (Wi, W₂, W₃) und die Länge der Rückkopplungsleitungen (R_u R2) so gewählt ist, daß die Laufzeit des Druckmittels durch alle Fluidelemente und durch eine der Rückkopplungsleitungen etwa gleich der Umschaltzeit des elektromagnetischen Ventiles ist.

3. Eiektrofluidischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrofluidische Wandler eine ungerade Anzahl von bistabilen Fluidelementen (Wi, W2, W₃) aufweist.

nach Anspruch 1, die Anzahl der