DE2509373A1

DE2509373A1 - Fluidbetaetigte steuervorrichtung

Info

Publication number: DE2509373A1
Application number: DE19752509373
Authority: DE
Inventors: Sander B Friedman; Hugh R Martin
Original assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Current assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Priority date: 1974-03-04
Filing date: 1975-03-04
Publication date: 1975-09-11
Also published as: FR2263405A1; JPS5627730B2; US3874416A; CA1012889A; JPS50135487A; GB1463932A; FR2263405B1

Description

DR. MÜLLER-BORE DIPL.-1NG. GROENING DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL DIPL.-CHEM. DR. SCHÖN DIPL.-PHYS. HERTEL

PATENTANWÄLTE

2509373 •i MRZ. 1975

C 2899

CANADIAN PATENTS AND DEVELPMENT LTD. Ottawa, Ontario, Kanada

Fluiäbetätigte Steuervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine fluiäbetätigte Steuervorrichtung und insbesondere eine fluidbetätigte Steuervorrichtung, bei v/elcher sowohl das Steuerfluid als auch das gesteuerte Fluid jeweils eine Flüssigkeit ist, die im laminaren Bereich strömt.

Zur Zeit werden Hydrauliksysteme durch ein oder mehrere Hybridsysterne gesteuert. Derartige Systeme sind mechanisch hydraulische Systeme, elektromechanisch -hydraulische Systeme oder pneumatisch -hydraulische Systeme. Die Verwendung von ^trömungsmechanischen Elementen bzw. Fluidelementen für die hydraulische Steuerung führt zu einer Anzahl von Vorteilen gegenüber anderen Hybridsystemen. Fluidelemente haben eine größere Betriebssicherheit, kürze Ansprechzeiten, führen zu verringerten Kosten, sind leichter herzustellen und weniger empfindlich gegenüber den Bedingungen der Umgebung. Ein Fluidelement, welches das Ärbeitsfluid zur Steuerung verwendet, hat den zusätzlichen Vorteil, daß Zwischenflachen bzw. Mediengrenzflächen nicht vorhanden sind.

509837/0287

Obwohl sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten viele strömungsmechanische Grundkonzeptionen in gleicher Weise verwendbar sind, gibt es bedeutende Unterschiede, die es nicht ermöglichen, daß ein hydraulisches Fluidsteuerungssystem in praktischer Ausführung so leicht gebaut wird wie ein pneumatisches Fluidsystem oder ein Hybridsystem. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, daß Flüssigkeit als Fluid ein kostspieligeres Material als Luft ist. Aus diesem Grund ist es von Bedeutung, daß das Steuerelement eine hohe Verstärkung und/oder Auffächerung (fan-out) sowie niedrige Leistungsanforderungen hat. Die meisten pneumatischen Fluidvorrichtungen arbeiten bei unterdrückten turbulenten Strömungsbedingungen.Die sich ergebende Diffusion des Strahls ergibt eine schlechte Druckrückgewinnung, was bei einer flüssigkeitsbetätigten Vorrichtung der vorliegenden Bauweise nicht der Fall ist.

Die Fähigkeit, einen laminaren Fluidstrom von dem Steuerstrom weg abzulenken, ist in der Literatur bereits beschrieben. Diese, Untersuchungen zeigen die dazugehörenden höheren Signal-Rausch-Verhältnisse und niedrigere Ansprechzeiten bei Verwendung von laminaren Strahlen anstelle von turbulenten sowie eine schnellere Signalübertragung bei Verwendung von Flüssigkeiten anstelle des herkömmlichen Mediums Luft. Der laminare Strahl bzw. Jet wird bei zur Zeit gebauten pneumatischen Bauteilauslegungen nicht benutzt, da e£ sich als schwierig erwiesen hat, laminare Zustände in dem Strahl beizubehalten, wenn er durch das Auftreffen eines Steuerstrahls abgelenkt wird, und weil es außerdem schwierig ist, einen laminaren Strahl wieder an eine Wand anzulegen bzw. zu binden. Da diese Zustände nicht zutreffen, wenn ein flüssiges Steuermedium benutzt wird, kann die Tatsache als Vorteil ausgenutzt v/erden, daß ein laminarer Strahl eine beträchtlich höhere Druckrückgewinnung bzw. Druckausbeute ergibt, da die Diffusion des Strahls weitaus geringer ist.

509837/0287

Bisher wurde die Ablenkung eines Strahls entweder durch Geschwindigkeitswirkungen (Impulsaustausch) oder durch Druckwirkungen herbeigeführt. Bei einer Impulsaustausch-Fluidvorrichtung wird der Impuls des Hauptstrahls durch den Impuls des Steuerstrahls modifiziert, was zu einer abgelenkten Stellung führt. Diese Art von Vorrichtung kann entweder digital oder proportional arbeiten. Wenn ein einziger Empfänger für den Hauptstrahl benutzt wird und eine Lüftung erreicht wird, ergibt jede Ablenkung, die größer als ein voller Durchmesser ist, einen Signalverlust am Empfänger, was zu einer digitalen Arbeitsweise führt.

Für gewöhnlich wird angenommen, daß die Ergebnisse des Auftreffens von zwei Strahlen mit Hilfe des Austausches des Strahlimpulsflusses vorhergesagt werden kann. Diese Theorie wird in der Literatur vielfach erwähnt und wurde bei Hochgeschwindigkeitsstrahlen erfolgreich eingesetzt.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch Impulsaustausch sich das Verhalten«von aufeinander einwirkenden Flüssigkeitsstrahlen, mit niedrigen Reynoldszahlen nicht zufriedenstellend festlegen läßt. Es wurde gefunden, daß, wenn der Senderstrahl bzw. Emitterstrahl im laminaren Bereich arbeitet, der Strahl nicht nur von dem Steuerstrahl abgelenkt werden kann, wobei verglichen mit dem Senderstrahl relativ hohe Mengenströme für den Steuerstrahl benutzt v/erden, sondern auch zu dem Steuerstrahl hin abgelenkt werden kann bei Verwendung von, verglichen mit dem Senderstrahl, geringen SteuerStrahlmengenströmen. Dieses Phänomen wird erfindungsgemäß nun zur Schaffung einer Fluidvorrichtung ausgenutzt, die inhärent einen hohen Verstärkungsgrad hat, da zur Erzielung der gewünschten Verfahrensweise eine große Differenz in der Strömung des Steuerstrahls bezüglich des EmitterStrahls bzw. SenderStrahls erforderlich ist.

509837/0287

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Fluidsteuervorrichtung zu schaffen, bei welcher das Steuerfluid und das Senderfluid Flüssigkeiten sind, die bei laminaren Bedingungen arbeiten.

Die erfindungsgemäße Fluidvorrichtung soll so arbeiten, daß der Senderstrahl durch den Steuerstrahl nach innen zu der Steuerdüse abgelenkt wird. Die Fluidvorrichtung soll eine relativ hohe Verstärkung und/oder Auffächerung (fan-out), eine hohe Druckgewinnung und niedrige Leistungsanforderungen aufweisen. Schließlich soll die erfindungsgemäße Fluidvorrichtung alle digitalen logischen Funktionen und eine proportionale Arbeitsweise ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen durch eine Senderdüse für die Koppelung mit einer Flüssigkeitszuführungsquelle, wobei die Düse so arbeitet, daß ein kohärenter und laminarer Flüssigkeitssenderstrahl abgegeben wird, durch eine Steuerdüse für die Abgabe eines flüssigen SteuerStrahls mit einer Reynoldszahl von weniger als 55o, die so arbeitet, daß der Senderstrahl nach innen zu der Steuerdüse abgelenkt wird, und durch Empfängereinrichtungen gelöst, die stromab von dem Sender für den Empfang des Senderstrahls im Abstand angeordnet sind.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein mit einer Flüssigkeit arbeitendes strömungsmechanisches Steuerelement, welches mit laminaren Flüssigkeitsstrahlen arbeitet. Das Element benutzt einen Flüssigkeitssteuerstrahl, der mit einer Reynoldszahl von weniger als 55o arbeitet, der, wenn er auf den Senderstrahl gerichtet wird, diesen nach innen zu dem Steuerstrahl ablenkt, was im Gegensatz zu den Wirkungen herkömmlicher Fluidvorrichtungen steht. Da dieses Ablenkverfahren niedrige Steuerstrahl-Mengenströme erfordert, erhält man eine hohe Verstärkung und/oder Auffächerung (fan-out). Die niedrigen

509837/0287

Energieanforderungen machen die Erfindung für Logikschaltkreise besonders geeignet, die aus den die Basis bildenden Oder-Nicht-Element bzw. NOR-Element gebaut werden können.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer verallgemeinerten Schnittansicht eine mit einer Flüssigkeit arbeitende Fluidvorrichtung, wobei die Ablenkung gemäß der Erfindung unter den geforderten Strömungsbedingungen gezeigt ist.

Fig. 2 zeigt in einer Echnittansicht eine Ausfuhrungsform der Bauweise eines NOR-Logikelementes.

Fig. 3 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Senderstrahlablenkung, der Steuerstrahl-ReynoIdszahl und der Senderstrahl-Reynoldszahl.

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen dem Druckfaktor oder Verstärkungsgrad, der Steuerstrahl-Reynoldszahl und der Senderstrahl-Reynoldszahl.

Das in Fig. 1 gezeigte Fluidelement 1 umfaßt eine Senderdüse 2, eine Steuerdüse 3 und einen Empfänger 4. In Betrieb wird der Senderdüse 2 Flüssigkeit derart zugeführt, daß die Senderdüse einen laminaren und kohärenten bzw. zusammenhängenden Strahl 5 abgibt. Bei fehlendem Steuerstrahl wird der Senderstrahl von dem Empfänger 4 empfangen. Wenn die Steuerdüse 3 einen kohärenten laminaren Strahl 6 mit einer Reynoldszahl von weniger als 55o abgibt, wird der Senderstrahl 5 nach innen zu der Steuerdüse abgelenkt. Der Empfänger 4 ist derart angeordnet, daß der Senderstrahl, wenn er durch den Steuerstrahl 6 abgelenkt wird, von dem Empfänger nicht empfangen wird.

509837/0 287

Um die gewünschte Ablenkungsweise zu erzielen, muß die Reynoldszahl des Steuerstrahls geringer als etwa 55o sein, da über etwa 55o Impulseffekte beherrschend werden und die Vorrichtung auf herkömmliche Weise arbeitet, nämlich mit einer Ablenkung von dem Steuerstrahl weg. Fig. 3 zeigt typische Steuerungs- und Senderströmungen, die erforderlich sind, um die gegebenen Ablenkungswinkel zu erreichen. Der Schwellenwert der Strömung ist die untere Grenze für die Bewirkung der Ablenkung und führt zu den maximalen Ablenkungswinkeln. Vorzugsweise ist jedoch die Reynoldszahl des Steuerstrahls größer als 5o, da unter diesem Wert Änderungen der Umgebungsbedingungen zu einer fehlerhaften Arbeitsweise führen können. Es hat sich gezeigt, daß für einen zuverlässigen Betrieb, für niedrige Energieerfordernisse und eine maximale Verstärkung und Auffächerung ein geeigneter Bereich für die Reynoldszahl des Steuerstrahis 5o bis 15o beträgt, vor allem dann, wenn mit Reynoldszahlen für den Senderstrahl zwischen 1oo und 18oo gearbeitet wird. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß Reynoldszahlen für den Steuerstrahl von mehr als 15o ebenfalls zu einer zufriedenstellenden Arbeitsweise führen, wobei jeder Wert, der weniger als etwa 55o beträgt, bei bestimmten Anwendungszwecken praktisch verwendbar ist.

Wie vorstehend ausgeführt wurde, ergeben Reynoldszahlen des Steuerstrahls, die größer sind als etwa 55o, die bekannte Ablenkung der herkömmlichen Maßnahmen. Fig. 3 zeigt, daß ein vorgegebenes Fluidelement bzw. Strömungsmechanisches Element auf herkömmliche Weise (negative Ablenkungswinkel in Fig. 3) sowie erfindungsgemäß arbeiten kann (positive Ablenkung), was von den Strömungsbedingungen abhängt.

Erfindungsgemäß wird gefordert, daß die Senderdüse so arbeitet, daß ein laminarer und kohärenter bzw. zusammenhängender Strahl abgegeben wird. Die Forderung des laminaren

509837/0287

Senderstrahls kann durch eine Reynoldszahl von weniger als 2ooo erfüllt v/erden. P.ls besonders günstiger Bereich für die Reynoldszahlen des Senderstrahls haben sich die Werte von looo bis 18oo erwiesen. Die Beziehung dieses Bereichs von Reynoldszahlen zu anderen Parametern ist in Fig. 3 und 4 gezeigt.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die als ein NOR-Logikelement geeignet ist. Die mit Flüssigkeit arbeitende Fluidvorrichtung umfaßt eine Senderdüse 21, die mit Flüssigkeit über einen Einlaß 22 versorgt wird, Steuerdüsen 23 und 25 mit Einlassen 24 bzw. 26 sowie einen Empfänger 27, der mit einem Auslaß 28 in Verbindung steht. Für die Aufnahme des aus der Senderdüse 21 austretenden Senderstrahls ist, wenn der Strahl durch einen Steuerstrahl abgelenkt wird, der von einer der Steuerdüsen 23 und 24 austritt, eine zweite Empfängereinrichtung bzw. ein Ablaufschacht 29 vorgesehen, der mit dem Gehäuseelement 2o ein Stück bildet.

Für den Optimalbetrieb auf digitale Weise sollte der Abstand von dem Senderaustritt bis zu der Zone der gegenseitigen Einwirkung von Steuerung und Sender größer als 1,5 Senderdüsendurchmesser sein. Es hat sich gezeigt, daß, wenn der Abstand weniger als 1,5 Durchmesser beträgt, ein Auftreffen des SteuerStrahls auf den Hauptstrom einen glatten Übergang in dem Bereich des aufeinander Einwirkens herbeiführt, wo der Hautstrahl dazu neigen könnte, auch dann abgelenkt zu bleiben, wenn die Steuerströmung unterbrochen wird. Durch Vergrößern dieses Abstandes auf mehr als zwei Durchmesser wird kein weiterer Vorteil erreicht. Der einzige Kachteil besteht darin, daß die Gesamtlänge der Vorrichtung zunimmt. Der bevorzugte Abstand zwischen dem Emitterdüsenaustritt und der Wechselwirkungszone beträgt zwei Emitterdüsendurchmesser, wobei irgendwelche zusätzlichen Steuerdüsen stromab davon im Abstand angeordnet und

509837/0287

derart ausgerichtet sind, daß der Strom von zwei Steuerdüsen einander nicht neutralisiert.

Es ist nicht erforderlich, daß die Senderdüse für einen zufriedenstellenden Betrieb eine voll ausgebildete Strömung hat. Deshalb sollte die Senderlänge so klein wie möglich sein und für ein entsprechendes Zielen des Strahlens passend sein, um sowohl die erforderliche Energie als auch die Gesamtgröße der Vorrichtung auf ein Minimum zu reduzieren.

Der Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger ist nicht kritisch. Er muß nur ausreichend sein, um eine totale Ablenkung des Senderstrahls von dem Empfänger zu ermöglichen, so daß die Vorrichtung auf die NOR-Weise arbeiten kann. Ein Abstand von fünf Strahldurchmessern hat sich als ausreichend für die größte erzielbare Winkelablenkung erwiesen. Vorzugsweise ist der Abstand so kurz wie möglich, um die Schaltzeit auf ein Minimum zu reduzieren.

Die Empfängerlänge sollte so kurz wie möglich sein und sollte schnell und glatt expandieren, um Druckverluste auf ein Minimum zu reduzieren. Die tatsächliche Geometrie wird auf der Basis der Systemerfordernisse, verfügbarer Herstellungstechniken usw. ausgewählt.

Auf der Basis von Versuchsdaten hat sich für die Ablenkung ergeben, daß sie bezüglich der Reynoldszahl eine hohe Korrelation (9o %) hat. Fig. 3 zeigt diese Daten für Auslegungszwecke in günstiger Form.

Man erhält optimale Ergebnisse, wenn der Steuerstrahl den Senderstrahl in einem Winkel von annähernd 9o° schneidet. Es hat sich gezeigt, daß die Vorrichtung in der gewünschten Weise., d. h. mit einer zur Steuerstrahlseite gerichteten Ablenkung, arbeitet, wenn der Winkel zwischen den beiden Strahlen zwischen 45° bis im wesentlichen 9o° variiert.

509837/0287

Bei Winkeln von weniger als 45 neigen die Strahlen dazu, zusammenzuwirken und zu einem einzigen Strahl zusammenzuwachsen, der von der Steuerstrahlseite weg gerichtet ist, ähnlich wie bei einer herkömmlichen Strahlablenkungsvorrichtung. Wenn der Winkel sich 9o nähert, wird zur Ausbildung einer gleichen Ablenkung eine Steuerströmung erforderlich, die immer geringer wird.

Der Steuerungsaustritt sollte so nahe wie möglich an dem Hauptstrahl liegen, um die Anforderungen an die Steuerungsströmung auf ein Minimum zu reduzieren, weil die für eine betriebssichere Wechselwirkung erforderliche Strömung umso größer ist, je weiter sie weg ist, jedoch weit genug entfernt sein, um eine schnelle Rückkehr in den nicht abgelenkten Zustand zu ermöglichen. Es hat sich gezeigt, daß ein Abstand von o,25 mm bis o,38 mm (o,o1o bis o,o15") von dem Strahl optimal ist und daß dieser Abstand im wesentlichen konstant und unabhängig von der Größe des Strahls ist.

Die Sammeleinrichtung für den abgelenkten Strahl sollte so groß wie möglich sein, um zu verhindern, daß der Empfänger untertaucht, was die Druckrückgewinnung verringern und eine unerwünschte Arbeitsweise herbeiführen würde.

Ein schwacher optimaler Effekt wird erzielt, wenn die Durchmesser des Senders, der Steuerung und des Empfängers die gleiche Größe haben. Dadurch und aufgrund offensichtlicher Fabrikationsvorteile bevorzugt man, daß die Düsendurchgangsdurchmesser bei der ganzen Vorrichtung gleichförmig sind.

Es wurde weiterhin gefunden, daß Düsen mit quadratisch geformten Durchgängen genauso wie zylindrische Durchgänge wirksam werden.

509837/0287

Das mit Flüssigkeit arbeitende Fluidelement, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ist so ausgelegt, daß es mit dem Senderstrahl arbeitet, der im wesentlichen vertikal nach unten gerichtet ist. Bei einer Vorrichtung, die Wasser verwendet und einen Düsendurchgangsdurchmesser von o,51 mm (o,o2") hat, erhält man eine zufriedenstellende Sammelwirkung und Steuerung, wenn die Ausrichtung innerhalb 15 zur Vertikalen liegt. Kleinere Vorrichtungen, die mit höheren Geschwindigkeiten arbeiten, verhalten sich bei Abweichungen aus der vertikalen Ausrichtung toleranter als größere Vorrichtungen.

Versuche haben gezeigt, daß die Vorrichtung relativ unempfindlich gegen Schwingung (Kochfrequenz, niedrige Amplitudenaus lenkung) , jedoch gegen Stöße empfindlich ist (niedrige Frequenz, hohe Amplitudenauslenkung), vor allem bei größeren Vorrichtungen, bei welchen die Masse des Fluids groß und die Geschwindigkeiten gering sind.

Da Flüssigkeiten im wesentlichen keine Kapazität und einen relativ hohen Widerstand und eine relativ hohe Induktivität (Fluidträgheit) haben, ist die Impedanz verglichen mit mit Luft arbeitenden Fluidvorrichtungen relativ hoch, wodurch die Forderung einer Impedanzanpassung auf ein Minimum reduziert ist.

Die primären Kriterien für die Auslegung einer digitalen Fluidvorrichtung, die mit einer Flüssigkeit arbeitet, sind folgende: Erforderliche Energiezufuhr, Größe,. Schaltzeit und Druckrückgewinnung.

Die für das Arbeiten der Vorrichtung erforderliche Energie bzw. Leistung ist im wesentlichen eine Funktion des Arbeitsfluids und umgekehrt proportional zur Größe. Die Energieforderung basiert auf dem Zuführungsdruck, der erforderlich ist, um die Strömung mit der geeigneten Reynoldszahl aufrechtzuerhalten, auf dem Volumenstrom und den internen

509837/0287

Verlusten infolge der Geometrie der Vorrichtung einschließlich der Eintrittsverluste, Verengungsverluste, Strömungsverluste usw.. Die erforderliche Energie bzw. Leistung ist eine Funktion der Reynoldszahl des Senderstrahls in der dritten Potenz und umgekehrt proportional zum Durchmesser des Strahls.

Die Größe der Vorrichtung ist eine Funktion des Abstandes zwischen dem Sender und der Steuerdüse, der Länge des Strahls zwischen dem Wechselv/irkungsbereich und dem Empfänger, der Düsenlängen und der Geometrie der Einlasse und der Auslässe zu oder von den Düsen.

Die Schaltzeit ist eine Funktion der Geschwindigkeit des Senderstrahls und des Abstandes zwischen dem Wechselv/irkungsbereich und dem Empfänger. Insbesondere erhält man kürzere Schaltzeiten bei höheren Senderstrahlgeschwindigkeiten und kürzeren Abständen zum Empfänger. Abnehmende Senderstrahldurchmesser erhöhen die Strahlgeschwindigkeit und verringern deshalb die Schaltzeit.

Der Druck in dem Empfänger ist proportional zum Quadrat des Verhältnisses zwischen der Reynoldszahl des Hauptstrahls und dem Strahldurchmesser. Das Verhältnis zwischen dem Druck in dem Empfänger und dem Druck, der.zur Gewährleistung der Steuerung erforderlich ist, ist ein ebenso bedeutender Gesichtspunkt, da dies eine Anzeige für die Anzahl der Elemente, die von der Abgabe eines Elementes betätigt v/erden können, oder für die Auffächerung bzw. Verzweigung der Vorrichtung ist.

Fig. 4 zeigt den Druckfaktor oder den Verstärkungsgrad (Empfängerdruck/ Steuerdruck) bezogen auf die Reynoldszahl des Senderstrahls und des Steuerungsstrahls. Die angegebenen Werte basieren auf einer Durchgangslänge für die Senderdüse und die Steuerdüse von zehn Düsendurchgangsdurchmessern.

509837/0287

Niedrigere Energieanforderungen für eine äquivalente Reynoldszahl und eine niedrigere Störungsanfälligkeit infolge von Verunreinigung können dadurch erreicht v/erden, daß die Größe der Strömungsdurchgänge erhöht werden. Dies hat jedoch zur Folge, daß die Schaltgeschwindigkeit, die Gesamtgröße und die Druckrückgewinnung nachteilig beeinträchtigt werden. Da es keine einzige Kombination gibt, welche eine Maximierung aller Parameter erlaubt, ist es erforderlich, die Betriebscharakteristiken nach der Priorität zu ordnen und die Auslegung für den speziellen gewünschten Verwendungszweck zu optimieren. Für eine Logikschaltungsoperation sind die Erfordernisse der Gesamtenergie, die Schaltzeiten und die Auffächerung die Hauptgesichtspunkte wegen der potentiell großen Anzahl von Vorrichtungen, die für ein einziges System erforderlich sind. Die Wahl des Fluids liegt im wesentlichen zwischen Wasser und Hydrauliköl. Wenn Wasser gewählt wird, können kleine Vorrichtungen mit Energieerfordernissen gebaut v/erden, die annähernd um zwei Größenordnungen geringer sind als bei herkömmlichen mit Luft arbeitenden Fluidvorrichtungen. Die maximal erreichbare Schaltgeschwindigkeit beträgt jedoch annähernd 7 ms. Wenn eine höhere Geschwindigkeit wesentlich ist, sollte Öl verwendet werden. Dadurch wird eine Energie erforderlich, die um eine Größenordnung größer ist als die Anforderung bei Verwendung von mit Luft arbeitenden Vorrichtungen, was sich aufgrund der Notwendigkeit ergibt, daß ein Versorgungsdruck mit einer Größenordnung mehr vorgesehen werden muß.

Im folgenden werden Beispiele für mit Flüssigkeit arbeitende Fluidvorrichtungen der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform mit den Auslegungseinzelheiten erläutert.

509837/0287

Für ein Logiksteuersystem, bei welchem das Arbeitsfluid Wasser ist und für welches eine Schaltzeit von 8 ms für annehmbar angesehen wird, eignen sich folgende Auslegungsparameter: Die Durchmesser der Düsendurchgänge von Sender , Steuerung und Empfänger haben o,51 mm ") . Die Länge des Sender- und Steuerungsdurchgangs

beträgt 5 mm (o,2o"). Der Senderstrahlablenkungswinkel liegt bei 6°. Die Reynoldszahl des Senders (s. Figur 3) beträgt 167o, die Reynoldszahl des Steuerstrahls 95, der Abstand zwischen dem Sender und der Steuerdüsenmittellinie beträgt 1,o mm (o,o4ⁿ), der Abstand von der Steuerungsdüse zur Senderstrahlachse o,51 mm bis o,64 mm (o,o2o" bis o,o25"), die freie Strahlenlänge von der Steuerdüse zum

ο "

Empfänger liegt bei 5 mm (o,o2 cot 6 = o,191 = 4,9 mm).

Die Auffächerung der Vorrichtung liegt bei etwa 18. Der Druckfaktor beträgt annähernd 15o. Das Leistungserfordernis beträgt etwa 9 χ 1o W.

Bei dem folgenden Beispiel soll die hohe Geschwindigkeit das Hauptkriterium, die Leistungsanforderung das sekundäre Kriterium sein. Für diese Erfordernisse wird als Arbeitsfluid ein Hydrauliköl (MIL-H-56o6).gewählt. Geeignete Konstruktionsparameter sind: Ein Düsendurchgangsdurchmesser von o,51mm(o,o2o"), eine Reynoldszahl für den Sender von 12oo, eine Reynoldszahl für die Steuerung von 2oo, ein Ablenkungswinkel von 1o°, eine Durchgangslänge der Senderdüse von 5 mm (o,2o"), ein Abstand von der Steuerdüse zum Empfänger von 2,5 mm (o,1o"). Die erzielbare Schaltgeschwindigkeit beträgt o,53 ms, der Druck in dem Empfänger beträgt o, 14 kp/cm² (1,9'
annähernd o,7 W.

2
o,14 kp/cm (1,97 psi). Die Leistungsförderung liegt bei

Zur Bestimmung der Zahl der Elemente, die von der Abgabe eines Elementes gesteuert werden können, werden Versuche ausgeführt. Es werden zwei Geräte verwendet, die jeweils

509837/0287

aus acht Elementen bestehen. Man findet, daß ein Element die übrigen fünfzehn steuern kann, was eine Auffächerungsfähigkeit der Vorrichtung von wenigstens 15 anzeigt.

Es werden Logikschatkreise unter Verwendung von mit Flüssigkeit arbeitenden NOR-Fluidelementen der in Fig. 2 gezeigten Bauweise gebaut mit einem NICHT-Modul, einem UND-einera ODER-"und einem bistabilen Element sowie einem einstufigen binären Zähler. Durch Verwendung einer Flüssigkeit als Arbeitsfluid können auf zweckmäßige Weise Zeitverzögerungen bei einer geeigneten Leitungslänge erhalten werden. Um bei pneumatischen strömungsmechanischen Einrichtungen eine Verzögerung zu erzielen, wäre entweder eine Kapazität oder ein Widerstand erforderlich, was wiederum die Impedanz ändern würde. Da die mit Flüssigkeit arbeitende Fluidvorrichtung im wesentlichen impedanzunempfindlich ist, kann ein Widerstand in Form einer langen Leitung ohne schädliche Effekte benutzt v/erden.

Die Fluidvorrichtung wird auch so ausgelegt, daß sie durch Rückkoppein bzw. Zurückführen der Abgabe des Empfängers zur Steuerungsöffnung oszilliert. Es hat sich gezeigt, daß die Oszillationsperiode eine direkte Funktion der Senderstrahlströmung ist, daß jedoch das "Zeit-ein/Zeit-aus"-Verhältnis proportional zur Fluidmenge ist, die von dem Empfänger zur Steuerdüse rückgekoppelt bzw. zurückgeführt wird. Durch Messen dieser Menge kann die Strömung in dem Empfänger von annähernd 2o bis 8o % der Senderströmung gesteuert werden. Diese Wirkung kann für ein gesteuertes variables Sampling der Flüssigkeit benutzt werden.

Die Transportzeit zwischen dem Empfänger und der Steueröffnung ist ebenfalls eine Funktion der Kompressibilität des Arbeitsfluids, weil dieser Parameter die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Druckwelle beeinträchtigt. Dadurch kann

509837/0287

die Vorrichtung für die Messung der Kompressibilität und des Elastizitätsmoduls für den Druck einer Flüssigkeit benutzt v/erden, um beispielsweise den gelösten Gasgehalt zu bestimmen.

Die Vorrichtung kann auch für. Strömungsmessungen benutzt werden. Dabei werden Vorrichtungen mit Düsendurchgangsdurchmessern von 3,18 mm (o,125") zusammengefügt mit einer Verbindungsleitung in einer Länge von 1,22 m. Die Strömung wird gemessen durch Zählen der Oszillationsfrequenz.

Erfindungsgemäß wird auch eine Vorrichtung geschaffen, die auf proportionale Weise arbeitet, da der Ablenkungswinkel eine Funktion der Steuerstrahlströmung ist, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Aus Fig. 1 ist-zu sehen, daß der Druck in dem Empfänger 4 ausgehend von einem niedrigen Wert, wenn eine relativ geringe Steuerstrahlströmung zuaeführt wird, d. h. die Senderstrahlablenkung groß ist, zu einem größeren Wert variiert, wenn die Steuerstrahlströmung erhöht wird und der Impuls die Abnahme des Winkels der Senderstrahlablenkung verringert. Der Empfänger braucht nicht notwendigerweise koaxial stromab von dem Sender angeordnet zu sein, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, sondern kann so angeordnet v/erden, daß der Maximaldruck am Empfänger erhalten wird, wenn der Senderstrahl teilweise abgelenkt wird.

509837/0287

Claims

PATENTANSPRÜCHE

JL/ Mit einem flüssigen Fluid betätigte Steuervorrichtung, gekennzeichnet durch eine Senderdüse (2) für den Anschluß an eine Flüssigkeitsversorgungsquelle, die so wirkt, daß sie einen kohärenten und laminaren flüssigen Senderstrahl (5) abgibt, durch eine Steuerdüse (3), die einen flüssigen Steuerstrahl (6) abgibt, dessen Reynoldszahl weniger als 55o beträgt, und so arbeitet, daß der Senderstrahl (5) nach innen zur Steuerdüse (3) hin abgelenkt wird, und durch Empfängereinrichtungen (4), die stromab von dem Sender (2) für die Aufnahme des Senderstrahls angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrahl (6) eine Reynoldszahl zwischen
5o und 55o hat.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrahl (6) eine Reynoldszahl zwischen
5o und 15o hat.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Senderstrahl (5) eine Reynoldszahl von weniger als 2ooo hat.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Senderstrahl (5) eine Reynoldszahl zwischen
1ooo und 18oo hat.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängereinrichtung (4)koaxial stromab von der Senderdüse (2) für die
Aufnahme des nicht abgelenkten Senderstrahls angeordnet ist. 509837/0287
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch
zwei Steuerdüsen, welche ein NOR-Element bilden.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrahl (6)
den Senderstrahl (5) in einem Abstand, der größer
als das 1,5-fache des Senderdüsendurchmessers ist,
stromab von der Senderdüse (2) schneidet.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrahl (6) den Senderstrahl (5) in einem Winkel zwischen 45° und im wesentlichen 9o° schneidet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnitt- bzw. Auftreffwinkel im wesentlichen senkrecht ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Auslasses der Steuerdüse (3) von dem Senderstrahl o,25 rom bis o,38 mm (o,o1" bis o,o15") beträgt.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zusätzliche Empfängereinrichtungen für die Aufnahme des abgelenkten Senderstrahls.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Senderdüse (2), der Steuerdüse (3) und des Empfängereinlasses im wesentlichen gleich ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Senderstrahl (5) im wesentlichen vertikal nach unten gerichtet ist.

509837/0287

Leerseite