EP4522872B1

EP4522872B1 - Hydraulischer schalter und bohrhammer

Info

Publication number: EP4522872B1
Application number: EP23727462.6A
Authority: EP
Inventors: genannt Fleutert Philipp Schroer; Simon HAHN; Volker Wittig
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2022-05-13
Filing date: 2023-05-11
Publication date: 2026-04-01
Anticipated expiration: 2043-05-11
Also published as: WO2023217950A1; DE102022204734A1; DE102022204734B4; EP4522872A1

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Schalter mit einer Scheidekammer, welche eine Einlassöffnung, eine erste Auslassöffnung und eine zweite Auslassöffnung aufweist, wobei die Einlassöffnung mit einem Einlasskanal verbunden ist und die erste und zweite Auslassöffnung mit jeweils einem Auslasskanal verbunden sind. Hydraulische Schalter dieser Art können für einen fluiden Antrieb eines oszillierenden Verbrauchers verwendet werden, was beispielsweise ein Kolben sein kann.
Aus der US 3,016,066 ist ein gattungsgemäßer hydraulischer Schalter bekannt. Dieser bekannte hydraulische Schalter weist eine Scheidekammer auf, welche eine Einlassöffnung besitzt. Der Einlassöffnung wird bei Betrieb des hydraulischen Schalters ein Antriebsfluid unter Druck zugeführt. Das Antriebsfluid verlässt die Scheidekammer durch eine der beiden gegenüberliegenden Auslassöffnungen. Hierzu wird der Coand-Effekt ausgenutzt, welcher das Antriebsfluid an einer Wand der Scheidekammer anhaften lässt. Durch einen über einen Rückkopplungskanal aufgebrachten Impuls kann das Antriebsfluid an die gegenüberliegende Begrenzungswand der Scheidekammer gelenkt werden, sodass dieses aus der gegenüberliegenden zweiten Auslassöffnung austritt. Dieser Schaltvorgang kann zyklisch wiederholt werden. Der bekannte hydraulische Schalter arbeitet somit als Oszillator, ohne dass er verschleißbehaftete mechanische Schaltelemente aufweist. Mit dem abwechselnd aus den Öffnungen austretenden Fluid können oszillierende Fluidmaschinen betrieben werden.
Dieser bekannte hydraulische Schalter weist jedoch verschiedene Unzulänglichkeiten auf. Beispielsweise startet die Oszillation nach Stillstand bzw. beim Anfahren des über die Einlassöffnung zugeführten Volumenstromes nur unzuverlässig. In einigen Fällen wurde festgestellt, dass der Oszillator nur instabil läuft, d. h. die Oszillation setzt nach einer gewissen Betriebsdauer aus, sodass das Antriebsfluid dauerhaft aus einer einzigen Auslassöffnung austritt. Schließlich weist der bekannte hydraulische Schalter einen hohen Druckverlust auf, was die Anwendungsmöglichkeiten beschränkt. DE 15 66 290 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Mundspülung mit einer Flüssigkeit.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen Schalter anzugeben, welcher nach Stillstand zuverlässig startet, stabil läuft, Frequenz maximiert und Druckverlust minimiert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen hydraulischen Schalter gemäß Anspruch 1 und einen kolbenbetriebenen Verbraucher, beispielsweise einen Bohrhammer nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein hydraulischer Schalter vorgeschlagen, welcher eine Scheidekammer aufweist. Die Scheidekammer weist an einer Seite eine Einlassöffnung auf. An der Einlassöffnung auf der gegenüberliegenden Seite der Scheidekammer befindet sich zumindest eine erste Auslassöffnung und zumindest eine zweite Auslassöffnung. Die Scheidekammer kann eine im Wesentlichen dreieckige Grundfläche aufweisen, sodass der Querschnitt von der Einlassöffnung zu den Auslassöffnungen zunimmt. Die Scheidekammer kann eine prismenförmige Grundform aufweisen, sodass die Begrenzungsflächen eben sind. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Scheidekammer einen konischen bzw. kegelförmigen Querschnitt aufweisen, d. h. die Begrenzungswände sind gekrümmt.
Bei Betrieb des hydraulischen Schalters wird der Scheidekammer über die Einlassöffnung ein beliebiges Fluid zugeführt, beispielsweise Wasser, ein Alkohol, ein Glykol oder ein Öl. Das Antriebsfluid kann der Scheidekammer mit einem beliebigen Durchfluss und leicht erhöhtem Druck zugeführt werden, um einen ausreichend schnellen Fluidstrahl am Einlass zu erzeugen. Aufgrund des Coand-Effekts legt sich das durch die Einlassöffnung zugeführte Antriebsfluid an einer Wandung der Scheidekammer an und verlässt die Scheidekammer durch die erste oder die zweite Auslassöffnung.
An jede Auslassöffnung schließt sich jeweils ein Auslasskanal an, dessen Querschnitt bzw. Querschnittsfläche von der Auslassöffnung ausgehend mit der Länge zunimmt. Die Zunahme der Querschnittsfläche kann beispielsweise linear oder quadratisch mit der Länge des ersten Längsabschnittes verlaufen. Die Auslasskanäle können auch einen polygonalen oder runden Querschnitt aufweisen, da hier der Coand-Effekt nicht zum Tragen kommt und daher keine geraden Oberflächen mehr voraussetzt. Der wie ein diffuser geformte Auslasskanal dient dazu die zuvor kinetisch umgesetzte Energie des einfließenden Strahls wieder in potentielle Energie umzuwandeln und zu verlangsamen. Dadurch wird der Druck wieder erhöht und kann so für den Betrieb des Verbrauchers genutzt werden.
Bei Betrieb des hydraulischen Schalters wird die in eine Auslassöffnung gelenkte Fluidsäule des Antriebsfluides mit einem Schaltpuls beaufschlagt, welcher dazu führt, dass sich der Strahl des Eingangsfluides an der gegenüberliegenden Wand der Scheidekammer anlegt und dadurch in die gegenüberliegende Auslassöffnung und den dieser Auslassöffnung zugeordneten Auslasskanal gelenkt wird. Sobald der betriebene Verbraucher seine Endstellung erreicht, wird die Wassersäule erneut mit einem Schaltpuls beaufschlagt, sodass dieser wieder über die gegenüberliegende Wand der Scheidekammer in die ursprüngliche Auslassöffnung gelenkt wird. Dieser Schaltvorgang erfolgt zyklisch und kann je nach gewählten Parametern eine beliebig einstellbare Frequenz generieren.
Zur Erzeugung des Schaltpulses steht erfindungsgemäß ein erster und zweiter Rückkopplungskanal zur Verfügung, deren Eingänge jeweils im unteren Längsabschnitt eines der Auslasskanäle liegen und deren Ausgänge an gegenüberliegenden Seiten des Einlasskanales münden. Gegenüber bekannten Schaltern, deren Rückkopplungskanäle weiter stromaufwärts in den Auslasskanälen beginnen, hat sich gezeigt, dass die tiefere Positionierung im unteren Längsabschnitt der Auslasskanäle dazu führt, dass der Schaltpuls stärker wird und ungeachtet der größeren Länge der Rückkopplungskanäle verlustärmer transportiert werden kann. Auf diese Weise sind die Schaltvorgänge des hydraulischen Schalters zuverlässiger, sodass der Lauf des Schalters stabiler wird und die Schaltwechsel seltener zum Erliegen kommen. Vergleichsversuche haben gezeigt, dass die Verlängerung der Rücckopplungskanäle und deren tieferer Ansatz im zweiten Längsabschnitt der Auslasskanäle die Schaltpulse um bis zu 30 % verstärken kann.
Ein mögliches Einsatzgebiet des beschriebenen hydraulischen Schalters kann beispielsweise ein an sich bekannter Überoder Untertagebohrhammer sein, welcher z.B. Untertage für Hartgestein Bohrungen im Bergbau, in der Geothermie oder in der Öl- und Gasexploration verwendet werden kann. Ein solcher Bohrhammer kann eine Kolben-/Zylinderpaarung aufweisen, bei welcher ein frei im Zylinder oszillierender Kolben eine Schlagenergie erzeugt, welche auf ein Bohrwerkzeug übertragen wird und der Gesteinszertrümmerung dient. Hierzu wird der Kolben abwechselnd von seiner Unterseite und seiner Oberseite mit einem Antriebsfluid beaufschlagt, sodass der Kolben zyklisch von einer unteren Endlage angehoben und sodann von der oberen Endlage ausgehend beschleunigt abwärts bewegt wird. Verbindet man einen oberen und einen unteren Anschluss des Zylinders jeweils mit einem der Auslasskanäle des hydraulischen Schalters, so sorgt dieser dafür, dass der Kolben zyklisch von oben und unten mit dem Antriebsfluid beaufschlagt wird und dadurch oszilliert. Der erfindungsgemäße hydraulische Schalter hat dabei gegenüber bekannten hydraulischen Schaltern den Vorteil eines stabilen und zuverlässigen Laufs und eines zuverlässigen Anlaufens des Kolbens bzw. des angedockten Verbrauchers. Gegenüber bekannten mechanischen Schaltelementen weist der erfindungsgemäße hydraulische Schalter den Vorteil eines verschleißarmen Betriebs ohne bewegliche Teile auf. Hierdurch können auch Antriebsfluide verwendet werden, welche aufgrund dispergierter Partikel abrasiv wirken, beispielsweise Schmutzwasser oder Spülflüssigkeiten.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann in der Wandung der Scheidekammer zumindest eine Abrisskante angeordnet sein, deren Abstand von der Einlassöffnung die Wirkweise des Coand-Effekts beeinflusst. In dem erfindungsgemäßen hydraulischen Schalter liegt diese zwischen etwa 40 % und etwa 60 % der Länge der Scheidekammer. Auf diese Weise ist die Abrisskante weiter stromaufwärts angeordnet als bei bekannten hydraulischen Schaltelementen. Dieses Merkmal hat die Wirkung, dass der Coand-Effekt des einfließenden Strahls stabilisiert wird, sodass dieser stärker an die Innenwand der Scheidekammer gezogen wird. Hierdurch wird die Strömung stabilisiert, sodass der hydraulische Schalter zuverlässiger betrieben werden kann und die Oszillation nicht unvermittelt abbricht. Die Höhe der Abrisskante über der Wand der Scheidekammer bestimmt dabei den sich einstellenden Unterdruck.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der hydraulische Schalter weiterhin zumindest einen ersten Abflusskanal und einen zweiten Abflusskanal enthalten, wobei der erste Abflusskanal im oberen Längsabschnitt und oberhalb des Rückkopplungskanals des ersten Auslasskanals ansetzt und der zweite Abflusskanal im oberen Längsabschnitt und oberhalb des Rückkopplungskanals des zweiten Auslasskanals ansetzt. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass in diesem Fall der Abflusskanal und der Auslasskanal einen möglichst spitzen einschließen. Dieser kann zwischen etwa 25° und etwa 50° betragen. Die Abflusskanäle haben die Aufgabe, das bei der Gegenbewegung des Verbrauchers ausgestoßene Antriebsfluid abzuführen, ohne die aus der Scheidekammer austretende Strömung zu beeinflussen. Durch die im Vergleich zu bekannten hydraulischen Schaltern steilere Anordnung der Auslasskanäle wird der Vorteil erreicht, dass das aus der Scheidekammer austretende Antriebsfluid zuverlässig dem Auslasskanal in seiner gesamten Länge folgt und nicht durch den Coand-Effekt in den Abflusskanal umgelenkt wird. Somit trägt die erfindungsgemäße Geometrie der Auslasskanäle dazu bei, dass der hydraulische Schalter zuverlässig arbeitet.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Querschnitt der Abflusskanäle zwischen etwa 5 mm² und etwa 80 mm² betragen. Durch die Wahl des Querschnitts der Abflusskanäle kann der konservierte Druck, d. h. das Verhältnis des Ausgangsdruckes am Ende der Auslasskanäle im Verhältnis zum Eingangsdruck im Einlasskanal in weiten Grenzen beeinflusst werden, sodass der hydraulische Schalter an die Erfordernisse eines nachgeordneten, hydraulisch angetriebenen Gerätes angepasst werden kann. Die Querschnittsfläche des Auslasses bestimmt den Gegendruck bei der Befüllung der Kolbenkammern. Die Öffnungen können in einigen Ausführungen auch unterschiedliche Querschnittsflächen haben, falls der Verbraucher asymmetrische Druckverluste ausweist, beispielsweise durch unterschiedlich lange Verbindungskanäle.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann am Eingang des ersten und/oder zweiten Rückkopplungskanals ein Eingangsfilter angeordnet sein. Ein solcher Eingangsfilter verhindert, dass der Rückkopplungskanal verstopft, beispielsweise durch dispergierte Partikel, wenn Schmutzwasser als Antriebsfluid verwendet wird. Dieses Merkmal kann somit die Zuverlässigkeit des hydraulischen Schalters erhöhen.
Erfindungsgemäß weist der hydraulische Schalter eine Basisplatte und eine Deckplatte auf, wobei zwischen der Basisplatte und der Deckplatte eine Mehrzahl von Passelementen beabstandet eingebracht sind, sodass diese Abstände zwischen den Passelementen zumindest die Scheidekammer, den Einlasskanal, den ersten und zweiten Auslasskanal, den ersten und zweiten Rückkopplungskanal und mindestens zwei Abflusskanäle bilden. Ein solcher Aufbau des hydraulischen Schalters weist den Vorteil auf, dass die Passelemente separat gefertigt werden können. Dies erhöht die Designvielfalt des hydraulischen Schalters, sodass die Geometrie des Schalters, welcher seine Leistungsfähigkeit beeinflusst, in weiten Grenzen eingestellt werden kann. Darüber hinaus sind die inneren Flächen des hydraulischen Schalters während des Fertigungsverfahrens vor der Endmontage für einen Beschichtungs- bzw. Härtungsprozess zugänglich, sodass die Innenfläche der Scheidekammer, des Einlasskanals, der ersten und zweiten Auslasskanäle, der ersten und zweiten Rückkopplungskanäle und/oder der optionalen Abflusskanäle zumindest teilweise gehärtet und/oder mit einer Verschleißschutzschicht beschichtet werden können.
Eine Verschleißschutzschicht kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff mit oder ohne Metalldotierung aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Verschleißschutzschicht ein Carbid oder ein Nitrid, beispielsweise Titannitrid und/oder Hartchrom und/oder Siliziumnitrid enthalten oder daraus bestehen. Die Verschleißschutzschicht kann in an sich bekannter Weise durch Plasmaspritzen, Flammspritzen, thermisches Verdampfen, Magnetronsputtern oder andere, an sich bekannte Dünnschichtverfahren aufgebracht werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Scheidekammer zwischen der ersten Auslassöffnung und der zweiten Auslassöffnung konvex geformt sein. Gegenüber bekannten Ausführungsformen eines hydraulischen Schalters, bei welchem die Scheidekammer zwischen den Auslassöffnungen konkav geformt ist, ergibt sich durch die erfindungsgemäße Geometrie ein stabilerer Lauf und ein geringerer Druckverlust am Ende der Auslasskanäle.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Abstand der Basisplatte und der Deckplatte und damit die Tiefe der Kanäle zwischen variiert werden. Die Dicke der Passelemente beeinflusst unmittelbar den Querschnitt des hydraulischen Schalters, sodass der Zusammenhang zwischen Druck und Volumen in weiten Grenzen an die Erfordernisse des mit dem hydraulischen Schalter betriebenen Gerätes angepasst werden kann. Der sich einstellende Druck über dem hydraulischen Schalter verringert sich mit zunehmender Kanaltiefe.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Einlasskanal eine Breite von etwa 2,05 mm aufweisen. Hierdurch kann der Druckverlust im Einlasskanal in weiten Grenzen eingestellt werden. Dieses Maß bestimmt außerdem die Geschwindigkeit des einfließenden Strahls und damit auch die Stabilität des hydraulischen Schalters.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt

Figur 1a: einen hydraulischen Schalter gemäß einer nicht erfindungsgemäßen ersten Ausführungsform mit entfernter Deckelplatte.
Figur 1b: zeigt den hydraulischen Schalter gemäß der ersten Ausführungsform im Schnitt.
Figur 2: zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Eingangs eines Rückkopplungskanals.
Figur 3a: zeigt einen hydraulischen Schalter gemäß einer erfindungsgemäßenzweiten Ausführungsform mit entfernter Deckelplatte.
Figur 3b: zeigt den hydraulischen Schalter gemäß der zweiten Ausführungsform im Schnitt.
Figur 3c: zeigt Einzelteile des hydraulischen Schalters gemäß der zweiten Ausführungsform.
Figur 4: zeigt das Verhältnis von Volumenstrom und Eingangsdruck für verschiedene Einlasskanalbreiten.
Figur 5: zeigt den Druck gegen den Volumenstrom in Abhängigkeit der Einfrästiefe bzw. des Abstandes der Basisplatte und der Deckplatte.
Figur 6: zeigt das Druckverhältnis eines Arbeitsfluides zwischen dem Einlasskanal und dem Ausgang des hydraulischen Schalters.
Figur 7: zeigt den Einfluss der Position der Abrisskante auf die Schaltfrequenz in Abhängigkeit des Eingangsdruckes.

Anhand der Figur 1 wird eine nicht erfindungsgemäße erste Ausführungsform eines hydraulischen Schalters näher erläutert. Der hydraulische Schalter 1 besteht aus einem Materialstück 15, welches mit Ausfräsungen versehen ist. Das Materialstück 15 weist eine plane Vorderseite auf, welche mit einer Deckplatte 11 verschlossen werden kann, nachdem die Scheidekammer und die weiteren Bestandteile des hydraulischen Schalters durch Fräsen von Ausnehmungen in den Materialblock 15 hergestellt wurden.
Selbstverständlich kann der hydraulische Schalter 1 nicht nur durch Fräsen hergestellt werden, sondern auch durch ein generatives Herstellungsverfahren, insbesondere schichtweises Aufbringen und nachfolgendes Aufschmelzen eines metallischen Pulvers. In anderen nicht erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann der hydraulische Schalter mittels eines Gussverfahrens zumindest in der Rohform hergestellt werden, welche nachfolgend durch optionales spanendes Bearbeiten nachbearbeitet werden kann.
Zwischen dem Materialblock 15 und der Decklage 11 kann eine optionale Dichtung eingebracht werden, um Flüssigkeitsaustritt aus dem zwischen Materialblock 15 und Decklage 11 ausgebildeten Spalt zu verhindern.
Die Decklage 11 kann durch nicht dargestellte Schrauben am Materialblock 15 befestigt werden. In anderen Ausführungsformen kann die Decklage 11 auch durch Kleben oder Schweißen verbunden werden, wodurch sich gleichzeitig eine Abdichtung ergeben kann. In wiederum anderen Ausführungsformen kann die Decklage 11 auch durch ein oder mehrere Klemmelemente verbunden werden. Der hydraulische Schalter 1 weist eine Scheidekammer 2 auf, welche eine in Figur 1a oben dargestellte Einlassöffnung aufweist sowie gegenüberliegend zumindest eine erste Auslassöffnung 21 und eine zweite Auslassöffnung 22. Die Einlassöffnung der Scheidekammer 2 ist mit einem Einlasskanal 4 verbunden. Der Einlasskanal 4 weist an seinem der Einlassöffnung der Scheidekammer 2 gegenüberliegenden Ende ein Anschlussstück 40 auf, welches beispielsweise mit einem Schraubgewinde versehen sein kann. Bei Betrieb des hydraulischen Schalters kann das Anschlussstück 40 mit einer Schlauchleitung verbunden werden, durch welche ein Antriebsfluid zugeführt werden kann. Das Antriebsfluid kann beispielsweise Wasser oder ein Öl oder ein Glykol oder einen Alkohol enthalten oder daraus bestehen. Im Antriebsfluid können abrasive Partikel dispergiert sein.
Das der Scheidekammer über den Einlasskanal 4 zugeführte Antriebsfluid legt sich aufgrund des Coand-Effektes an eine Wand 20 der Scheidekammer 2 an und gelangt dadurch in die erste oder die zweite Auslassöffnung 21 oder 22.
An den Auslassöffnungen beginnt jeweils ein Auslasskanal 51 und 52. Jeder Auslasskanal weist einen ersten Längsabschnitt 511 und 521 auf. Im ersten Längsabschnitt 511 des ersten Auslasskanales 51 nimmt der Querschnitt bzw. die Querschnittsfläche des Auslasskanals von der ersten Auslassöffnung 21 der Scheidekammer 2 ausgehend mit der Länge zu. In gleicher Weise nimmt der Querschnitt des zweiten Auslasskanals 52 in dessen ersten Längsabschnitt 521 von der zweiten Auslassöffnung 22 der Scheidekammer 2 ausgehend zu. Die Zunahme des Querschnittes kann beispielsweise linear oder quadratisch erfolgen. An den ersten Längsabschnitt 511 und 521 schließt sich ein zweiter Längsabschnitt 512 und 522 an, in welchem der jeweilige Auslasskanal eine konstante oder nahezu konstante Querschnittsfläche aufweist. Am Ende des zweiten Längsabschnittes 512 bzw. 522 der Auslasskanäle 51 und 52 befindet sich jeweils eine Auslassöffnung 61 und 62. Bei Betrieb des Schalters tritt das Antriebsfluid alternierend aus den Auslassöffnungen 61 und 62 aus und kann einem Werkzeug zugeführt werden, beispielsweise einem Bohrhammer.
Der Querschnitt der Auslasskanäle kann polygonal oder rund sein. Sofern die Scheidekammer, der Einlasskanal und die Auslasskanäle durch Fräsen des Materialblocks 15 erzeugt werden, bietet sich insbesondere ein quadratischer oder rechteckiger Querschnitt an, welcher durch die Einfrästiefe und die Fräsbreite leicht kontrollierbar ist und an unterschiedliche Anwendungsfälle des hydraulischen Schalters anpassbar ist.
Im unteren Längsabschnitt des ersten Auslasskanals befindet sich der Eingang 311 eines ersten Rückkopplungskanals 31. Das Ende 312 des ersten Rückkopplungskanals 31 befindet sich in der Scheidekammer 2. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Ende 312 des ersten Rückkopplungskanals 31 am Ende des Einlasskanals 4 angeordnet. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Ende 312 auch weiter stromabwärts innerhalb der Scheidekammer 2 angeordnet sein, beispielsweise in einem Bereich zwischen etwa 5 % und etwa 20 % der in Fließrichtung gemessenen Länge der Scheidekammer 2.
In gleicher Weise befindet sich gegenüberliegend im zweiten Längsabschnitt 522 des zweiten Auslasskanals 52 der Eingang 321 eines zweiten Rückkopplungskanals 32. Das Ende 322 des zweiten Rückkopplungskanals 32 befindet sich ebenfalls in der Scheidekammer 2 gegenüberliegend zum Ende 312 des ersten Rückkopplungskanals 31.
Bei Betrieb des hydraulischen Schalters wird ein durch Erreichen der Endposition des Verbrauchers entstehender Druckschwankung im Auslasskanal als Schaltpuls in den jeweiligen Rückkopplungskanal 31 oder 32 eingeleitet und wirkt an dessen Ende 312 bzw. 322 auf den über den Einlasskanal 4 eingekoppelten Fluidstrahl ein, sodass dieser sich von der Wandung 20 der Scheidekammer 2 ablöst und in die gegenüberliegende Auslassöffnung geführt wird. Sodann entsteht im Auslasskanal erneut eine Druckspitze, welche als Schaltpuls über den jeweiligen Rückkopplungskanal 31 bzw. 32 in die Scheidekammer 2 geführt wird, sodass das Antriebsfluid erneut in die ursprüngliche Auslassöffnung geleitet wird. Auf diese Weise entsteht ohne die Verwendung beweglicher Teile eine stabile Oszillation des zugeführten Antriebsfluides, welches alternierend durch die Auslassöffnungen 61 und 62 austritt. Das Antriebsfluid kann somit zum Betrieb eines oder mehrerer hydraulischer Geräte verwendet werden und den oszillierenden Kolben beispielsweise eines Bohrhammers antreiben. In diesem Fall ist die erste Auslassöffnung 61 beispielsweise mit dem unteren Ende des Zylinders verbunden und die zweite Auslassöffnung 62 wird mit dem oberen Ende des Zylinders verbunden, sodass der im Zylinder befindliche Kolben abwechselnd von oben und unten mit dem Antriebsfluid beaufschlagt wird und hierdurch oszilliert und eine Schlagenergie auf ein mit dem Bohrhammer verbundenes Bohrwerkzeug ausübt.
Im beschriebenen Anwendungsfall erreicht das vom Bohrhammer bei der jeweiligen Gegenbewegung ausgestoßene Antriebsfluid über die jeweiligen Auslassöffnungen 61 bzw. 62 in einer Rückströmung die ersten und zweiten Auslasskanäle 51 und 52. Um eine Störung der aus dem hydraulischen Schalter austretenden Strömung des Antriebsfluides zu verhindern und die gegenüberliegende gefüllte Kammer zu leeren, befindet sich in jedem Auslasskanal ein zugehöriger Abflusskanal 71 und 72, welcher das aus dem Kolben ausgestoßene Antriebsfluid abführt. Hierzu kann der erste Abflusskanal 71 im ersten Längsabschnitt 511 des ersten Auslasskanals 51 ansetzen. Der zweite Abflusskanal 72 kann im ersten Längsabschnitt 522 des zweiten Auslasskanals 52 ansetzen, wobei der jeweilige Abflusskanal 71 und 72 und der erste Längsabschnitt 511 bzw. 521 des jeweiligen Auslasskanals 51 bzw. 52 einen Winkel zwischen etwa 25° und etwa 50° einschließt. Diese, im Vergleich zum Stand der Technik steilere Anordnung der Abflusskanäle verhindert, dass das Antriebsfluid von der jeweiligen Auslassöffnung 21 bzw. 22 unmittelbar in die Abflusskanäle 71 bzw. 72 abgeführt wird, ohne die Auslassöffnungen 61 bzw. 62 zu erreichen und erleichtert gleichzeitig das Ausströmen des verbrauchten Fluids während der Gegenbewegung.
Die Einfrästiefe innerhalb des Materialblocks 15 kann in einigen nicht erfindungsgemäßen Ausführungsformen beliebig variiert werden. Wie nachfolgend anhand der Figur 5 erklärt werden wird, beeinflusst die Einfrästiefe den an den Auslassöffnungen 61 und 62 anliegenden Druck, sodass der hydraulische Schalter bei seiner Herstellung an die zukünftige Verwendung angepasst werden kann.
Anhand der Figur 2 wird nochmals ein Ausschnitt aus dem hydraulischen Schalter 1 vergrößert dargestellt. Figur 2 zeigt den ersten Auslasskanal 51 und einen Teil von dessen ersten Längsabschnitt 511 und dessen zweiten Längsabschnitt 512. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, befindet sich am Eingang 311 des ersten Rückkopplungskanals 31 ein Eingangsfilter 35, welcher vermeidet, dass Partikel aus dem Antriebsfluid in den Rückkopplungskanal 31 gelangen und diesen verstopfen. Hierdurch kann die Zuverlässigkeit des hydraulischen Schalters erhöht werden, weil die Gefahr, dass die Oszillation des Antriebsfluides zum Erliegen kommt, reduziert werden kann. Hierzu kann der Eingangsfilter 35 ein poröses Material enthalten, beispielsweise einen Polymerschaum oder einen Metallschaum. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Eingangsfilter 35 ein Geflecht, ein Gestrick oder ein Fließstoff bzw. Wirrfasern aus einem Metall oder Kunststoff sein bzw. ein solches Element enthalten.
Anhand der Figur 3 wird eine zweite Ausführungsform des hydraulischen Schalters 1 gemäß der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.
Wie Figur 3b zeigt, unterscheidet sich der hydraulische Schalter gemäß der zweiten Ausführungsform von der in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsform im Wesentlichen durch einen geänderten mechanischen Aufbau. Gemäß der zweiten Ausführungsform enthält der hydraulische Schalter eine Basisplatte 10 und eine Deckplatte 11, wobei zwischen der Basisplatte und der Deckplatte eine Mehrzahl von Passelementen 151, 152, 153, 154 und 155 angeordnet ist. Die Dicke dieser Passelemente und damit der Abstand der Basisplatte und der Deckplatte 11 orientiert sich an der Einfrästiefe der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform. Zwischen den Passelementen und der Deckplatte 11 bzw. der Basisplatte 10 kann eine optionale Dichtung eingebracht werden, welche unerwünschten Flüssigkeitsaustritt vermeidet. Die Passelemente 151, 152, 153, 154 und 155, die Deckplatte 11 und die Basisplatte 10 können durch formschlüssige Verbindung, durch stoffschlüssige Verbindung, durch Klemmung oder Verschraubung miteinander verbunden sein.
Figur 3a zeigt die Basisplatte 10 und die Passelemente 151, 152, 153, 154 und 155 bei entfernter Deckplatte 11. Figur 3c zeigt einen Teil der Passelemente unabhängig von der Basisplatte 10 und mit größerem Abstand. Wie aus den Figuren 3a und 3c ersichtlich ist, sind die Passelemente 151, 152, 153, 154 und 155 so ausgebildet, dass diese beabstandet auf der Basisplatte 10 angeordnet werden können und diese Abstände zumindest eine Scheidekammer 2, einen Einlasskanal 4, einen ersten und zweiten Auslasskanal 51 und 52 sowie einen ersten und zweiten Rückkopplungskanal 31 und 32 bilden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden durch die Passelemente 151, 152, 153, 154 und 155 auch optionale erste und zweite Abflusskanäle 71 und 72 gebildet. Die Passelemente 151, 152, 153, 154 und 155 in der jeweils dargestellten Form können beispielsweise durch spanende Bearbeitung, durch Urformen oder durch ein generatives Herstellungsverfahren gefertigt werden. Die Passelemente 151, 152, 153, 154 und 155 bestehen bevorzugt aus einem Metall oder einem Kunststoff, insbesondere aus Stahl oder Edelstahl. Vorteilhaft an der in Figur 3 dargestellten zweiten Ausführungsform ist insbesondere die Zugänglichkeit der inneren Oberflächen von Scheidekammer, Einlasskanal und Auslasskanälen während des Herstellungsverfahrens, sodass diese Oberflächen mit einer optionalen Beschichtung versehen werden können, welche die Oberflächengüte auf einen gewünschten Sollwert einstellt, um den Coand-Effekt des Antriebsfluides an der Wandung 20 der Scheidekammer 2 zu unterstützen. Alternativ oder zusätzlich kann die Beschichtung eine verschleißmindernde Beschichtung sein, welche die Betriebsdauer des hydraulischen Schalters erhöht. Schließlich kann die Beschichtung reibungsmindernde Eigenschaften aufweisen, sodass der Druckverlust des Antriebsfluides beim Durchlauf durch den hydraulischen Schalter reduziert ist. Schließlich erlaubt der modulare Aufbau der zweiten Ausführungsform des hydraulischen Schalters eine einfache Reparatur durch Austausch einzelner Passelemente 151, 152, 153, 154 und 155.
Der hydraulische Schalter gemäß der Erfindung weist Geometrieparameter auf, deren Dimensionierung weitreichende Auswirkungen auf die Performanz haben. Erfindungsgemäß wurden Zusammenhänge erkannt, welche über kubische Ebenen approximiert werden können, sodass bei Einfluss der Geometrie auf das Verhalten des hydraulischen Schalters vorhergesagt werden kann und der hydraulische Schalter auf die vorgesehene Anwendung optimiert werden kann, ohne dass aufwendige Versuchsreihen durchgeführt werden müssen.
Figur 4 zeigt den zu erwartenden Eingangsdruck p am Beginn des Einlasskanales auf der Abszisse und den Volumenstrom V des Antriebsfluides auf der Ordinate. Der zu erwartende Eingangsdruck hängt dabei im großen Maße von der Querschnittsfläche an der engsten Stelle des Einlasskanales 4 ab. Dargestellt sind p-V-Verläufe für sechs verschiedene Breiten des Einlasskanals bei konstanter Einfrästiefe bzw.
Dicke der Passstücke. Die jeweilige Breite des Einlasskanals 4 und der Abflusskanäle 71 und 72 für die unterschiedlichen Messkurven ist in nachfolgender Tabelle zusammengefasst:

Kurve Breite b am Einlasskanal Breite v am Abflusskanal

A 0,52 3,44

B 3,26 3,77

C 2,71 3,12

D 2,35 4,06

E 2,07 2,81

F 1,87 3,72
Die zugehörige Ebenengleichung für die Breite b des Einlasskanals 4 ermöglicht die Bestimmung des Drucks bei verschiedenen Volumenströmen innerhalb des untersuchten Messbereiches: $p (V, b) = 0, 00422 \cdot V^{2} + 9, 02262 \cdot b^{2} - 0, 31560 \cdot V \cdot b + 1, 60487 \cdot V - 36, 53840 \cdot b + 0, 30664$
Dieser Zusammenhang gilt für einen Volumenstrom von 60 l/min bis 140 l/min und für einen Einlasskanal mit einer Breite von 1,5 bis 4 mm. Es hat sich gezeigt, dass die Abweichung weniger als 5 % beträgt.
Wie Figur 5 zeigt, lässt sich ein ähnlicher Zusammenhang für die Einfrästiefe t der gesamten Geometrie herstellen. Auch die Einfrästiefe bestimmt in erster Linie die Querschnittsfläche des Einlasskanals 4, hat jedoch auch Auswirkungen auf den gesamten Strömungsquerschnitt des hydraulischen Schalters. Das Verhältnis der gemessenen Eingangsdrücke p bei einer Verdoppelung der Einfrästiefe von 10 mm (Kurve A) auf 20 mm (Kurve B) liegt bei etwa 0,36. Dieses Verhältnis bleibt über den gesamten Messbereich erhalten, wodurch die Kurven A und B in Figur 5 mit zunehmendem Volumenstrom immer weiter divergieren.
Die zugehörige Gleichung für die Abhängigkeit des Eingangsdruckes p von der Einfrästiefe t und dem Volumenstrom V lautet: $p (V, t) = 0, 00334 \cdot V^{2} + 0, 01941 \cdot t^{2} - 0, 01974 \cdot V \cdot t + 0, 29973 \cdot V - 0, 31235 \cdot t - 0, 04695$
Auch diese Gleichung gilt für einen Volumenstrom zwischen 60 l/min und 140 l/min sowie für eine Einfrästiefe von 5 mm bis 30 mm. Es hat sich gezeigt, dass die Abweichung der tatsächlich erhaltenen Messwerte von den Vorhersagewerten kleiner als 7 % ist.
Die Querschnittsfläche des ersten und zweiten Abflusskanals 71 und 72 hat einen Einfluss auf den Druckverlust bzw. den tatsächlichen Druck, welcher an den Auslassöffnungen 61 und 62 gemessen werden kann. Dargestellt ist in Figur 6 der Eingangsdruck auf der Abszisse sowie der durchschnittliche Druckverlust auf der Ordinate. Dargestellt sind wieder sechs Kurven für verschiedene Breiten der Abflusskanäle 71 und 72 und der Breite b des Einlasskanales 4 wie folgt:

Kurve Breite b am Einlasskanal Breite v am Abflusskanal

A 2,07 2,81

B 2,71 3,12

C 3,52 3,44

D 1,87 3,72

E 3,26 3,77

F 2,36 4,06
Das Verhältnis zwischen Eingangsdruck und Ausgangsdruck kann wie nachstehend modelliert werden: $\begin{array}{l} \frac{p_{in}}{p_{out}} (V, v) = 0, 00026 \cdot V^{2} - 1, 15189 \cdot v^{2} + 0, 001194 \cdot V \cdot v - 0, 033860 \cdot V + \\ 8, 48938 \cdot v - 8, 41896 \end{array}$
Dieser Zusammenhang gilt wiederum für eine Volumenstrom von 60 l/min bis 140 l/min sowie für eine Breite der Abflusskanäle 71 und 72 zwischen 2,5 mm bis 4,5 mm. Es hat sich gezeigt, dass die Abweichungen weniger als 10 % betragen.
Alle beschriebenen Ebenengleichungen schneiden den Koordinatenursprung, was physikalisch valide ist, da bei nicht vorhandenem Volumenstrom auch kein Druck zu erwarten ist.
Figur 7 erläutert den Einfluss der Position der Abrisskante 25 in der Wandung 20 der Scheidekammer 2. Dargestellt ist der Eingangsdruck auf der Abszisse und die Schaltfrequenz des hydraulischen Schalters auf der linken Ordinate für zwei verschiedene Positionen der Abrisskante. Kurve C zeigt die Messwerte für eine Abrisskante, welche in etwa in der Mitte der Scheidekammer 2 angeordnet ist. Kurve D zeigt die Messwerte für eine Abrisskante 25, welche in an sich bekannter Weise am unteren Ende der Scheidekammer 2 angeordnet ist. Aus dem Vergleichsbeispiel ergibt sich, dass die erfindungsgemäße Anordnung der Abrisskante 25 etwa in der Mitte der Scheidekammer 2 eine höhere Schaltfrequenz sowie stabilere Schaltvorgänge ermöglichen kann.
Weiterhin zeigt Figur 7 den Eingangsdruck auf der Abszisse gegen die vom Antriebsfluid an den Auslassöffnungen 61 und 62 erzeugte Maximalkraft auf der rechten Ordinate. Dargestellt ist in Kurve A der Kraftverlauf gegen den Eingangsdruck, wenn die Scheidekammer 2 eine Abrisskante 25 aufweist, welche in etwa in der Mitte der Scheidekammer 2 angeordnet ist. Kurve B zeigt den Verlauf der Maximalkraft für eine Abrisskante 25, welche in an sich bekannter Weise am Ende der Scheidekammer 2 angeordnet ist. Zumindest für einen Eingangsdruck zwischen etwa 25 und etwa 60 bar ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Abrisskante in der Scheidekammer ein höherer Druck des Antriebsfluides am Ausgang, sodass eine höhere Antriebsleistung auf einen an den hydraulischen Schalter angeschlossenen Bohrhammer übertragen werden kann.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung "erste" und "zweite" Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Hydraulischer Schalter (1) mit einer Scheidekammer (2), welche eine Einlassöffnung, eine erste Auslassöffnung (21) und eine zweite Auslassöffnung (22) aufweist, wobei die Einlassöffnung mit einem Einlasskanal (4) verbunden ist und die erste und zweite Auslassöffnung (21, 22) mit jeweils einem Auslasskanal (51, 52) verbunden sind, welche jeweils einen ersten Längsabschnitt (521, 511) und einen zweiten Längsabschnitt (522, 512) aufweisen, wobei der erste Längsabschnitt (511, 521) von der Auslassöffnung (21, 22) ausgehend eine mit der Länge zunehmende Querschnittsfläche aufweist und der zweite Längsabschnitt (512, 522) eine konstante Querschnittsfläche aufweist, wobei der hydraulische Schalter (1) weiterhin einen ersten und einen zweiten Rücckopplungskanal (31, 32) enthält, deren Eingänge (311, 321) jeweils im zweiten Längsabschnitt (512, 522) eines der Auslasskanäle (51, 52) liegen und deren Ausgänge (312, 322) an gegenüberliegenden Seiten des Einlasskanals (4) münden, wobei der hydraulischer Schalter eine Basisplatte (10) und eine Deckplatte (11) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Basisplatte (10) und der Deckplatte (11) eine Mehrzahl von Passelementen (15, 151, 152, 153, 154, 155) beabstandet eingebracht sind, so dass diese Abstände zumindest die Scheidekammer (2), den Einlasskanal (4), den ersten und zweiten Auslasskanal (51, 52), den ersten und den zweiten Rückkopplungskanal (31, 32) und optionale Abflusskanäle (71, 72) bilden.
Hydraulischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wandung (20) der Scheidekammer (2) zumindest eine Abrisskante (25) angeordnet ist, deren Abstand von der Einlassöffnung variiert werden kann und im hydraulischen Schalter zwischen etwa 40% und etwa 60% der Länge der Scheidekammer (2) liegt.
Hydraulischer Schalter nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin enthaltend einen ersten Abflusskanal (71), welcher im ersten Längsabschnitt (511) des ersten Auslasskanals (51) ansetzt und einen zweiten Abflusskanal (72), welcher im ersten Längsabschnitt (522) des zweiten Auslasskanals (52) ansetzt, wobei der Abflusskanal (71, 72) und der erste Längsabschnitt (511, 521) des jeweiligen Auslasskanals (51, 52) einen Winkel zwischen etwa 25° und etwa 50° einschließen.
Hydraulischer Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Abflusskanäle (71, 72) zwischen etwa 5 mm² und etwa 80 mm² beträgt.
Hydraulischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang (311, 321) des ersten und/oder zweiten Rückkopplungskanals (31, 32) ein Eingangsfilter (35) angeordnet ist.
Hydraulischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Basisplatte (10) und der Deckplatte (11) zwischen etwa 5 mm und etwa 30 mm beträgt, entsprechend des gewünschten Volumenstroms eingestellt werden kann.
Hydraulischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen der Scheidekammer (20), des Einlasskanals (4), der ersten und zweiten Auslasskanäle (51, 52), der ersten und zweiten Rückkopplungskanäle (31, 32) und/oder der optionalen Abflusskanäle (71, 72) zumindest teilweise gehärtet und/oder mit einer Verschleißschutzschicht beschichtet sind.
Hydraulischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheidekammer (2), zwischen der ersten Auslassöffnung (21) und der zweiten Auslassöffnung (22) konvex geformt ist.
Hydraulischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (4) eine Breite von etwa 2,05 mm aufweist, oder je nach gewünschter Einströmgeschwindigkeit variiert werden kann.
Hydraulischer Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht DLC und/oder TiN und/oder Cr und/oder SiN enthält oder daraus besteht.
Kolbenbetriebener Verbraucher, beispielsweise ein Bohrhammer, mit einem Schlagwerk und einem hydraulischen Schalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.