DE4021626A1 - Elektrofluidischer wandler zur ansteuerung eines fluidisch betaetigten stellglieds - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektrofluidischen Wandler zur Ansteuerung eines fluidisch betätigten Stellglieds nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Es ist schon ein solcher elektrofluidischer Wandler zur Ansteuerung eines mehrstufigen, elektrohydraulischen Servoventils nach der DE-OS 25 32 668 bekannt, der mit einer relativ hohen Dynamik arbei­ tet. Dieser Wandler ist nach dem an sich bekannten Prinzip einer Doppel-Düse mit zugehöriger Prallplatte aufgebaut, wobei die Prall­ platte von einem Torquemotor betätigt wird. Dabei liegen die beiden Düsen in einer hydraulischen Voll-Brückenschaltung. Dieser elektro­ fluidische Wandler baut relativ teuer und raumaufwendig; ferner ist die Dynamik bei diesem ersten Servoventil vor allem durch die Dyna­ mik des Wandlers begrenzt.

Ferner ist es aus der DE-OS 16 75 196 bekannt, bipolare Wandstrahl­ elemente im Zusammenhang mit Wirbelkammerelementen oder Vortexele­ menten zu verwenden, wobei diese Bauelemente alle fluidisch ange­ steuert werden. Die Wandstrahl- und die Vortexelemente werden hier zum Aufbau einer Zählerschaltung verwendet, wobei die Funktion eines elektrofluidischen Wandlers nicht auftritt.

Ferner ist aus der Zeitschrift Ölhydraulik und Pneumatik 13 (1969) Nr. 10, Seite 505, ein mehrstufiges Servoventil bekannt, das über eine fluidische Eingangsstufe strömungsmechanisch ansteuerbar ist, wobei die Eingangsstufe lediglich vereinfacht dargestellt ist. Ein elektrofluidischer Wandler ist hier nicht vorgesehen.

Weiterhin ist aus der DE-OS 16 75 399 ein bipolares Wandstrahlele­ ment bekannt, das elektrisch umschaltbar ist. Zu diesem Zweck sind im Bereich der Düse des Wandstrahlelements Elektrodenplatten ange­ ordnet, mit deren Hilfe der Fluidstrom umschaltbar ist. Ein elektro­ fluidischer Wandler selbst ist hier nicht beabsichtigt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße elektrofluidische Wandler zur Ansteuerung eines fluidisch betätigten Stellglieds mit den kennzeichenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß er relativ preis­ wert herstellbar ist und zudem ein besseres dynamisches Verhalten aufweist. Ferner läßt sich der elektrofluidische Wandler in sehr kleinen Baugrößen realisieren und läßt sich flexibel an unterschied­ liche Bedingungen anpassen und bei ihnen einsetzen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen elektrofluidischen Wandlers möglich. Der hochdynamische, platzsparende und kostengünstige Wandler läßt sich in hydraulischen Widerstandsschaltungen besonders vielseitig anwenden. Dabei läßt sich das Drosselelement weitgehend standardisieren. Das Drosselele­ ment weist eine für seine Herstellung günstige Bauform in Schicht­ bauweise auf, die unter Anwendung mikromechanischer Fertigungsmetho­ den, wie Silizium-Ätztechniken oder das LIGA-Verfahren günstig her­ stellbar ist. Fernerhin ist der Wandler direkt digital ansteuerbar, was zu einem relativ geringen Ansteueraufwand führt und seinen fle­ xiblen Einsatz erhöht. Dabei kann durch eine zeitlich versetzte An­ steuerung einzelner Grundelemente in dem Drosselelement ein weicher Übergang erzielt werden, so daß keine Schaltsprünge auftreten. Dar­ überhinaus läßt sich der elektrofluidische Wandler an unterschiedli­ che Anforderungen flexibel anpassen. So können zur Vergrößerung des Durchflusses mehrere Drosselelemente parallel zusammengeschaltet werden. Zudem ist durch die Parallelschaltung von Drosselelementen auch eine höhere Auflösung erreichbar, indem zum Beispiel mit einem 8-bit-Grundelement eine 16-bit- oder 32-bit-Funktion erzielbar ist. Fernerhin lassen sich derartige Drosselelemente auch in Reihe zuein­ ander schalten, um eine Vergrößerung des hydraulischen Widerstandes zu erreichen.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen des elektro­ fluidischen Wandlers ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 als Teil des elektrofluidischen Wandlers ein Drossel­ element in vereinfachter Darstellung,

Fig. 2 ein Grundelement aus dem Drosselelement nach Fig. 1 und

Fig. 3 ein zweistufiges elek­ trohydraulisches Servoventil mit dem elektrofluidischen Wandler nach Fig. 1 in vereinfachter Darstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Fig. 1 zeigt als Teil eines elektrofluidischen Wandlers 10 ein Drosselelement 11, bei dem in einer ebenen Scheibe 12 um einen zen­ tral liegenden Eingangskanal 13 sternförmig acht Grundelemente 14 angeordnet sind, die alle untereinander gleich ausgebildet sind.

Ein einzelnes dieser Grundelemente 14 ist in Fig. 2 in vergrößertem Maßstab näher dargestellt, woraus erkennbar ist, daß ein Grundele­ ment 14 aus einem an den Eingangskanal 13 angeschlossenen bipolaren Wandstrahlelement 15 und einem diesem nachgeschalteten Wirbelkammer­ element 16 besteht, das auch unter dem Namen Vortex-Drosselelement bekannt ist. Das bipolare Wandstrahlelement 15 weist einen düsenför­ migen Kanalabschnitt 17 auf, der in eine im wesentlichen kreisförmige Zwischenkammer 18 übergeht. An den gegenüberliegenden Wänden des düsenförmigen Kanalabschnitts 17 sind zwei Widerstände 19, 21 ange­ ordnet, welche einzeln über elektrische Steuerverbindungen 20 an­ steuerbar sind. Die Zwischenkammer 18 steht über einen fensterarti­ gen Öffnungsquerschnitt 22 mit einer kreisförmig ausgebildeten Wir­ belkammer 23 in Verbindung, wobei der Öffnungsquerschnitt 22 in der Zwischenkammer 18 von einem radial an die Wirbelkammer 23 herange­ führten ersten Wandabschnitt 24 sowie einem tangential an die Wir­ belkammer 23 herangeführten zweiten Wandabschnitt 25 begrenzt wird. Die Wirbelkammer 23, deren Durchmesser etwa doppelt so groß ist wie derjenige der Zwischenkammer 18, hat einen zentral liegenden Aus­ gangskanal 26. Eingangskanal 13 und Ausgangskanal 26 sind in nicht näher gezeichneter Weise in an die Scheibe 12 angrenzenden Schichten weitergeführt, wie dies an sich bei strömungsmechanischen Fluidele­ menten bekannt ist.

Wie die Fig. 1 näher zeigt, sind acht solche Grundelemente 14 nach Fig. 2 beim Drosselelement 11 sternförmig um den Eingangskanal 13 angeordnet, so daß zwischen den einzelnen Grundelementen 14 verhält­ nismäßig dünnwandige Materialstege 27 verbleiben. Das Drosselele­ ment 11 laßt sich bei dieser Ausbildung verhältnismäßig einfach mit mikromechanischen Fertigungsmethoden herstellen, wie dies zum Bei­ spiel mit Silizium-Ätztechniken oder durch das LIGA-Verfahren mög­ lich ist. Das Drosselelement 11 kann dabei in einer Schichtbauweise hergestellt werden, wobei eine Siliziumplatte als Trägermaterial verwendbar ist und die Widerstände 19, 21 sowie die zugehörigen An­ steuerleitungen bzw. die zugehörige Ansteuerelektronik in die ein­ zelnen Schichten integriert werden kann. Das eigentliche Drosselele­ ment 11 ist dabei von angrenzenden Schichten so abgedeckt, daß nach außen hin eine einzelne Öffnung zum Eingangskanal 13 sowie eine ein­ zelne Öffnung für den Ausgangskanal 26 gebildet wird. Zu diesem Zweck werden die Ausgangskanäle 26 aller Grundelemente 14 in einer Zwischenplatte in nicht näher gezeichneter Weise zusammengeführt.

Die Fig. 3 zeigt nun in vereinfachter Darstellung ein zweistufiges Servoventil 30, das als Hauptstufe ein übliches 4/3-Wegeventil 31 aufweist, welches elektrohydraulisch von einer ersten Stufe 32 vor­ gesteuert wird, die in einer hydraulischen Vollbrückenschaltung 33 mehrere nach Fig. 1 aufgebaute elektrofluidische Wandler 10 auf­ weist. Dabei liegen stromaufwärts der Brückendiagonale zwei Wand­ ler 34, die jeweils mehrere zueinander parallel geschaltete Drossel­ elemente 11 aufweisen, während in den beiden Brückenzweigen stromab­ wärts der Brückendiagonale jeweils ein Wandler 34 angeordnet ist, die ebenfalls aus drei, zueinander parallel geschalteten Drosselele­ menten 11 bestehen. Alle Brückenzweige sind somit gleich ausgebil­ det. Die vier in der Brückenschaltung 33 liegenden Wandler 34 sind direkt in digitaler Weise von einer Ansteuerelektronik 35 ansteuer­ bar, der von einem induktiven Wegaufnehmer 36 der Istwert der Lage des Steuerschiebers in der Hauptstufe 31 eingegeben wird und die zusätzlich mit einer Sollwerteingabe 36 in Verbindung steht.

Das 4/3-Wegeventil 31 wird von einer Pumpe 37 mit Druckmittel ver­ sorgt, das zusätzlich auch für die Brückenschaltung 33 zur Verfügung steht. An die Hauptstufe 31 ist ein doppelt wirkender Hydrozylin­ der 38 angeschlossen.

Die Wirkungsweise des elektrofluidischen Wandlers 10 wird wie folgt erläutert, wobei zuerst auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen wird.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Drosselelement 11 gelangt das zu­ strömende Fluid in den Eingangskanal 13, von wo es über die stern­ förmig angeordneten, acht Grundelemente 14 in deren jeweilige Aus­ gangskanäle 26 strömt und über einen nicht näher dargestellten Sam­ melkanal zu einer einzelnen Ausgangsöffnung 39 gelangt, wie sie zum Beispiel in Fig. 3 beim Wandler 10 erkennbar ist. Das Verhalten des Fluids in einem einzelnen Grundelement 14 ist am besten anhand von Fig. 2 erklärbar. Das Fluid strömt aus dem Eingangskanal 13 durch den Kanalabschnitt 17 des bipolaren Wandstrahlelements 15 hinein in die Zwischenkammer 18, um dann anschließend das Wirbelkammerelement 16 zu durchströmen. Der Volumenstrom durch den düsenförmigen Kanal­ abschnitt 17 haftet dabei aufgrund des Koanda-Effektes an einer der beiden Seitenwände der Zwischenkammer 18. Durch einen Druckimpuls im Bereich des Kanalabschnittes 17 kann dabei der Strahl von einer Wand auf die andere Wand umgeklappt werden. Abhängig davon fließt dann der Volumenstrom entweder zentral oder tangential in die Wirbelkam­ mer 23 hinein. Wird beispielsweise durch einen Stromfluß durch den zweiten Widerstand 21 der Volumenstrom 41 an die in Fig. 2 obere Wand geklappt, so daß er vorbei am zweiten Wandabschnitt 25 tangen­ tial in die Wirbelkammer 23 einströmt, so bildet sich dort ein Wir­ bel aus, welcher den Abfluß des Fluids über den Ausgangskanal 26 hemmt. Wird dagegen durch einen Stromfluß im ersten Widerstand 19 der Volumenstrom 42 in Fig. 2 an die untere Wand hin geklappt und strömt am ersten Wandabschnitt 24 vorbei zentral und radial in die Wirbelkammer 23, so bildet sich dort kein Wirbel aus und der Volu­ menstrom kann bei geringerem Drosselwiderstand über den Ausgangska­ nal 26 abfließen. Bei tangentialer Zuströmung kann daher ein größe­ rer Druckabfall zwischen dem Eingangskanal 13 und dem Ausgangskanal 26 auftreten als bei zentraler bzw. radialer Zuströmung, wobei bei hochviskosen Fluiden der Druckabfall etwa den vierfachen Wert er­ reichen kann. Zur Umschaltung der Volumenströme 41 bzw. 42 wird da­ bei der Effekt ausgenutzt, daß der durch Stromfluß erwärmte Wider­ stand 19 bzw. 21 das Fluid örtlich verdampft und an dieser Stelle somit einen Druckimpuls erzeugt, welcher den Volumenstrom umklappt.

Mit dieser thermoelektrischen Ansteuerung, wie sie an sich auch bei auf dem Markt befindlichen Tintenstrahldruckern bekannt ist, lassen sich trotz des thermischen Wirkungsprinzips sehr hohe Schaltfrequen­ zen, insbesondere einige kHz, erzeugen.

Die Wirkungsweise eines einzelnen Grundelements 14 nach Fig. 2 wird in dem Drosselelement nach Fig. 1 vervielfacht, indem acht derar­ tige Grundelemente wirksam werden können. Dabei lassen sich die ein­ zelnen Grundelemente von der zugehörigen Ansteuerelektronik 35 ein­ zeln oder in Gruppen und/oder auch zeitlich versetzt ansteuern, so daß neben einer direkten digitalen Ansteuerung eine weiche Steuerung ohne Schaltsprünge möglich ist.

Bei dem in Fig. 3 vereinfacht dargestellten Servoventil 30 werden mit Hilfe der Ansteuerelektronik 35 die einzelnen Wandler 34 ange­ steuert, wobei infolge sich ändernder Drosselwiderstände die Steuer­ drücke in der Brückendiagonale sich entsprechend ändern und damit der Steuerschieber der Hauptstufe ausgelenkt wird, dessen Lagesignal auf die Ansteuereinheit 35 zurückgeführt wird.

Während ein Wandler 10 mit einem einzigen Drosselelement 11 als di­ gitale 8-bit-Drossel funktioniert, sind stromab- und stromauf der Brückendiagonale in jedem der vier Wandler 34 drei Drosselelemente 11 parallel geschaltet, so daß ihnen eine 32-bit-Funktion zukommt.

Durch eine Parallelschaltung von Drosselelementen 11 läßt sich eine höhere Auflösung erreichen. Zudem läßt sich mit einer Parallelschal­ tung auch eine Vergrößerung des Durchflusses erzielen.

Mit den Wandlern 10 läßt sich eine Vorsteuerstufe aufbauen, die ein besonders gutes dynamisches Verhalten aufweist, wobei Schaltzeiten unter 200 Microsekunden denkbar sind. Trotz des guten dynamischen Verhaltens des elektrohydraulischen Wandlers ermöglicht er eine platzsparende Bauweise, wobei die Seitenlänge eines Drosselele­ ments 11 unter 10 mm betragen kann.

Selbstverständlich sind an der gezeigten Ausführungsform Änderungen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. Insbesondere ist der elektrofluidische Wandler auch für vergleichbare elektrohy­ draulische Stelleinrichtungen verwendbar. Bei Bedarf können die Brückenzweige auch mit ungleichen Wandlern aufgebaut werden.

Claims (12)

1. Elektrofluidischer Wandler zur Ansteuerung eines fluidisch betä­ tigten Stellglieds, insbesondere des Hauptsteuerschiebers eines Ser­ voventils, mit wenigstens einem in einer fluidischen Brückenschal­ tung angeordneten, verstellbaren Drosselmittel, dadurch gekennzeich­ net, daß die Drosselmittel mindestens ein Drosselelement (11) auf­ weisen, bei dem um einen zentralen Eingangskanal (13) herum stern­ förmig mehrere strömungsmechanische, untereinander gleichartige Grundelemente (14) angeordnet sind, wovon jedes Grundelement (14) aus einem an den Eingangskanal (13) angeschlossenenen bipolaren Wandstrahlelement (15) und einem letzteren nachgeschalteten Wirbel­ kammerelement (16) besteht und daß jedes Wandstrahlelement (15) thermoelektrisch ansteuerbar ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Grundelement (14) die beiden Ausgänge des bipolaren Wandstrahlele­ ments (15) von einer im wesentlichen kreisförmigen Zwischenkam­ mer (18) gebildet werden, deren Öffnungsquerschnitt (22) zur kreis­ förmigen Wirbelkammer (23) von Wandabschnitten (24, 25) der Zwi­ schenkammer (18) begrenzt werden, die radial und tangential an die Wirbelkammer (23) heranführen.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sternförmig angeordneten Grundelemente (14) in einer Ebene angeord­ net sind.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselelement (11) mit Hilfe von mikromechanischen Ferti­ gungsverfahren in Schichtbauweise aufgebaut ist.

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Drossel­ element (11) als Trägermaterial einen Halbleiter-Werkstoff, insbe­ sondere Silizium, verwendet.

6. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Grundelement (14) das bipolare Wand­ strahlelement (15) einen düsenförmigen Kanalabschnitt (17) aufweist, in dessem Bereich zur thermoelektrischen Steuerung dienende elektri­ sche Widerstände (19, 21) angeordnet sind.

7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Wider­ stände (19, 21) des Drosselelements (11) über eine Ansteuerschal­ tung (35) einzeln oder gruppenweise und/oder in einer zeitlich vor­ gegebenen Reihenfolge ansteuerbar sind.

8. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Drosselelemente (11) zueinander parallel geschaltet sind.

9. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Drosselelemente (11) zueinander in Reihe geschaltet sind.

10. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß in einem Drosselelement (11) mindestens acht oder ein Mehr­ faches dieser Zahl an Grundelementen (14) sternförmig um einen Ein­ gangskanal (13) angeordnet sind.

11. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, gekenn­ zeichnet durch seine Verwendung in einer als hydraulische Brücken­ schaltung (33) ausgebildeten Vorsteuerstufe (32) eines elektrohydraulischen Servoventils (30).

12. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß das Drosselelement (11) eine Seitenlänge von weniger als 10 mm aufweist.