DE2509373A1 - Fluidbetaetigte steuervorrichtung - Google Patents
Fluidbetaetigte steuervorrichtungInfo
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Description
DR. MÜLLER-BORE DIPL.-1NG. GROENING DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL
DIPL.-CHEM. DR. SCHÖN DIPL.-PHYS. HERTEL
PATENTANWÄLTE
2509373 •i MRZ. 1975
C 2899
CANADIAN PATENTS AND DEVELPMENT LTD. Ottawa, Ontario, Kanada
Fluiäbetätigte Steuervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine fluiäbetätigte Steuervorrichtung und insbesondere eine fluidbetätigte Steuervorrichtung, bei
v/elcher sowohl das Steuerfluid als auch das gesteuerte Fluid
jeweils eine Flüssigkeit ist, die im laminaren Bereich strömt.
Zur Zeit werden Hydrauliksysteme durch ein oder mehrere Hybridsysterne gesteuert. Derartige Systeme sind mechanisch hydraulische
Systeme, elektromechanisch -hydraulische Systeme oder pneumatisch -hydraulische Systeme. Die Verwendung
von ^trömungsmechanischen Elementen bzw. Fluidelementen für
die hydraulische Steuerung führt zu einer Anzahl von Vorteilen gegenüber anderen Hybridsystemen. Fluidelemente haben eine
größere Betriebssicherheit, kürze Ansprechzeiten, führen zu verringerten Kosten, sind leichter herzustellen und weniger
empfindlich gegenüber den Bedingungen der Umgebung. Ein Fluidelement, welches das Ärbeitsfluid zur Steuerung verwendet,
hat den zusätzlichen Vorteil, daß Zwischenflachen bzw.
Mediengrenzflächen nicht vorhanden sind.
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Obwohl sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten viele strömungsmechanische Grundkonzeptionen in gleicher Weise
verwendbar sind, gibt es bedeutende Unterschiede, die es nicht ermöglichen, daß ein hydraulisches Fluidsteuerungssystem
in praktischer Ausführung so leicht gebaut wird wie ein pneumatisches Fluidsystem oder ein Hybridsystem. Ein
wesentlicher Unterschied besteht darin, daß Flüssigkeit als Fluid ein kostspieligeres Material als Luft ist. Aus diesem
Grund ist es von Bedeutung, daß das Steuerelement eine hohe Verstärkung und/oder Auffächerung (fan-out) sowie niedrige
Leistungsanforderungen hat. Die meisten pneumatischen Fluidvorrichtungen
arbeiten bei unterdrückten turbulenten Strömungsbedingungen.Die sich ergebende Diffusion des Strahls
ergibt eine schlechte Druckrückgewinnung, was bei einer flüssigkeitsbetätigten Vorrichtung der vorliegenden Bauweise
nicht der Fall ist.
Die Fähigkeit, einen laminaren Fluidstrom von dem Steuerstrom
weg abzulenken, ist in der Literatur bereits beschrieben. Diese, Untersuchungen zeigen die dazugehörenden höheren
Signal-Rausch-Verhältnisse und niedrigere Ansprechzeiten bei Verwendung von laminaren Strahlen anstelle von turbulenten
sowie eine schnellere Signalübertragung bei Verwendung von Flüssigkeiten anstelle des herkömmlichen Mediums
Luft. Der laminare Strahl bzw. Jet wird bei zur Zeit gebauten pneumatischen Bauteilauslegungen nicht benutzt, da e£
sich als schwierig erwiesen hat, laminare Zustände in dem Strahl beizubehalten, wenn er durch das Auftreffen eines
Steuerstrahls abgelenkt wird, und weil es außerdem schwierig ist, einen laminaren Strahl wieder an eine Wand
anzulegen bzw. zu binden. Da diese Zustände nicht zutreffen, wenn ein flüssiges Steuermedium benutzt wird, kann die Tatsache
als Vorteil ausgenutzt v/erden, daß ein laminarer Strahl eine beträchtlich höhere Druckrückgewinnung bzw. Druckausbeute
ergibt, da die Diffusion des Strahls weitaus geringer ist.
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Bisher wurde die Ablenkung eines Strahls entweder durch Geschwindigkeitswirkungen (Impulsaustausch) oder durch
Druckwirkungen herbeigeführt. Bei einer Impulsaustausch-Fluidvorrichtung wird der Impuls des Hauptstrahls durch
den Impuls des Steuerstrahls modifiziert, was zu einer abgelenkten
Stellung führt. Diese Art von Vorrichtung kann entweder digital oder proportional arbeiten. Wenn ein einziger
Empfänger für den Hauptstrahl benutzt wird und eine Lüftung erreicht wird, ergibt jede Ablenkung, die größer
als ein voller Durchmesser ist, einen Signalverlust am Empfänger, was zu einer digitalen Arbeitsweise führt.
Für gewöhnlich wird angenommen, daß die Ergebnisse des Auftreffens von zwei Strahlen mit Hilfe des Austausches
des Strahlimpulsflusses vorhergesagt werden kann. Diese Theorie wird in der Literatur vielfach erwähnt und wurde
bei Hochgeschwindigkeitsstrahlen erfolgreich eingesetzt.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch Impulsaustausch sich das
Verhalten«von aufeinander einwirkenden Flüssigkeitsstrahlen, mit niedrigen Reynoldszahlen nicht zufriedenstellend
festlegen läßt. Es wurde gefunden, daß, wenn der Senderstrahl bzw. Emitterstrahl im laminaren Bereich arbeitet,
der Strahl nicht nur von dem Steuerstrahl abgelenkt werden kann, wobei verglichen mit dem Senderstrahl relativ
hohe Mengenströme für den Steuerstrahl benutzt v/erden, sondern auch zu dem Steuerstrahl hin abgelenkt werden kann
bei Verwendung von, verglichen mit dem Senderstrahl, geringen SteuerStrahlmengenströmen. Dieses Phänomen wird erfindungsgemäß
nun zur Schaffung einer Fluidvorrichtung ausgenutzt, die inhärent einen hohen Verstärkungsgrad hat,
da zur Erzielung der gewünschten Verfahrensweise eine große Differenz in der Strömung des Steuerstrahls bezüglich
des EmitterStrahls bzw. SenderStrahls erforderlich
ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Fluidsteuervorrichtung zu schaffen, bei welcher
das Steuerfluid und das Senderfluid Flüssigkeiten sind, die bei laminaren Bedingungen arbeiten.
Die erfindungsgemäße Fluidvorrichtung soll so arbeiten, daß der Senderstrahl durch den Steuerstrahl nach innen
zu der Steuerdüse abgelenkt wird. Die Fluidvorrichtung soll eine relativ hohe Verstärkung und/oder Auffächerung
(fan-out), eine hohe Druckgewinnung und niedrige Leistungsanforderungen aufweisen. Schließlich soll die erfindungsgemäße
Fluidvorrichtung alle digitalen logischen Funktionen und eine proportionale Arbeitsweise ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen durch eine Senderdüse für die Koppelung mit einer Flüssigkeitszuführungsquelle,
wobei die Düse so arbeitet, daß ein kohärenter und laminarer Flüssigkeitssenderstrahl abgegeben
wird, durch eine Steuerdüse für die Abgabe eines flüssigen SteuerStrahls mit einer Reynoldszahl von weniger als 55o,
die so arbeitet, daß der Senderstrahl nach innen zu der
Steuerdüse abgelenkt wird, und durch Empfängereinrichtungen gelöst, die stromab von dem Sender für den Empfang des
Senderstrahls im Abstand angeordnet sind.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein mit einer Flüssigkeit arbeitendes strömungsmechanisches Steuerelement, welches mit
laminaren Flüssigkeitsstrahlen arbeitet. Das Element benutzt einen Flüssigkeitssteuerstrahl, der mit einer Reynoldszahl von
weniger als 55o arbeitet, der, wenn er auf den Senderstrahl gerichtet wird, diesen nach innen zu dem Steuerstrahl ablenkt,
was im Gegensatz zu den Wirkungen herkömmlicher Fluidvorrichtungen
steht. Da dieses Ablenkverfahren niedrige Steuerstrahl-Mengenströme erfordert, erhält man eine hohe
Verstärkung und/oder Auffächerung (fan-out). Die niedrigen
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Energieanforderungen machen die Erfindung für Logikschaltkreise
besonders geeignet, die aus den die Basis bildenden Oder-Nicht-Element bzw. NOR-Element gebaut werden können.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung
beispielsweise näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einer verallgemeinerten Schnittansicht eine mit einer Flüssigkeit arbeitende Fluidvorrichtung,
wobei die Ablenkung gemäß der Erfindung unter den geforderten Strömungsbedingungen gezeigt ist.
Fig. 2 zeigt in einer Echnittansicht eine Ausfuhrungsform
der Bauweise eines NOR-Logikelementes.
Fig. 3 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Senderstrahlablenkung, der Steuerstrahl-ReynoIdszahl und
der Senderstrahl-Reynoldszahl.
Fig. 4 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen dem Druckfaktor oder Verstärkungsgrad, der Steuerstrahl-Reynoldszahl
und der Senderstrahl-Reynoldszahl.
Das in Fig. 1 gezeigte Fluidelement 1 umfaßt eine Senderdüse 2, eine Steuerdüse 3 und einen Empfänger 4. In Betrieb
wird der Senderdüse 2 Flüssigkeit derart zugeführt, daß die Senderdüse einen laminaren und kohärenten bzw. zusammenhängenden
Strahl 5 abgibt. Bei fehlendem Steuerstrahl wird der Senderstrahl von dem Empfänger 4 empfangen. Wenn die
Steuerdüse 3 einen kohärenten laminaren Strahl 6 mit einer Reynoldszahl von weniger als 55o abgibt, wird der Senderstrahl
5 nach innen zu der Steuerdüse abgelenkt. Der Empfänger 4 ist derart angeordnet, daß der Senderstrahl,
wenn er durch den Steuerstrahl 6 abgelenkt wird, von dem Empfänger nicht empfangen wird.
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Um die gewünschte Ablenkungsweise zu erzielen, muß die
Reynoldszahl des Steuerstrahls geringer als etwa 55o sein,
da über etwa 55o Impulseffekte beherrschend werden und die Vorrichtung auf herkömmliche Weise arbeitet, nämlich mit
einer Ablenkung von dem Steuerstrahl weg. Fig. 3 zeigt typische Steuerungs- und Senderströmungen, die erforderlich
sind, um die gegebenen Ablenkungswinkel zu erreichen. Der Schwellenwert der Strömung ist die untere Grenze für die
Bewirkung der Ablenkung und führt zu den maximalen Ablenkungswinkeln. Vorzugsweise ist jedoch die Reynoldszahl des Steuerstrahls
größer als 5o, da unter diesem Wert Änderungen der Umgebungsbedingungen zu einer fehlerhaften Arbeitsweise
führen können. Es hat sich gezeigt, daß für einen zuverlässigen Betrieb, für niedrige Energieerfordernisse und
eine maximale Verstärkung und Auffächerung ein geeigneter Bereich für die Reynoldszahl des Steuerstrahis 5o bis 15o
beträgt, vor allem dann, wenn mit Reynoldszahlen für den
Senderstrahl zwischen 1oo und 18oo gearbeitet wird. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß Reynoldszahlen für den Steuerstrahl
von mehr als 15o ebenfalls zu einer zufriedenstellenden Arbeitsweise führen, wobei jeder Wert, der weniger als
etwa 55o beträgt, bei bestimmten Anwendungszwecken praktisch verwendbar ist.
Wie vorstehend ausgeführt wurde, ergeben Reynoldszahlen des Steuerstrahls, die größer sind als etwa 55o, die bekannte
Ablenkung der herkömmlichen Maßnahmen. Fig. 3 zeigt, daß ein vorgegebenes Fluidelement bzw. Strömungsmechanisches
Element auf herkömmliche Weise (negative Ablenkungswinkel in Fig. 3) sowie erfindungsgemäß arbeiten kann (positive
Ablenkung), was von den Strömungsbedingungen abhängt.
Erfindungsgemäß wird gefordert, daß die Senderdüse so arbeitet, daß ein laminarer und kohärenter bzw. zusammenhängender
Strahl abgegeben wird. Die Forderung des laminaren
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Senderstrahls kann durch eine Reynoldszahl von weniger als 2ooo erfüllt v/erden. P.ls besonders günstiger Bereich
für die Reynoldszahlen des Senderstrahls haben sich die
Werte von looo bis 18oo erwiesen. Die Beziehung dieses
Bereichs von Reynoldszahlen zu anderen Parametern ist in
Fig. 3 und 4 gezeigt.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die als ein NOR-Logikelement geeignet ist. Die mit Flüssigkeit
arbeitende Fluidvorrichtung umfaßt eine Senderdüse 21, die
mit Flüssigkeit über einen Einlaß 22 versorgt wird, Steuerdüsen 23 und 25 mit Einlassen 24 bzw. 26 sowie einen
Empfänger 27, der mit einem Auslaß 28 in Verbindung steht. Für die Aufnahme des aus der Senderdüse 21 austretenden
Senderstrahls ist, wenn der Strahl durch einen Steuerstrahl abgelenkt wird, der von einer der Steuerdüsen 23 und 24
austritt, eine zweite Empfängereinrichtung bzw. ein Ablaufschacht 29 vorgesehen, der mit dem Gehäuseelement 2o
ein Stück bildet.
Für den Optimalbetrieb auf digitale Weise sollte der Abstand von dem Senderaustritt bis zu der Zone der gegenseitigen
Einwirkung von Steuerung und Sender größer als 1,5 Senderdüsendurchmesser sein. Es hat sich gezeigt, daß, wenn
der Abstand weniger als 1,5 Durchmesser beträgt, ein Auftreffen des SteuerStrahls auf den Hauptstrom einen glatten
Übergang in dem Bereich des aufeinander Einwirkens herbeiführt, wo der Hautstrahl dazu neigen könnte, auch dann abgelenkt
zu bleiben, wenn die Steuerströmung unterbrochen
wird. Durch Vergrößern dieses Abstandes auf mehr als zwei Durchmesser wird kein weiterer Vorteil erreicht. Der einzige
Kachteil besteht darin, daß die Gesamtlänge der Vorrichtung zunimmt. Der bevorzugte Abstand zwischen dem
Emitterdüsenaustritt und der Wechselwirkungszone beträgt zwei Emitterdüsendurchmesser, wobei irgendwelche zusätzlichen
Steuerdüsen stromab davon im Abstand angeordnet und
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derart ausgerichtet sind, daß der Strom von zwei Steuerdüsen einander nicht neutralisiert.
Es ist nicht erforderlich, daß die Senderdüse für einen zufriedenstellenden Betrieb eine voll ausgebildete Strömung
hat. Deshalb sollte die Senderlänge so klein wie möglich sein und für ein entsprechendes Zielen des Strahlens passend
sein, um sowohl die erforderliche Energie als auch die Gesamtgröße der Vorrichtung auf ein Minimum zu reduzieren.
Der Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger ist nicht kritisch. Er muß nur ausreichend sein, um eine totale Ablenkung
des Senderstrahls von dem Empfänger zu ermöglichen, so daß die Vorrichtung auf die NOR-Weise arbeiten kann. Ein
Abstand von fünf Strahldurchmessern hat sich als ausreichend für die größte erzielbare Winkelablenkung erwiesen. Vorzugsweise
ist der Abstand so kurz wie möglich, um die Schaltzeit auf ein Minimum zu reduzieren.
Die Empfängerlänge sollte so kurz wie möglich sein und sollte schnell und glatt expandieren, um Druckverluste auf
ein Minimum zu reduzieren. Die tatsächliche Geometrie wird auf der Basis der Systemerfordernisse, verfügbarer Herstellungstechniken
usw. ausgewählt.
Auf der Basis von Versuchsdaten hat sich für die Ablenkung ergeben, daß sie bezüglich der Reynoldszahl eine hohe
Korrelation (9o %) hat. Fig. 3 zeigt diese Daten für Auslegungszwecke in günstiger Form.
Man erhält optimale Ergebnisse, wenn der Steuerstrahl den Senderstrahl in einem Winkel von annähernd 9o° schneidet.
Es hat sich gezeigt, daß die Vorrichtung in der gewünschten Weise., d. h. mit einer zur Steuerstrahlseite gerichteten
Ablenkung, arbeitet, wenn der Winkel zwischen den beiden Strahlen zwischen 45° bis im wesentlichen 9o° variiert.
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Bei Winkeln von weniger als 45 neigen die Strahlen dazu,
zusammenzuwirken und zu einem einzigen Strahl zusammenzuwachsen, der von der Steuerstrahlseite weg gerichtet ist,
ähnlich wie bei einer herkömmlichen Strahlablenkungsvorrichtung. Wenn der Winkel sich 9o nähert, wird zur Ausbildung
einer gleichen Ablenkung eine Steuerströmung erforderlich, die immer geringer wird.
Der Steuerungsaustritt sollte so nahe wie möglich an dem Hauptstrahl liegen, um die Anforderungen an die Steuerungsströmung auf ein Minimum zu reduzieren, weil die für eine
betriebssichere Wechselwirkung erforderliche Strömung umso größer ist, je weiter sie weg ist, jedoch weit genug entfernt
sein, um eine schnelle Rückkehr in den nicht abgelenkten Zustand zu ermöglichen. Es hat sich gezeigt, daß ein
Abstand von o,25 mm bis o,38 mm (o,o1o bis o,o15") von dem Strahl optimal ist und daß dieser Abstand im wesentlichen
konstant und unabhängig von der Größe des Strahls ist.
Die Sammeleinrichtung für den abgelenkten Strahl sollte so groß wie möglich sein, um zu verhindern, daß der
Empfänger untertaucht, was die Druckrückgewinnung verringern und eine unerwünschte Arbeitsweise herbeiführen
würde.
Ein schwacher optimaler Effekt wird erzielt, wenn die Durchmesser des Senders, der Steuerung und des Empfängers die
gleiche Größe haben. Dadurch und aufgrund offensichtlicher Fabrikationsvorteile bevorzugt man, daß die Düsendurchgangsdurchmesser
bei der ganzen Vorrichtung gleichförmig sind.
Es wurde weiterhin gefunden, daß Düsen mit quadratisch geformten Durchgängen genauso wie zylindrische Durchgänge
wirksam werden.
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Das mit Flüssigkeit arbeitende Fluidelement, wie es in
Fig. 2 gezeigt ist, ist so ausgelegt, daß es mit dem Senderstrahl arbeitet, der im wesentlichen vertikal nach unten
gerichtet ist. Bei einer Vorrichtung, die Wasser verwendet und einen Düsendurchgangsdurchmesser von o,51 mm (o,o2")
hat, erhält man eine zufriedenstellende Sammelwirkung und Steuerung, wenn die Ausrichtung innerhalb 15 zur Vertikalen
liegt. Kleinere Vorrichtungen, die mit höheren Geschwindigkeiten arbeiten, verhalten sich bei Abweichungen aus der
vertikalen Ausrichtung toleranter als größere Vorrichtungen.
Versuche haben gezeigt, daß die Vorrichtung relativ unempfindlich gegen Schwingung (Kochfrequenz, niedrige Amplitudenaus
lenkung) , jedoch gegen Stöße empfindlich ist (niedrige Frequenz, hohe Amplitudenauslenkung), vor allem
bei größeren Vorrichtungen, bei welchen die Masse des Fluids groß und die Geschwindigkeiten gering sind.
Da Flüssigkeiten im wesentlichen keine Kapazität und einen relativ hohen Widerstand und eine relativ hohe Induktivität
(Fluidträgheit) haben, ist die Impedanz verglichen mit mit Luft arbeitenden Fluidvorrichtungen relativ hoch, wodurch
die Forderung einer Impedanzanpassung auf ein Minimum reduziert ist.
Die primären Kriterien für die Auslegung einer digitalen Fluidvorrichtung, die mit einer Flüssigkeit arbeitet, sind
folgende: Erforderliche Energiezufuhr, Größe,. Schaltzeit und Druckrückgewinnung.
Die für das Arbeiten der Vorrichtung erforderliche Energie bzw. Leistung ist im wesentlichen eine Funktion des Arbeitsfluids
und umgekehrt proportional zur Größe. Die Energieforderung basiert auf dem Zuführungsdruck, der erforderlich
ist, um die Strömung mit der geeigneten Reynoldszahl
aufrechtzuerhalten, auf dem Volumenstrom und den internen
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Verlusten infolge der Geometrie der Vorrichtung einschließlich der Eintrittsverluste, Verengungsverluste,
Strömungsverluste usw.. Die erforderliche Energie bzw. Leistung ist eine Funktion der Reynoldszahl des Senderstrahls
in der dritten Potenz und umgekehrt proportional zum Durchmesser des Strahls.
Die Größe der Vorrichtung ist eine Funktion des Abstandes zwischen dem Sender und der Steuerdüse, der Länge des
Strahls zwischen dem Wechselv/irkungsbereich und dem Empfänger, der Düsenlängen und der Geometrie der Einlasse und der
Auslässe zu oder von den Düsen.
Die Schaltzeit ist eine Funktion der Geschwindigkeit des Senderstrahls und des Abstandes zwischen dem Wechselv/irkungsbereich
und dem Empfänger. Insbesondere erhält man kürzere Schaltzeiten bei höheren Senderstrahlgeschwindigkeiten
und kürzeren Abständen zum Empfänger. Abnehmende Senderstrahldurchmesser erhöhen die Strahlgeschwindigkeit
und verringern deshalb die Schaltzeit.
Der Druck in dem Empfänger ist proportional zum Quadrat des Verhältnisses zwischen der Reynoldszahl des Hauptstrahls
und dem Strahldurchmesser. Das Verhältnis zwischen dem Druck in dem Empfänger und dem Druck, der.zur Gewährleistung
der Steuerung erforderlich ist, ist ein ebenso bedeutender Gesichtspunkt, da dies eine Anzeige für die
Anzahl der Elemente, die von der Abgabe eines Elementes betätigt v/erden können, oder für die Auffächerung bzw.
Verzweigung der Vorrichtung ist.
Fig. 4 zeigt den Druckfaktor oder den Verstärkungsgrad (Empfängerdruck/ Steuerdruck) bezogen auf die Reynoldszahl
des Senderstrahls und des Steuerungsstrahls. Die angegebenen Werte basieren auf einer Durchgangslänge für die Senderdüse
und die Steuerdüse von zehn Düsendurchgangsdurchmessern.
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Niedrigere Energieanforderungen für eine äquivalente Reynoldszahl und eine niedrigere Störungsanfälligkeit infolge
von Verunreinigung können dadurch erreicht v/erden, daß die Größe der Strömungsdurchgänge erhöht werden. Dies
hat jedoch zur Folge, daß die Schaltgeschwindigkeit, die Gesamtgröße und die Druckrückgewinnung nachteilig beeinträchtigt
werden. Da es keine einzige Kombination gibt, welche eine Maximierung aller Parameter erlaubt, ist es
erforderlich, die Betriebscharakteristiken nach der Priorität zu ordnen und die Auslegung für den speziellen gewünschten
Verwendungszweck zu optimieren. Für eine Logikschaltungsoperation sind die Erfordernisse der Gesamtenergie, die
Schaltzeiten und die Auffächerung die Hauptgesichtspunkte wegen der potentiell großen Anzahl von Vorrichtungen, die
für ein einziges System erforderlich sind. Die Wahl des Fluids liegt im wesentlichen zwischen Wasser und Hydrauliköl.
Wenn Wasser gewählt wird, können kleine Vorrichtungen mit Energieerfordernissen gebaut v/erden, die annähernd um
zwei Größenordnungen geringer sind als bei herkömmlichen mit Luft arbeitenden Fluidvorrichtungen. Die maximal erreichbare
Schaltgeschwindigkeit beträgt jedoch annähernd 7 ms. Wenn eine höhere Geschwindigkeit wesentlich ist,
sollte Öl verwendet werden. Dadurch wird eine Energie erforderlich, die um eine Größenordnung größer ist als die
Anforderung bei Verwendung von mit Luft arbeitenden Vorrichtungen, was sich aufgrund der Notwendigkeit ergibt, daß
ein Versorgungsdruck mit einer Größenordnung mehr vorgesehen werden muß.
Im folgenden werden Beispiele für mit Flüssigkeit arbeitende Fluidvorrichtungen der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform
mit den Auslegungseinzelheiten erläutert.
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Für ein Logiksteuersystem, bei welchem das Arbeitsfluid
Wasser ist und für welches eine Schaltzeit von 8 ms für annehmbar angesehen wird, eignen sich folgende Auslegungsparameter:
Die Durchmesser der Düsendurchgänge von Sender , Steuerung und Empfänger haben o,51 mm
") . Die Länge des Sender- und Steuerungsdurchgangs
beträgt 5 mm (o,2o"). Der Senderstrahlablenkungswinkel
liegt bei 6°. Die Reynoldszahl des Senders (s. Figur 3) beträgt 167o, die Reynoldszahl des Steuerstrahls 95,
der Abstand zwischen dem Sender und der Steuerdüsenmittellinie
beträgt 1,o mm (o,o4n), der Abstand von der Steuerungsdüse zur Senderstrahlachse o,51 mm bis o,64 mm (o,o2o" bis
o,o25"), die freie Strahlenlänge von der Steuerdüse zum
ο "
Empfänger liegt bei 5 mm (o,o2 cot 6 = o,191 = 4,9 mm).
Die Auffächerung der Vorrichtung liegt bei etwa 18. Der Druckfaktor beträgt annähernd 15o. Das Leistungserfordernis
beträgt etwa 9 χ 1o W.
Bei dem folgenden Beispiel soll die hohe Geschwindigkeit das Hauptkriterium, die Leistungsanforderung das sekundäre
Kriterium sein. Für diese Erfordernisse wird als Arbeitsfluid
ein Hydrauliköl (MIL-H-56o6).gewählt. Geeignete Konstruktionsparameter sind: Ein Düsendurchgangsdurchmesser
von o,51mm(o,o2o"), eine Reynoldszahl für den Sender von 12oo, eine Reynoldszahl für die Steuerung von 2oo, ein Ablenkungswinkel
von 1o°, eine Durchgangslänge der Senderdüse von 5 mm (o,2o"), ein Abstand von der Steuerdüse zum
Empfänger von 2,5 mm (o,1o"). Die erzielbare Schaltgeschwindigkeit beträgt o,53 ms, der Druck in dem Empfänger beträgt
o, 14 kp/cm2 (1,9'
annähernd o,7 W.
annähernd o,7 W.
2
o,14 kp/cm (1,97 psi). Die Leistungsförderung liegt bei
o,14 kp/cm (1,97 psi). Die Leistungsförderung liegt bei
Zur Bestimmung der Zahl der Elemente, die von der Abgabe eines Elementes gesteuert werden können, werden Versuche
ausgeführt. Es werden zwei Geräte verwendet, die jeweils
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aus acht Elementen bestehen. Man findet, daß ein Element die übrigen fünfzehn steuern kann, was eine Auffächerungsfähigkeit
der Vorrichtung von wenigstens 15 anzeigt.
Es werden Logikschatkreise unter Verwendung von mit Flüssigkeit arbeitenden NOR-Fluidelementen der in Fig. 2 gezeigten
Bauweise gebaut mit einem NICHT-Modul, einem UND-einera
ODER-"und einem bistabilen Element sowie einem einstufigen binären Zähler. Durch Verwendung einer Flüssigkeit
als Arbeitsfluid können auf zweckmäßige Weise Zeitverzögerungen bei einer geeigneten Leitungslänge erhalten werden.
Um bei pneumatischen strömungsmechanischen Einrichtungen eine Verzögerung zu erzielen, wäre entweder eine Kapazität
oder ein Widerstand erforderlich, was wiederum die Impedanz ändern würde. Da die mit Flüssigkeit arbeitende Fluidvorrichtung
im wesentlichen impedanzunempfindlich ist, kann ein Widerstand in Form einer langen Leitung ohne schädliche
Effekte benutzt v/erden.
Die Fluidvorrichtung wird auch so ausgelegt, daß sie durch Rückkoppein bzw. Zurückführen der Abgabe des Empfängers
zur Steuerungsöffnung oszilliert. Es hat sich gezeigt, daß die Oszillationsperiode eine direkte Funktion der Senderstrahlströmung
ist, daß jedoch das "Zeit-ein/Zeit-aus"-Verhältnis proportional zur Fluidmenge ist, die von dem
Empfänger zur Steuerdüse rückgekoppelt bzw. zurückgeführt wird. Durch Messen dieser Menge kann die Strömung in dem
Empfänger von annähernd 2o bis 8o % der Senderströmung gesteuert
werden. Diese Wirkung kann für ein gesteuertes variables Sampling der Flüssigkeit benutzt werden.
Die Transportzeit zwischen dem Empfänger und der Steueröffnung ist ebenfalls eine Funktion der Kompressibilität
des Arbeitsfluids, weil dieser Parameter die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der Druckwelle beeinträchtigt. Dadurch kann
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die Vorrichtung für die Messung der Kompressibilität und des Elastizitätsmoduls für den Druck einer Flüssigkeit
benutzt v/erden, um beispielsweise den gelösten Gasgehalt zu bestimmen.
Die Vorrichtung kann auch für. Strömungsmessungen benutzt werden. Dabei werden Vorrichtungen mit Düsendurchgangsdurchmessern
von 3,18 mm (o,125") zusammengefügt mit einer Verbindungsleitung in einer Länge von 1,22 m. Die Strömung
wird gemessen durch Zählen der Oszillationsfrequenz.
Erfindungsgemäß wird auch eine Vorrichtung geschaffen,
die auf proportionale Weise arbeitet, da der Ablenkungswinkel eine Funktion der Steuerstrahlströmung ist, wie
dies in Fig. 3 gezeigt ist. Aus Fig. 1 ist-zu sehen, daß der Druck in dem Empfänger 4 ausgehend von einem
niedrigen Wert, wenn eine relativ geringe Steuerstrahlströmung zuaeführt wird, d. h. die Senderstrahlablenkung
groß ist, zu einem größeren Wert variiert, wenn die Steuerstrahlströmung erhöht wird und der Impuls
die Abnahme des Winkels der Senderstrahlablenkung verringert. Der Empfänger braucht nicht notwendigerweise koaxial
stromab von dem Sender angeordnet zu sein, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, sondern kann so angeordnet v/erden, daß
der Maximaldruck am Empfänger erhalten wird, wenn der Senderstrahl teilweise abgelenkt wird.
509837/0287
Claims (14)
- PATENTANSPRÜCHEJL/ Mit einem flüssigen Fluid betätigte Steuervorrichtung, gekennzeichnet durch eine Senderdüse (2) für den Anschluß an eine Flüssigkeitsversorgungsquelle, die so wirkt, daß sie einen kohärenten und laminaren flüssigen Senderstrahl (5) abgibt, durch eine Steuerdüse (3), die einen flüssigen Steuerstrahl (6) abgibt, dessen Reynoldszahl weniger als 55o beträgt, und so arbeitet, daß der Senderstrahl (5) nach innen zur Steuerdüse (3) hin abgelenkt wird, und durch Empfängereinrichtungen (4), die stromab von dem Sender (2) für die Aufnahme des Senderstrahls angeordnet sind.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrahl (6) eine Reynoldszahl zwischen
5o und 55o hat. - 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrahl (6) eine Reynoldszahl zwischen
5o und 15o hat. - 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Senderstrahl (5) eine Reynoldszahl von weniger als 2ooo hat.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Senderstrahl (5) eine Reynoldszahl zwischen
1ooo und 18oo hat. - 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängereinrichtung (4)koaxial stromab von der Senderdüse (2) für die
Aufnahme des nicht abgelenkten Senderstrahls angeordnet ist. 509837/0287 - 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch
zwei Steuerdüsen, welche ein NOR-Element bilden. - 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrahl (6)
den Senderstrahl (5) in einem Abstand, der größer
als das 1,5-fache des Senderdüsendurchmessers ist,
stromab von der Senderdüse (2) schneidet. - 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrahl (6) den Senderstrahl (5) in einem Winkel zwischen 45° und im wesentlichen 9o° schneidet.
- 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnitt- bzw. Auftreffwinkel im wesentlichen senkrecht ist.
- 11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Auslasses der Steuerdüse (3) von dem Senderstrahl o,25 rom bis o,38 mm (o,o1" bis o,o15") beträgt.
- 12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zusätzliche Empfängereinrichtungen für die Aufnahme des abgelenkten Senderstrahls.
- 13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Senderdüse (2), der Steuerdüse (3) und des Empfängereinlasses im wesentlichen gleich ist.
- 14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Senderstrahl (5) im wesentlichen vertikal nach unten gerichtet ist.509837/0287Leerseite
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Publication Number | Publication Date |
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JPS63168516U (de) * | 1987-04-20 | 1988-11-02 | ||
US5726404A (en) * | 1996-05-31 | 1998-03-10 | University Of Washington | Valveless liquid microswitch |
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- 1975-02-28 CA CA221,027A patent/CA1012889A/en not_active Expired
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FR2263405A1 (de) | 1975-10-03 |
FR2263405B1 (de) | 1977-04-15 |
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GB1463932A (en) | 1977-02-09 |
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