DE1750440B2 - Turbulenzverstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbulenzverstärker nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Bekannte Turbulenzverstärker dieser Art, wie sie beispielsweise im »Industrieanzeiger« 1967, Nr. 9, Seiten bis 31, insbesondere Bild 1, Seite 29, beschrieben sind, arbeiten in der Weise, daß dann, wenn kein Steuerdruck anliegt, in der Wechselwirkungskammer eine laminare Strömung vorliegt, so daß aus dem Eingangskanal kommendes Arbeitsmittel im wesentlichen mit voller Kraft auf den Ausgangskanal auftreffen kann. Im gesteuerten Zustand hingegen schlägt die laminare Strömung der Wechselwirkungskammer in eine turbulente Strömung um, so daß der Ausgangskanal einen wesentlich geringeren Druck empfängt. Der besondere Vorteil derartiger Turbulenzverstärker liegt darin, daß das Umschlagen zwischen laminarer und turbulenter Strömung in der Wechselwirkungskammer durch sehr geringe Steuerdrücke hervorgerufen werden kann.

Es liegt nun auf der Hand, daß derartige Turbulenzverstärker um so befriedigender arbeiten, je höher die Differenz der Drücke ist, welche im Ausgangskanal bei laminarer Strömung in der Wechselwirkungskammer einerseits bzw. bei turbulenter Strömung in der Wechselwirkungskammer andererseits empfangen werden. Dies hängt entscheidend davon ab, daß im turbulenten Steuerungszustand, also Ansteuerung entsprechend Bild 1 auf Seite 29 der obengenannten Druckschrift »Industrieanzeiger«, das aus dem Eingangskanal kommende Arbeitsmittel die Wechselwirkungskammer möglichst rasch und ungehindert verlassen werden kann. Ansonsten tritt nämlich bei turbulenter Strömung ein Rückstau auf, der zu einem die Diskrimination zwischen gesteuertem und ungesteuertem Druckzustand im Ausgangskanal verschlechternden Druckanstieg in der Wechfelwirkungskammer führt.

In der DT-OS 17 50 318 (älteres Recht) ist das vorstehend geschilderte Problem, einen besonders günstigen Abfluß des fluidischen Arbeitsmittels in turbulentem Strömungszustand zu erzielen, nicht angesprochen. Im übrigen führen bei dem dort

ίο beschriebenen Turbulenzverstärker, wie sich insbesondere aus Fig. 1 der DT-OS 17 50318 ergibt, zwei Entlüftungskanäle im wesentlichen senkrecht zur Verbindungslinie zwischen Eingangs- und Ausgangskanal, also senkrecht zur Richtung der Hauptströmung in der Wechselwirkungskammer, aus der Deckfläche der Verstärkerplatte heraus, wodurch kein völlig befriedigendes Abströmen des fluidischen Arbeitsmittels gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten Turbulenzverstärker der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß durch einwandfreies Abfließen des Arbeitsmittels im gesteuerten Zustand eine möglichst hohe Differenz in dem durch den Ausgaiigskanal im laminaren bzw. turbulenten Strömungszustand aufgenommenen Druck erzielt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches genannten Merkmale gelöst.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist Gegenstand des Unterspruches.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Turbulenzverstärker zwei Entlüftungskanäle vorgesehen sind, die symmetrisch und unter spitzem Winkel zum Ausgangskanal divergierend angeordnet sind, weisen die durch die Entlüftungskanäle abströmenden Arbeitsmittelflüsse eine beträchtliche Bewegungskomponente in Richtung des Hauptstrahles, also in Richtung der Verbindungslinie zwischen Eingangs- und Ausgangskanal auf, wodurch ein besonders rasches Abströmen des fluidischen Arbeitsmittels gewährleistet ist. Von wesentlicher Bedeutung ist hierbei daß die Entlüftungskanäle die beanspruchte divergierende Form haben und nicht etwa im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Hauptströmung aus der Wechselwirkungskammer herausführen, wie es bei der DT-OS 17 50 318 (älteres Recht) der Fall ist, da hierbei kein glattes Abströmen möglich wäre. Dadurch, daß die Entlüftungskanäle in Form offener, durch die Deckplatte abgedichteter Nuten zu der ausgangskanalseitigen, zur Verbindungslinie zwischen Eingangskanal und Ausgangskanal lotrechten Stirnfläche der Verstärkerplatte geführt sind, wird weiterhin der Vorteil erreicht, daß ganze Verstärkungseinheiten sandwichartig aufgebaut werden können.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Turbulenzverstärkers in der Draufsicht, wobei Mittelteile fortgebrochen sind,

F i g. 2 in vergrößertem Maßstab eine Teilansicht auf einen Turbulenzverstärker nach F i g. 1 und

Fig. 3 einen Teilschnitt gemäß der Linie 3-3 von Fig. 2.

h^r> Wie Fig. 1 und 2 zeigen, besteht ein Turbulenzverstärker 10 aus einer im wesentlichen flachen, rechteckigen Verstärkerplatte 12, in der durch Einarbeitung von Vertiefungen in Form von Nuten sowie von Durchfüh-

rungen in einer Deckfläche 16 eine Anzahl von praktisch identischen Steuerelementen 14 gebildet ist. Wie sich am besten aus Fig.2 ergibt, weist jedes der Steuerelemente 14 eine langgestreckte Wechselwirkungskammer 20 auf, durch welche das fluidische Arbeitsmittel sowohl in laminarem als auch in erzwungenermaßen turbulentem Strömungszustand fließen kann. Ein Eingangskanal 22 ist an einem Ende der Wechselwirkungskammer 20 und ein Ausgangskanal 24 am entgegengesetzten Ende dieser Kammer angeordnet. Außerdem weist die Wechselwirkungskammer wenigstens einen, vorzugsweise aber mehrere Steuerkanäle 26 auf, welche nahe dem Eingangskanal 22 seitlich in die Wechselwirkungskammer münden.

Jedes Steuerelement 14 weist eine Hauptstrom-Eingangsleitung 28 auf, die mit einer Eingangs-Sammelleitung 30 in Verbindung steht. Die Sammelleitung 30 erstreckt sich im wesentlichen über die gesamte Länge der Verstärkerplatte 12, wie in Fig. 1 zu sehen ist. Die Sammelleitung 30 weist einen Einlaß 32 für das von einer geeigneten Druckqueile gelieferte, unter Druck stehende fluidische Arbeitsmittel auf. Jeder Steuerkanal 26 ist über eine Nut 34 mit einem Arbeitsmittel-Eingangsanschluß 36 verbunden, durch den in der nachfolgend beschriebenen Weise das Steuermittel in die Wechselwirkungskammer 20 geführt wird. Auch der Ausgangskanal 24 steht über eine Nut 38 mit einem Auslaß 40 in Verbindung, der seinerseits, wie im folgenden noch im einzelnen beschrieben wird, an andere Steuerelemente oder an druckgesteuerte Vorrichtungen angeschlossen ist.

Das Steuerelement 14 weist zur Verbindung der Wechselwirkungskammer mit der Umgebungsatmosphäre ein Paar von Entlüftungskanälen 46 auf, welche mit der Wechselwirkungskammer 20 in der Nähe des Ausgangskanals 24 in Verbindung stehen und sich von dort etwa in Richtung des Arbeitsmittelstromes in der Wechselwirkungskammer, jedoch seitlich versetzt zum Auslaß 40, erstrecken. Die Entlüftungskanäle 16 führen in Form von Nuten 42 zu der zum Eingangskanal und Ausgangskanal lotrechten Stirnfläche 44 der Verstärkerplatte 12 und führen in die Umgebungsatmosphäre.

Das vorstehend beschriebene, einzelne Steuerelement arbeitet in der nachfolgenden Weise: Ein zum Sammelleitungseinlaß 32 geleitetes Druckmittel fließt durch die Sammelleitung 30 und die Hauptstrom-Eingangsleitung 28 und strömt als laminarer fluidischer Arbeitsmittelstrahl in die Wechselwirkungskammer 20 ein. Dieser Arbeitsmittelstrahl trifft mit relativ hoher Geschwindigkeit auf den Ausgangskanal 24 und erzeugt hierdurch dort einen relativ hohen Druck. Von dort aus strömt dann das Arbeitsmittel durch den Kanal 38 an der Auslaßseite 40 zum Verwendungsort. Die Strömungsmittelmenge und der Austragsdruck werden weitgehend von der ausgangsseitigen Last bestimmt. Soweit der Druck ungenutzt bleibt, fließt das Strömungsmittel durch entsprechende öffnungen ab.

Wird an einen der Steuerstrom-Einlässe 36 Steuerdruck angelegt, so fließt durch den Verbindungskanal 34 ein Steuerstrom und wird über den zugehörigen Steuerkanal 26 in die Wechselwirkungskammer 20 abgegeben. Ein solcher Steuerstrom hat die Wirkung, daß der Haupvstrahl, der aus dem Eingangskanal 22 austritt, vom laminaren in den erzwungen turbulen'en h-> Strömungszustand übergeht. In dem letztgenannten Betriebszustand fließt das Strömungsmittel sowohl von dem Eingangskanal 22 als auch von dem Steuerkanal 26 durch die Kanäle 42 und die Entlüftungskanäle 46 in die Atmosphäre. Der Strömungsmittelstrahl vom Eingangskanal trifft in diesem Fall nur mit relativ geringer Geschwindigkeit und dementsprechend geringem Druck auf den Ausgangskanal 24. Durch Anlegen eines Steuerdruckes an einen der Steuerkanäle wird also der Betriebszustand des Steuerelementes von »Ein« auf »Aus« umgeschaltet. Die Änderung des Betriebszustandes des Steuerelementes vom erzwungen turbulenten zurück in den laminaren Zustand erfolgt auf einfache Weise durch Abschalten des der Wechselwirkungskammer 20 zugeführten Steuerdrucks, wodruch der Betriebszustand von »Aus« auf »Ein« geändert wird.

Der in F i g. 1 dargestellte fluidische Turbulenzverstärker 10 weist eine Anzahl von im wesentlichen identischen Steuerelementen 14 auf, die mit gegenseitigem Abstand parallel zueinander angeordnet sind. Alle auf der Verstärkerplatte 12 angeordneten Steuerelemente sind voneinander unabhängig, mit Ausnahme ihrer Entlüftungskanäle 46, deren Nuten 42 bei jedem Element von der Wechselwirkungskammer 20 nach entgegengesetzten Seiten des Ausgangskanals 40 zu einer Stelle hin divergieren, an der die Kanäle 42 für jeweils zwei benachbarte Steuerelemente zusammengeführt sind. Diese Stelle ist in F i g. 2 mit 42a bezeichnet. Von der Stelle 42a bis zur Stirnfläche 44 der Verstärkerplatte 12 ist der Kanal 42b für einander benachbarte Steuerelemente gleich, mit Ausnahme der an den beiden Plattenenden angeordneten Elemente. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine maximale Entlüftungskapazität bei geringstmöglicher Zahl von in die Fläche 16 eingeformten Nuten. Der Turbulenzverstärker gemäß Fig. 1 findet eine Vielzahl von Einsatzgebieten, die grundsätzlich von der Art der gewünschten fluidischen Logikschaltung abhängen. Der Hauptvorteil der zu den Kanten der Verstärkerplatte führenden Entlüftungskanäle liegt darin, daß durch eine derartige Ausgestaltung ein Aufstrecken einer Elementenplatte auf eine andere ohne weiteres möglich ist, so daß eine Steckeinheit erzeugt wird, welche bedeutend mehr Steuerelemente enthält, als auf einer einzigen Verstärker- oder Elementenplatte angeordnet werden könnten. So kann beispielsweise ein Dezimalzähler eine aus fünfzig einzelnen Steuerelementen aufgebaute Logikschaltung erfordern, für die mehrere aufeinandergesteckte und mit Hilfe einer Verbindungsplatte miteinander verbundene Verstärkerplatten nötig sind.

F i g. 3 zeigt den Aufbau einer den Teil einer integrierten Schaltung bildenden zusammengesetzten Einheit. Die Verstärkerplatte 12 ist im Schnitt gezeigt, wobei die Deckfläche 16 (F i g. 1) mit eingeformten, das Steuerelement bildenden Nuten bzw. Kanälen versehen ist. Auf die Deckfläche 16 der Verstärkerplatte 12 ist ein relativ dünner Streifen 50 aus Polyäthylenterephthalat oder einem anderen relativ inkompressiblen, jedoch flexiblen Kunststoff aufgelegt, die sogenannte Deckplatte. Bohrungen, wie 52, der Deckplatte 50 gewährleisten eine Verbindung zwischen bestimmten Punkten der Steuerelemente und einer Verdrahtungsplatte 56, die nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird. Die flexible Deckplatte 50 hat die Aufgabe, die innere oder genutete Deckfläche der Verstärkerplatte 12 für den Fall eindeutig abzudichten, daß bei Verwendung einer starren Verdrahtungsplatte die Verstärkerplatte nicht genau flach bzw. eben ausgebildet ist. Eine weitere Funktion der flexiblen Deckplatte 50 liegt darin, zu verhindern, daß die Verdrahtungsplatte in die Nuten des Steuerelementes 14 eingedrückt wird, wenn die

Verdrahtungsplatte 56 aus nachgiebigem Material besteht. Die Verdrahtungsplatte 56 ist auf der flexiblen Deckplatte 50 angeordnet und mit geeigneten Kanälen und Bohrungen versehen, welche eine vorgegebene Logikschaltung unter Verbindung von wenigstens zwei einzelnen Steuerelementen 14 bilden. Verschiedene Bohrungen der Verdrahtungsplatte 56, wie beispielsweise die in Fig.3 gezeigten Bohrungen 66, 6B, die über einen Kanal 70 miteinander verbunden sind, bilden einen relativ einfachen Strömungsschaltkreis für einen Flip-Flop, der hier lediglich zu Anschauungszwecken als Ausführungsbeispiel gezeigt ist und dessen Funktion nachstehend erläutert wird.

Eine Deck- oder Dichtungsschicht 72 ist auf der Verdrahtungsplatte 56 angeordnet. Die Schicht 72 ist relativ dick und besteht aus einem geeigneten, starren Kunststoffmaterial. Sie dient zum Abdichten aller in der Verdrahtungsplatte vorgesehenen Kanäle, mit Ausnahme der Stellen, wo Verbindungen zwischen den Steuerelementen 14 und externen Druckquellen oder Anschlußpunkten der Gesamtschaltung erhalten bleiben müssen. Alle aneinandergelegten Schichten sind mit geeigneten Löchern 74 (Fig. 1 und 2) ausgestattet, in welche die Anordnung zusammenhaltende, hier nicht gezeigte Nieten eingesetzt werden können.

Die in Fig.3 dargestellte Strömungsmiltel-Logikschaltung arbeitet nach Anschluß geeigneter externer Verbindungen in der nachstehend beschriebenen Weise: Nicht gezeigte Bohrungen der Deckplatte 50 sind mit den Ausgangsstellen 40a und 40bdes ersten und zweiten Steuerlementes 14 der Verstärkerplatte 12 ausgerichtet, während die in F i g. 3 gezeigten Bohrungen 52 mit den Steuerstrom-Einlaßstellen 36a und 366 der Steuerelemente ausgerichtet sind. Die Löcher der Verdrahtungsplatte, wie 66, sind jeweils mit den Bohrungen 54 der flexiblen Deckplatte 50, andere Bohrungen hingegen, wie 68, jeweils mit den Löchern 52 ausgerichtet. Auf diese Weise ist der Auslaßpunkt 40a des ersten Steuerelementes mit dem Steuerstromeinlaß 366 des zweiten Steuerelementes verbunden. Die Auslaßstelle 406 des zweiten Steuerelementes ist mit der Steuerstrom-Einlaßöffnung 36a des Steuerelementes verbunden. Ein besonders zweckmäßiger Auslaß von den Steuerelementen kann dadurch geschaffen werden, daß die äußere Deckschicht 72 mit zu den Bohrungen 66 in der Verdrahtungsplatte 56 ausgerichteten Bohrungen 66 in der Verbindungsplatte 56 ausgerichteten Bohrungen 80a und 806 (Fig.3) ausgestattet ist. Diese Bohrungen können in geeignete Anschlußbauteile, beispielsweise Ansätze, münden, an die externe Druckleitungen angeschlossen werden können. Außerdem können einige in F i g. 3 gezeigte Schichten mit zum Hauptstrom-Eingang 32 (Fig. I) mündenden Bohrungen ausgestattet sein, so daß das Strömungsmittel durch diese Bohrungen über die Sammelleitung 30 zu den Strömungsmittel-Steuerelementen 14 geführt werder kann. Nimmt man an, daß das Druckmittel durch di< Hauptstrom-Eingangsleitung 28 der ersten und zweiter Steuerelemente fließt und daß der Hauptstrom in dei ersten Wechselwirkungskammer 20a im laminarer Betriebszustand ist, so wird ein relativ hoher Druck ar der Auslaßstelle 40a erzeugt. Dies bedeuetet, daß da; Strömungsmittel durch die mit der Ausgangsstelle ausgerichteten Bohrungen fließt und in die Wechselwir kungskammer 206 als Steuerstrom eintritt, wodurch dei Hauptstrom in der Wechselwirkungskammer 206 ir einem erzwungen turbulenten Zustand gehalten wird Gleichzeitig strömt ein wesentlicher Teil des Strö mungsmittels durch die Auslaßbohrung 80a und kanr zur Steuerung einer druckgesteuerten Vorrichtung Verwendung finden. Das erste Steuerelement ist alsc eingeschaltet, wobei als Folge hiervon das zweite Steuerelement ausgeschaltet ist. Dieser Betriebszustanc der Schaltung wird so lange aufrechterhalten, bis eir Steuersignal an die Wechselwirkungskammer 20a übet eine der Steuerstrom-Einlaßöffnungen 36 über geeignete äußere Verbindungen angelegt wird. Ein solchei Steuerstromstrahl in der Wechselwirkungskammer 2Oi ändert den Strömungszustand des Hauptstroms vorr laminaren in den erzwungen turbulenten Zustand wodurch die Strömung vom Auslaßpunkt 40a sowoh zum Außenanschluß als auch zur Wechselwirkungskammer 206 unterbrochen wird. Dies hat die Folge, daß dei Strömungsverlauf in der Wechselwirkungskammer 2Oi vom erzwungen turbulenten in den laminaren Zustand überwechselt, so daß das Strömungsmittel von der Ausgangsstelle 406 über die Bohrung 806 zu einet Außenleitung und zur Wechselwirkungskammer 2Oi über den Schaltkanal 70 fließt, wodurch ein Steuerstrom in die Wechselwirkungskammer 20a gelangt, der den Hauptstrom in dieser Wechselwirkungskammer in seinem turbulenten Zustand hält. Das erste Steuerelement ist daher ausgeschaltet, das zweite Elemeni hingegen eingeschaltet. Dieser Betriebszustand kann nur dann umgekehrt werden, wenn ein Eingangs-Steuersignal von einer äußeren Druckquelle an eine der zusätzlich zu 366 vorgesehenen Steuerkanäle der Wechselwirkungskammer 206 gelangt und den Steuerstromeinlaß des ersten Steuerelementes reaktiviert.
Der vorstehend beschriebene, zusammengesetzte Turbulenzverstärker kann in dieser Weise oder als komplizierterer Strömungsmittel-Schaltkreis aufgebaut und verwendet werden. Durch geeigneten Austausch einiger Schichten der zusammengesetzten Anordnung und durch den Einsatz geeigneter Verbindungen auf aneinanderliegenden Schichten oder Platten sowie durch geeignete Außenanschlüsse und Verbindungen kann eine Vielzahl von Strömungsmittelschaltungen hergestellt werden, die sich zur Ausführung extrem s^r. komplizierter Steuerfunktionen eigner.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Turbulenzverstärker, mit wenigstens einem in einer Deckfläche einer Verstärkerplatte durch Vertiefungen gebildeten Steuerelement, welches eine langgestreckte Wechselwirkungskammer aufweist, in die an einem Ende ein Eingangskanal, am gegenüberliegenden Ende ein Ausgangskanal sowie wenigstens ein in die Atmosphäre führender Entlüftungskanal und wenigstens ein im wesentlichen senkrecht zur Verbindungslinie zwischen Eingangskanal und Ausgangskanal angeordneter Steuerkanal münden, wobei die mit den Vertiefungen versehene Seite der Verstärkerplatte mittels einer Deckplatte dichtend abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Entlüftungskanäle (46) vorgesehen sind, die am ausgangsseitigen Ende der Wechselwirkungskammer (20) symmetrisch und unter spitzem Winkel zum Ausgangskanal (24) divergierend angeordnet sind und in Form offener, durch die Deckplatte (50) abgedichteter Nuten zu der ausgangskanalseitigen, zur Verbindungslinie zwischen Eingangskanal und Ausgangskanal lotrechten Stirnfläche der Verstärkerplatte (12) geführt sind.

2. Turbulenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftungskanäle (46) benachbarter Steuerelemente sich mit Abstand vom Ausgangskanalende der Wechselwirkungskammern (20) treffen und von dort bis zu ihrer Mündung in die Verstärkerplatten-Stirnfläche jeweils zwei Steuerelementen gemeinsam zugeordnet sind.