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Mit gasförmigen Druckmitteln betriebener Vibrator, insbesondere für
Schallsender Die Erfindung betrifft einen mit gasförmigen Druckmitteln betriebenen
Vibrator, insbesondere für Schallsender, der aus einer schwingenden Membran besteht,
die einerseits eine Kammer abschließt, andererseits den Verschluß zwischen Ein-
und Auslaßkanal für das Druckmittel bildet und mit einer Ventilvorrichtung zwischen
dem Auslaßkanal und der Kammer versehen ist.
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Die bekannten Vorrichtungen dieser Art haben den Nachteil, daß bei
ihrem Betrieb die Verbindung zwischen Ein- und Auslaßkanal durch die schwingende
Membran allein nicht wirkungsgemäß genug verschlossen wird, so daß der Wirkungsgrad
solcher Vibratoren verhältnismäßig klein ist. Ferner ist es von Bedeutung, daß die
schwingende Membran bei diesem Öffnen und Schließen der Verbindung sich in Resonanz
mit der Druckmittelsäule im Ablaßkanal befindet.
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Der Vibrator gemäß der Erfindung wird diesen Erfordernissen vor allem
dadurch gerecht, daß die schwingende Membran einerseits aus einem schwingenden `'lembranring
besteht, dessen innerer Rand durch Anliegen an den Rand einer den Ein- und Auslaßkanal
trennenden Wand des Gehäuses den Einlaßkanal abschließt, andererseits aus einer
Membranscheibe, die in der Ruhelage des Vibrators durch Druck gegen den obengenannten
inneren Rand des Membranringes dessen abschließende Wirkung unterstützt, und daß
die vom Druckmittel hervorgerufene Schwingbewegung des inneren Randes des Membranringes
und
damit diejenige der dort anliegenden Membranscheibe den Weg des Druckmittels vom
Einlaßkanal zum Auslaßkanal und zur Kammer abwechselnd sperrt und öffnet. Vorzugsweise
ist der Membranring zwischen dem Gehäuse und einem dazugehörigen Deckel fest eingespannt,
der zusammen mit der Membranscheibe die Kammer einschließt, Der Deckel und das Gehäuse
können durch je einen Flansch miteinander befestigt werden, dessen äußerer und ,innerer
Anlegerand dergestalt ausgebildet ist, daß beim Zusammenziehen der Flansche der
zwischen den inneren Anlegerändern angebrachte Membranring auf seinem ganzen Umfang
einem axialen Druck und unter Umständen auch einer radial nach außen gerichteten
Zugkraft ausgesetzt ist. Der innere Rand des Gehäuses oder Deckels kann dabei mit
einer gegen den Membranring anliegenden Dichtung versehen sein. Ferner kann im Gehäuse
oder Deckel ein um den äußeren Umfang des eingespannten Ringes verlaufender Kanal
angeordnet sein, der mit der Außenluft in Verbindung steht. Der dem Ring zugekehrte
Rand des Ablaßkanals liegt etwas unterhalb der Einspannebene des Membranringes,
während die Scheibe mit kleinem Spiel eingepaßt in einer Nut des Gehäuses oder Deckels
aufliegt. Der Ring und die Scheibe sind geeigneterweise so ausgebildet und im Gehäuse
eingespannt, daß sie in der Ruhestellung des Vibrators mit dem Gehäuse einen ringförmigen
Raum umschließen, der einen dreieckigen Querschnitt besitzt. Die schwingende Membranscheibe
kann vorzugsweise mit einer kleinen Öffnung versehen sein, die die Kammer mit dem
Ablaßkanal verbindet, oder aber die Kammer selbst besitzt eine sie mit der Außenluft
verbindende Öffnung im Gehäusedeckel. Der im Querschnitt dreieckige, kreisförmige
Raum kann mittels einer oder mehrerer kleiner Öffnungen in der Scheibe mit der Kammer
verbunden sein. Bei einer anderen Ausführung ist diese Verbindung durch zwischen
dem Scheibenumfang und Gehäusedeckel verlaufende Nuten gegeben. Die Verwendung der
Erfindung beschränkt sich nicht auf Schallsender oder Signalapparate, sondern kann
überall dort erfolgen, wo es sich darum handelt, einen Druckmittelgleichstrom in
pulsierenden Gleichstrom umzuwandeln.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Hinweis auf
die beigefügten Zeichnungen im folgenden beschrieben.
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Fig. i zeigt einen Längsschnitt durch einen Vibrator gemäß der Erfindung
für einen Signalapparat; Fig. 2 und 3 zeigen einige Ausführungsformen für die Befestigung
der schwingenden Membran.
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Der Vibrator gemäß Fig. i besteht aus dem Gehäuse i und dem Deckel
2, die je mit einem Flansch 3 bzw. 4 versehen und mittels mehrerer über den Flanschumfang
verteilter Bolzen 5 verbunden sind. Der Einlaßkanal6 und der Ablaßkanal7 sind mit
Gewinden 8 bzw. g zum Anschluß eines Einlaßrohres für Druckluft bzw. Anschluß eines
Trichters oder Resonators 1o versehen, der einen Teil des Kanals 7 bildet. Der Einlaßkanal
6 geht in einen ringförmigen Raum i1 im Gehäuse i über, der das untere Ende des
Ablaßkanals ,^ umschließt. Die schwingende Membran besteht aus einer Scheibe 12
und einem Ring 13, die bei ihrer Befestigung im Gehäuse leicht verspannt werden.
Der Ring 13 hat einen etwas größeren äußeren Durchmesser als die Scheibe 12. Die
Flansche 3 und 4 haben je einen äußeren, 14 bzw. 15, und einen inneren, 16 bzw.
17, ringförmigen Anlegerand, deren äußere, 14 bzw. 15, beim Zusammenspannen der
Flansche gegeneinander anliegen, während die inneren, 16 bzw. 17, den Ring 13 festklemmen.
Zwischen den äußeren und den inneren Anlegerändern befindet sich entweder im Deckel
oder im Gehäuse ein Spalt 18, der beim Anziehen der Bolzen 5 ein leichtes Durchbiegen
eines Flansches zustandekommen läßt, wodurch der Ring 13 auf seinem ganzen Umfang
radial nach außen gerichteten Kräften ausgesetzt wird. Die Anlegeränder 14, 15 können
für diesen Zweck geeigneterweise so ausgebildet sein, daß sie bereits anliegen,
ehe die Anlegekanten 16, 17 den Ring 13 zwischen sich festklemmen bzw. auch so,
daß das Anlegen und Einspannen gleichzeitig geschieht. Die Anlegekante ig des Ablaßkanals
7 berührt den Ring 13 etwas unterhalb seiner Einspannebene im Gehäuse i bzw. Deckel
2, wodurch der Ring 13 mit seinem inneren Rand nach dem Einspannen gegen die Kante
ig drückt und eine gewisse Biegung erhält. Die obenerwähnten, radial nach außen
gerichteten Kräfte am Ringumfang erhöhen dabei den Anlegedruck. Wären diese Kräfte
dagegen radial nach innen gerichtete, so würden sie den Anlegedruck herabsetzen
und in gewissen Fällen durch mangelhafte Unterbrechung des Druckmittelstroms den
Vibrator ganz unbrauchbar machen. Die Einspannweise des Ringes 13 ist daher von
gewisser Bedeutung für die Funktion des Vibrators.
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Die Scheibe 12 ist mit kleinem Spiel in eine Auskehlung 2o des Deckels
2 eingepaßt, so daß die Scheibe 12 eine gewisse Beweglichkeit in ihrer eigenen Ebene
besitzt. Die Tiefe der Auskehlung 2o ist so bemessen, daß die Scheibe 12 mit Druck
sowohl am inneren kreisförmigen Randteil des Ringes 13 als auch am Boden der kreisförmigen
Auskehlung 2o anliegt. Die Scheibe 12 wird hierdurch etwas gebogen und vorgespannt.
Zwischen der Scheibe 12 und dem Ring 13 sowie der inneren Wand des Deckels 2 wird
auf diese Weise ein kreisförmiger Raum mit dreieckigem Querschnitt gebildet. Ebenso
wird zwischen dem Deckel 2 und der Scheibe 12 eine geschlossene Kammer 21 gebildet.
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Um den Zusammenbau des Deckels 2, der Scheibe 12 und des Ringes 13
mit dem Gehäuse i zu vereinfachen, werden die Scheibe 12 und der Ring 13 in die
entsprechenden Auskehlungen des Deckels 2 hineingelegt und dort von drei Kopfschrauben
22 in ihrer Lage gehalten, ohne fest eingespannt zu werden. Der Deckel mit Scheibe
und Ring kann dadurch leicht in seiner richtigen Lage gegenüber dem Gehäuse angebracht
und mit Bolzen 5 verschraubt werden.
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Die Kammer 21 kann ganz geschlossen sein; um jedoch die Bildung eines
zu großen, inneren Druckes in der Kammer zu verhindern, der die Ingangsetzung des
Vibrators erschwert oder gar unmöglich macht, ist die Kammer 21 mit einer sehr kleinen
Öffnung 24
versehen, die die Kammer mit der umgebenden Außenluft
verbindet und allmählich den Druck in der Kammer senkt. Diese Öffnung 24 befindet
sich in einem rohrförmigen Ansatz 25, der in die Kammer 21 hineinragt und außen
mit einer Bohrung 26 von verhältnismäßig großem Durchmesser versehen ist. Durch
diese Maßnahme wird die Öffnung 2.1 weitgehend gegen Verschmutzen gesichert. Anstatt
der Öffnung 2.1 kann man eine entsprechende Öffnung 27 in der Scheibe 12 anbringen,
die das Innere der Kammer mit dem Ablaßkanal 7 verbindet.
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Nach Fig. i wird der kreisförmige Raum zwischen der Scheibe 12 und
dem Ring 13 mit der Kammer 21 durch den schmalen Spalt zwischen Scheibenumfang und
innerer Deckelwand sowie durch eine oder mehrere Nuten 28 in der Auflagefläche der
Scheibe 12 verbunden. Die entsprechende Verbindung beider Räume kann aber auch durch
eine oder mehrere Öffnungen 29 in der Scheibe 12 gegeben sein.
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Die Fig. 2 stellt eine andere Befestigungsmaßnahme für die Scheibe
12 und den Ring 13 dar. Nach dieser ist der innere Anlegerand des Gehäuses i durch
eine Dichtung 3o ersetzt. Ein um den Umfang des Ringes 13 vorgesehener, kreisförmiger
Kanal 31 ist durch einen anderen Kanal 32 mit der Atmosphäre verbunden. Diese
Vorrichtung soll eine gute Abdichtung zwischen dem Gehäuse und dem Ring 13 bewirken,
und, falls dennoch Luft zwischen diesen Teilen hinaustritt, diese zur Atmosphäre
ableiten, um die Druckluft daran zu hindern, über den dreieckigen, kreisförmigen
Raum in die Kammer 21 zu strömen. In ähnlicher Weise kann eine Dichtung im Deckel
2 auf der entgegengesetzten Seite der Scheibe angebracht werden, jedoch darf nur
eine dieser Dichtungen vorkommen, da sonst der Ring 13 nicht die für seine Funktion
erforderliche Führung an der Einspannstelle besitzen würde.
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Die Fig. 3 zeigt eine dritte Befestigungsweise für den Ring 13, nach
der der Ring 13 zwischen den beiden Flanschen 3 und 4 hinausragt, deren Anlegeflächen
in diesem Fall eben sind. Bei dieser Anordnung wird der Ring 13 weder einer nach
außen noch einer nach innen gerichteten, radialen Kraft ausgesetzt, so daß der Anlegedruck
gegen den Rand des Ablaßkanals nicht von der Art und Weise des Einspannens abhängt.
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Die Wirkungsweise des Vibrators gemäß Fig. i ist folgende: Es wird
vorausgesetzt, daß die Scheibe 12 keine Öffnungen 27 und 29 besitzt. Ein über den
Einlaßkanal 6 in die Kammer ii einströmender Gleichstrom von Druckluft drückt den
Ring 13 und damit die Scheibe 12 nach unten, so daß die Luft auch in den Ablaßkanal
7 einströmen kann. Der dadurch hervorgerufene Überdruck im unteren Ende des Ablaßkanals
7 erhöht die Durchbiegung der Scheibe 12 so weit, bis sich diese vom Ring 13 abzuheben
beginnt, so daß die Luft auch in den kreisringförmigen Raum mit dreieckigem Querschnitt
und weiter über den Rand der Scheibe 12 und die Auskehlungen 28 in die Kammer 21
hineindringen kann. Durch die Drucksteigerung in der Kammer 21 und die inneren Spannungen
der Scheibe 12 und des Ringes 13 sowie die Wirkung des Ablaßkanals 7 werden die
Scheibe 12 und der Ring 13 wieder in umgekehrter Richtung bewegt und die Verbindung
zwischen dem Ein- und Ablaßkanal aufgehoben. Der in der Kammer 21 herrschende Druck
wirkt als Dichtungsdruck gegen die Scheibe 12, wenn die Druckwelle den inneren Teil
des Ablaßkanals passiert hat. Die durch den Ablaßkanal ausströmende Luft wird auf
Grund der Form und Länge des Kanals in Schwingung versetzt, und die am offenen Ende
des Ablaßkanals reflektierte Druckwelle wirkt auf das innere Ende des Ablaßkanals,
also auch auf die Scheibe 12 zurück, deren Auflagedruck am Ring 13 dadurch herabgesetzt
wird. Der im Raum ii auf den Ring 13 wirkende und gleichbleibende Druck drückt darauf
die Scheibe 12 und den Ring 13 wieder nach unten und eine neue eienge Luft strömt
über den Einlaßkanal zum Ablaßkanal und in die Kammer 21, wenn der Luftdruck in
ihr inzwischen gefallen oder der betrachtete Luftstoß kräftiger als der vorhergehende
ist, d. h. die Lautstärke ansteigt. Der so beschriebene Verlauf wiederholt sich'
ständig. Ein Teil der Luft strömt währenddessen durch die kleine Öffnung 24 aus
der Kammer 21 in die Atmosphäre hinaus. Es entweicht natürlich nur wenig Luft, und
solange der Vibrator in Gang ist, wird der Verlust durch neue, zwischen der Scheibe
12 und dem Ring 13 nachströmende Luft ersetzt. Falls die Öffnung 24 nicht vorhanden
wäre, würde die Kammer 21 auch bei nicht in Betrieb befindlichem Vibrator unter
Druck stehen, so daß bei dessen Inbetriebnahme die Druckluft in der kreisförmigen
Kammer ii die Scheibe 12 und den Ring 13 nicht abzuheben vermag. Im allgemeinen
wird jedoch trotz guter Dichtungsvorrichtungen der Druck in der Kammer 21 absinken.
Soll der Vibrator jedoch in kurzen Abständen betrieben werden, so kann dieses Entweichen
von Luft unzureichend sein, weshalb man vorteilhaft die Öffnung 24 im Deckel 2 anbringen
wird. Die Öffnung 24 kann auch durch die Öffnung 27 ersetzt werden. Ebenso kann
die Verbindung über die Auskehlung 28 und den Spalt zwischen Scheibe 12 und Deckel
2 durch die Öffnung 29 in der Scheibe 12 ersetzt werden.
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Aus dem Vorhergehenden erkennt man, daß es von Bedeutung ist, die
Luft vom Raum ii nicht über den ganzen Umfang des Ringes 13 in die Kammer 21 eindringen
zu lassen. Die Vorrichtungen gemäß Fig. 2 und 3 verhindern dieses mit Sicherheit.
Ein normales Nachdringen von Luft aus dem Raum ii zwischen der Scheibe 12 und dem
Ring 13 in die ringförmige Kammer kann dadurch weitgehend unterbunden werden, daß
der Ring 13 mit seinem Innenrand die Anlegekante ig des Ablaßkanals 7 um ein gewisses
Stück, vorzugsweise etwa i mm, überragt.
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Der Ablaßkanal7 hat erfindungsgemäß eine besondere Form, die mit der
Bauweise der schwingenden Membran in engem Zusammenhang steht. In Fig. i ist der
Ablaßkanal mit dem Gehäuse i aus einem Stück gearbeitet. Der innere, gegen die schwingende
Membran anliegende Teil des Ablaßkanals hat einen verhältnismäßig großen Durchmesser,
der allmäihlich bis zum schmalsten Querschnitt 33 des Ablaßkanals abnimmt. Der Ablaßkanal
ist etwa trichterförmig so ausgebildet, daß der effektive Querschnitt für den Luftstrom,
in Strömungsrichtung gesehen, allmählich
von Null bei der Auflegekante
i9 bis zu dem kleinsten Querschnitt 33 des Ablaßkanals 7 zunimmt. In gewissen Fällen
kann es jedoch vorteilhaft sein, den Strömungsquerschnitt im Anfang schneller und
dann weniger schnell wachsen zu lassen. Durch diese Ausbildung des unteren Teils
des Ablaßkanals erhält man eine große Druckfläche für die Luft und somit eine größere
Stoßwirkung auf die Scheibe 12.
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Der kreisringförmige Raum zwischen der Scheibe 12 und dem Ring 13
kann auch eine andere Querschnittsform als die dreieckige haben. Ebenso kann dieser
kreisförmige Raum auch in anderer Weise als durch die beschriebene Einspannung einer
flachen Scheibe 12 und eines flachen Ringes 13 gebildet werden. Beispielsweise kann
der Ring 13 flach eingespannt und von einer tellerartigen Scheibe 12 gegen den Rand
i9 des Ablaßkanals 7 angepreßt werden. Der Spalt 18 in Fig. i kann ferner als Sammelkanal
für etwaige am Ring 13 entweichende Luft dienen, die an den Bolzen 5 entlang oder
durch besondere Entlüftungsöffnungen fortgeleitet wird.