DE2919074A1

DE2919074A1 - Stroemungselement

Info

Publication number: DE2919074A1
Application number: DE19792919074
Authority: DE
Inventors: Peter John Roberts; Nicholas Syred
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1978-05-11
Filing date: 1979-05-11
Publication date: 1979-11-22
Also published as: JPS54147382A; IT7967924A0; FR2425569B1; DE2919074C2; JPS6223161B2; FR2425569A1; IT1118614B; US4249575A

Description

DR. B£RG DIPL. ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWABH DR. DR. SANDMAIR

PATENTANWÄLTE Postfach 860245-8000 München 86 29190/4

S trömungs element

Die Erfindung betrifft Strömungselemente (Einrichtungen für Fluidics),insbesondere Einrichtungen, in denen der Fluß eines gasförmigen oder tropfbaren Mediums (im folgenden nur noch als "Flüssigkeit" bezeichnet) durch die Erzeugung eines Wirbels in der Flüssigkeit, um einen höheren Fließwiderstand in einer Richtung als in der anderen zu bieten, gesteuert werden kann. Solche Einrichtungen werden Wirbeldioden genannt.

Eine herkömmliche Form einer Wirbeldiode weist eine flache zylindrische Kammer auf, die einen tangentialen Durchlaß in ihrer Mantel- oder ümfangswand und einen axialen Durchlaß in einer Endwand hat, wobei die Flüssigkeit durch diese Durchlässe in die Einrichtung eintritt oder sie verläßt. Es gibt zwei Betriebsarten. Wenn der Flüssigkeitsstrom durch den axialen Durchlaß eintritt und durch den tangentialen Durchlaß austritt, wird kein merklicher Wirbel gebildet und der Strömungswiderstand ist verhältnismäßig klein. Wenn jedoch der Strom durch den tangentialen Durchlaß eintritt und durch den axialen Durchlaß austritt wird in der Kammer ein Wirbel gebildet und der Strömungswiderstand ist verhältnismäßig groß. Diese beiden Be-

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• (019)9*8272 Telefnunme: Bankkonten: Hypo-Bank München 4410122850

9ΙΪ273 BERGSTAPFPATENT München (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM

981274 TELEX: Biyet Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270)

913310 0524560 BERG d Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

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triebsweisen werden nachfolgend "Niederwiderstand" bzw. "Hochwiderstand" genannt werden.

Gemäß der Erfindung weist eine Wirbeldiode eine zylindrische Kammer, wie sie nachfolgend beschrieben wird, mit einem vergrößerten ümfangskanal auf, mindestens einem tangentialen Durchlaß, der in den Ümfangskanal führt, der einen Durchmesser hat, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser des oder der tangentialen Durchlässe ist und zwei koaxial angeordnete axiale Durchlässe, die sich von entgegengesetzten Endwänden der Kammer erstrecken, wobei die Höhe der zylindrischen Wirbelkammer geringer als 0,75 mal dem Durchmesser jedes axialen Durchlasses ist. Solch eine zylindrische Wirbelkammer wird nachfolgend als flache zylindrische Wirbelkammer bezeichnet. Bei Benutzung der Wirbeldiode in der Hochwiderstand-Betriebsweise findet der Flüssigkeitsstrom aus der Kammer durch beide axiale Durchlässe statt.

Eine beliebige Anzahl tangentialer Einlasse kann vorgesehen sein. In einer bevorzugten Ausführungsform gibt es jedoch nur einen (solchen) Einlaß. Der vergrößerte Ümfangskanal kann mit der dünnen zylindrischen Wirbelkammer radial in bezug auf den Kanal in Verbindung stehen, aber vorzugsweise steht der Kanal mit

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der Kammer tangential in bezug auf den Kanal in Verbindung. Der tangential verbundene Kanal löst eine schwache Wirbelbewegung in der Flüssigkeit im Kanal aus und dies ermöglicht es, den Diffusorwinkel der Zuführung, die zum tangentialen Durchlaß führt, zu vergrößern und dementsprechend die Länge des Diffusorabschnitts dieser tangentialen Zuführung kürzer zu machen. Bei bekannten Wirbeldioden wurde der tangentiale Diffusorwinkel 7 groß gemacht, um den Fließwiderstand im Niederwiderstandszustand möglichst gering zu halten. Wenn der Kanal tangential verbunden ist, kann der Zerstreuerwinkel bis auf 10 vergrößert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung zweier Ausführungsformen von Wirbeldioden näher erläutert. Bezüglich der Offenbarung wird auf die Zeichnungen wegen deren großer Klarheit und Übersichtlichkeit besonders hingewiesen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Wirbeldiode,

Fig. 2 einen Schnitt an der Linie II-II in Figur und

Fig. 3 einen Schnitt einer zweiten Wirbeldiode.

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Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Wirbeldiode mit einer flachen zylindrischen Wirbelkammer 1, die einen vergrößerten Kanal 2 um den Umfang der Kammer 1 aufweist und damit verbunden ist. Ein einzelner tangentialer Durchlaß 3 mit einem Durchmesser, der gleich dem Durchmesser des Umfangkanals 2 ist, steht mit dem Kanal 2 in Verbindung. Zwei koaxial angeordnete axiale Durchlässe 4 erstrecken sich von der Mitte der Wirbelkammer. Die axialen Durchlässe gehen in die Wirbelkammer in glatten gekrümmten Oberflächen 5 über, die zu zylindrischen Abschnitten 6 der axialen Durchlässe 4 führen. An den Enden der zylindrischen Abschnitte 6 öffnen sich die axialen Durchlässe nach außen auf den Durchmesser der Fließkanäle 7, die damit in Verbindung stehen. Die zylindrischen Abschnitte 6 können durch kegelstumpfförmige Verjüngungsabschnitte (nicht gezeigt) ersetzt sein, deren größerer Durchmesser der Wirbelkammer 1 benachbart ist.

Bei der Niederwiderstandsbetriebsweise tritt der Strom in die Kammer 1 durch die axialen Durchlässe 4 ein und tritt durch den tangentialen Durchlaß 3 aus. Die Strömung zerstreut sich radial nach außen von den axialen Durchlässen 4 in der Wirbelkammer in einem im wesentlichen gleichförmigen Muster und tritt in den Kanal 2 um den Umfang der Kammer und fließt weiter in den tangentialen

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Durchlaß 3, der einen konischen Zerstreuer (diffuser) bildet, um die Druckkraft in der Niederwiderstandsbetriebsweise zurückzugewinnen. In dieser Betriebsweise

-kammer
wirkt die Wirbel/als ein radialer Diffusor auf den Strom,der durch die beiden axialen Durchlässe eintritt. Der tangentiale Durchlaß kann als Einsatz ausgebildet sein, der einen Schiebesitz im Hauptkörper der Diode hat und kann in seiner Lage eingeklebt oder eingekittet sein. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der tangentiale Durchlaß durch Bohren im Körper der Diode ausgebildet sein. Der Durchmesser des Kanals 2 ist im wesentlichen gleich dem Durchmesser des tangentialen Durchlasses 3 in seinem Übergangsbereich zur Wirbelkammer.

Um eine optimale Wirkung der Wirbeldiode in beiden, der Hochwiderstands- und der Niederwiderstandsbetriebsweise, zu erzielen, sollte der Geometrie der Diode und dem Verhältnis bestimmter Parameter besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Diese Parameter werden durch die folgenden Symbole, die auch in den Zeichnungen angegeben sind, bezeichnet.

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h - Höhe der Wirbelkammer 1

d - Gesamtdurchmesser der Kammer 1 ο

d. - Durchmesser der zylindrischen Abschnitte 6 der axialen Durchlässe 4

r. - Krümmungsradius an der Verbindung zwischen den axialen Durchlässen 4 und der Wirbelkammer

r - Krümmungsradius an· der Verbindung des zylindrischen Abschnitts 6 der axialen Durchlässe mit dem damit in Verbindung stehenden Strömungskanal 7

d. - Durchmesser des tangentialen Durchlasses 3 an seinem Übergangsbereich zum Umfangskanal

r. - Krümmungsradius an der Verbindung des oder jedes tangentialen Durchlasses 3 mit dem umfangskanal

d - Durchmesser des Umfangskanals 2.

Die Beziehung zwischen h und d_i ist vorzugsweise dergestalt, daß h/d. im Bereich zwischen 0,1 und 0,5 liegt und das Verhältnis d /ά. kann von 8 bis 20 reichen. Vorzugsweise ist h/d. ungefähr 0,3 und d /d. ist ungefähr 12, um einen maximalen Widerstand in der Hochwiderstandsbetriebsweise zu liefern.

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Um eine Strömungsablösung an der Verbindung der axialen Durchlässe und der Kammer zu vermeiden ist es erwünscht, daß r. größer als 0,3 d. sei und nicht größer als 3d.. Geeigneterweise kann r. 0,39 d. sein um eine Strömungsablösung an der Verbindung in der Niederwiderstandsbetriebsweise zu verhindern. Darüber hinaus sollte r

vorzugsweise im Bereich 0,3 d. bis 4 d. liegen.

Die Gesamtquerschnittsfläche A. der axialen Durchlässe (m · d. /4 ) und die Gesamtquerschnittsfläche A des oder die tangentialen Durchlässe ( η · ΊΙ · d^ /4 ) , wobei η die Anzahl der tangentialen Durchlässe ist, sollte dergestalt sein, daß A /A. im Bereich 0,5 bis 2,0 und sogar 2,2 liegt. Geeigneterweise kann das Verhältnis A /A. im Bereich 1,1 bis 1,7 liegen.

Druckverlust am tangentialen Durchlaß wird durch das Verhältnis zwischen r und d beeinflußt. Wenn das Verhältnis r,/d klein ist, kann ein beträchtlicher Druck-

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verlust festgestellt werden. Andererseits vermindert ein Anwachsen des Verhältnisses r./d den Druckverlust in der Niederwiderstandsbetriebsweise, aber beeinflußt die Wirkung in der Hochwiderstandsbetriebsweise ungünstig. Geeigneterweise kann das Verhältnis r /d im Bereich 0,5 bis 2 liegen und das Verhältnis sollte sich

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vorzugsweise dem Wert 1 nähern. Ein Verhältnis r /d im Bereich 0,9 bis 1,1 ergibt einen günstigen Kompromiß zwischen niedrigem Widerstand in der Niederwiderstandsbetriebsweise und einem hohen Widerstand in der Hochwiderstandsbetriebsweise. Die Länge jedes tangentialen Durchlasses ist vorzugsweise dergestalt, daß der Durchmesser an dessen von der Wirbelkammer entferntem Ende mindestens 2 d. ist.

Das Verhältnis der Höhe der Kammer 1 (h) zum Durchmesser des Kanals 2 (d ) ist vorzugsweise größer als 0,2, wenn

eine Zunahme des Strömungswiderstandes in der Niederwiderstandsbetriebsweise nicht auftreten soll.

Bei der in Figur 3 gezeigten Wirbeldiode steht die flache Wirbelkammer 1 in Verbindung mit einem ümfangskanal 2a tangential in bezug auf den Kanal. Dies veranlaßt die Flüssigkeitsströmung im Kanal,eine schwache Wirbelströmung aufzuweisen, die es ermöglicht, den tangentialen Diffusorwinkel größer zu machen und es können Winkel bis hinauf zu 10 benutzt werden. Auf diese Weise wird die Diffusor- ■ länge, die nötig ist um einen Durchmesser von 2 d zu erreichen, im Vergleich zu der der in Figur 1 und 2 gezeigten Diode vermindert, bei denen der Diffusorwinkel 7° beträgt.

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Der Rand 8_y der auftritt, wo die Wirbelkammer 1 tangential in den Kanal 2a übergeht, hat vorzugsweise einen Radius, der im Bereich 0,1 bis 0,2 des Kanaldurchmessers liegt.

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-AM-

Leerseite

Claims

DR. BbRG DI?'... ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWABH DR. DR. SANDMAIR

PATENTANWÄLTE
Postfach 860245-8000 München 86 29 1907 A

it. Hai 1979

Anwaltsakte 3O 054

UNITED KINGDOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY 11 Charles II Street
London SWlY 4QP

Strömungselement

Patentansprüche

Wirbeldiode, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zylindrische Wirbelkammer (1) mit einem vergrößerten Umfangskanal (2, 2a), mindestens einen tangentialen Durchlaß (3), der in den Umfangskanal (2, 2a) führt, der einen Durchmesser hat, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser des oder jedes tangentialen Durch-

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t (089) 988272 Telegramme: Bankkonten: Hypo-Bank München 4410122850

988273 BERGSTAPFPATENT München (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM

988274 TELEX: Bayer. Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270) 983310 0524560BERGd Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

lasses ist, und zwei koaxial angeordnete axiale Durchlässe (4), die sich von entgegengesetzten Endwänden der Kammer erstrecken, aufweist, wobei die Höhe der zylindrischen Wirbelkammer kleiner als 0,75 mal dem Durchmesser der axialen Durchlässe ist.
2. Wirbeldiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Umfangskanal (2) mit der Kammer (1) radial in Verbindung steht.
3. Wirbeldiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Umfangskanal (2a) mit der Kammer (1) tangential in bezug auf den Kanal (2a) in Verbindung steht, daß der tangentiale Diffusorwinkel 10 beträgt, und der Krümmungsradius der Kante (8), die entsteht, wo der Umfangskanal (2a) tangential in die Kammer (1) übergeht, im Bereich von 0,1 bis 0,2 mal dem Kanaldurchmesser liegt.
4. Wirbeldiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder axiale Durchlaß (4) einen zylindrischen Bereich (6) des Durchmessers d. aufweist und das Verhältnis der Höhe der Wirbelkammer h zum Durchmesser des zylindrischen Abschnittes jedes axialen Durchlasses

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(4) derart ist, daß h/d. im Bereich 0,1 bis 0,5 liegt.
5. Wirbeldiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis des Gesamtdurchmessers der Wirbelkammer (d ) und des Durchmessers des zylindrischen Bereiches jedes axialen Durchlasses (d.) dergestalt ist, daß d /d. im Bereich 8 bis 20 liegt und das Verhältnis des Krümmungsradius an der Verbindung zwischen den zylindrischen Bereichen der axialen Durchlässe (4) und der Wirbelkammer (1) (r.) und des Durchmessers der zylindrischen Abschnitte (6) (d.) derart ist, daß r./d. im Bereich 0,3 bis 3 liegt.
6. Wirbeldiode nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die zylindrischen Bereiche (6) der axialen Durchlässe (4) mit Strömungskanälen (7) in Verbindung stehen und das Verhältnis des Krümmungsradius an der Verbindung der zylindrischen Abschnitte und des Strömungskanals (r ) und der Durchmesser des zylindrischen Bereichs (d.) dergestalt ist, daß r /d. im Bereich von 0,3 bis 4 liegt.
7. Wirbeldiode nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Gesamtquerschnittsfläche des oder

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der tangentialen Durchlässe A, und die Gesamtquerschnittsfläche der axialen Durchlässe A. dergestalt ist, daß A /A. im Bereich von 0,5 bis 2,2 liegt.
8. Wirbeldiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der axialen Durchlässe zu den von der Wirbelkammer (1) entfernten Enden der Durchlässe hin fortschreitend abnimmt.
9. Wirbeldiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Krümmungsradius an der Verbindung des oder jedes tangentialen Durchlasses (3) mit dem Umfangskanal (r ) und der Durchmesser des tangentialen Durchlasses (3) im Bereich des Übergangs zum umfangskanal (d.) dergestalt ist, daß r./d. im Bereich 0,5 bis 2 liegt.
10. Wirbeldiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Höhe der Wirbelkammer (h) zum Durchmesser des Umfangskanals (d ) dergestalt ist, daß h/d

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größer als 0,2 ist-

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