Strömungsmittelverstärker
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Strömungsmittelverstärker, insbesondere auf einen Turbulenzverstärker.
Konventionelle Typen von Turbulenzverstärkern weisen üblicherweise einen Emitter, einen Kollektor und eine Steuereinrichtung auf. Bei Betrieb dieses Strömungsmittelverstärkers wird ein laminarer Strömungsmittel-Strahl vom Emitter abgegeben und zumindest teilweise durch den Kollektor aufgenommen.
Nach Auslösung eines geeigneten Signals durch irgendeine Steuereinrichtung wird der bei Normalbetrieb durch den Kollektor aufgenommene Strömungsmittelfluss turbulent, woraus sich eine messbare Verringerung des Strömungsmittel-Staudrucks im Kollektor ergibt. Nach Beendigung dieses Steuersignals werden die laminaren Strömungsbedingungen im Strömungsmittelstrahl sofort wieder hergestellt, und es ergibt sich im Kollektor ein Anwachsen des Strömungsmitteldrucks. Ein solcher monostabiler Strömungsmittelverstärker kann also von einem normalen laminaren Betriebszustand in einen turbulenten Betriebszustand und danach wieder in den normalen Zustand durch Anlegen bzw. Entfernen eines geeigneten Strömungsmittel- Steuersignals oder eines anderen Steuersignals überführt werden.
Turbulenzverstärker dieser Art haben die Eigenschaft, bei Betrieb Schallwellen zu erzeugen, von denen einige bezüglich der Longitudinalrichtung des Hauptstrahls oder -stroms des den Emitter verlassenden Strömungsmittels seitlich nach aussen laufen.
Diese sich seitlich nach aussen bewegenden Schallwellen können nach Reflektion an den umgebenden Wänden ziellos seitlich gegen den Strom des Strömungsmittels und zurück gerichtet werden, was zur Folge haben kann, dass die laminare Strömung des Hauptstroms turbulent wird oder wenigstens dem Übergang zur -tur- bulenten Strömung nähergerückt wird. Unter diesen Bedingungen weisen konventionelle Turbulenzverstärker einen relativ geringen Grad von Betriebsstabilität auf und/oder sie können von einem Betriebszustand in einen anderen durch beliebige Stossbelastungen iiberführt werden. Wenn z.
B. ein konventioneller Turbulenzverstärker den vereinzelten Wirkungen der oben erwähnten reflektierten Schallwellen und beliebiger äusserer Vibration oder Stossbelastungen unterworfen wird, -so ist es sehr gut möglich, dass dies zu einem Zustand führt, in dem der Verstärker von einem laminaren in einen turbulenten Strömungszustand übergeht, ohne dass das dafür üblicherweise erforderliche Steuersignal angelegt worden ist. Dieses Möglichkeit ist selbswerständlich sehr unerwünscht, insbesondere dort, wo der Turbulenzverstärker in einem logischen Kreis oder Steuerkreis Verwendung findet. Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine massgebliche Verbesserung der Stabilität, Verlässlichkeit und anderer Betriebscharakteristiken des Strömungsmittelverstärkers zu erzielen.
Erfindungsgemäss ist der Strömungsmittelverstärker gekennzeichnet durch einen an eine Hauptströmungsmittelquelle anschliessbaren, einen Hauptströ mungskCmal aufweisenden Emitter, wobei der Hauptströmungskanal einen stromaufwärts liegenden Teil zur Erzeugung der anfänglichen laminaren Hauptströmung und eine Auslassöffnung für das Eiauptströmungsmittel aufweist, durch einen zur Ai- nahme mindestens eines Teils der laminar -aus dem Emitter austretenden Hauptströmung vorgesehenen Kollektor und durch eine Steuereinrichtung,
die einen Einlass für ein Steuerströmungsmittel und ein Hilfs- strömungsmittel sowie einen Auslass für das Steuerströmungsmittel und einen mit dem Emitterkanal an einer stromaufwärts zur genannten Auslassöffnung liegt genden Stelle in Verbindung stehenden Auslass für das Hilfsströmungsmittel aufweist und die derart ausgebildet ist, dass bei zugeführtem Steuerströmungsmittel die Zuleitung des Hilfsströmungsmittels zum Emitterkanal gehindert ist, wodurch das Hauptströmungsmittel laminar aus der Auslassöffnung austritt, und dass bei unterbrochener Zuführung des Steuerströmungsrnittels das Hilfsströmungsmittel zum Emitterkanal strömt :d das Hauptströmungsmittel turbulent aus der Auslass öffnung austritt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine axiale Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des Strömungsmittelverstärkers nach der Erfindung.,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht längs der Schnittlinie 2-2 der Fig. 1.
Fig. 3 eine Querschnitsansicht längs der Schnittlinie 3-3 der Fig. 1, Fig. S6 schematische Darstellungen verschiedener auftretender Betriebszustände des Verstärkers,
Fig. 7 eine axiale Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Strömungsmittelverstärkers nach der Erfindung,
Fig. 8 eine Querschnitts-ansicht längs der Schnittlinie 8-8 der Fig. 7
In Fig. 1 ist ein mit einer langgestreckten axialen Bohrung 11 versehener Hauptkörper 10 dargestellt.
Ein rohrförmiger Einsatz 12 mit einer glatten axialen Bohrung 13 ist in der Bohrung 11 angeordnet und durch geeignete Mittel am Hauptkörper 10 befestigt.
Der Einsatz kann auf bekannte Weise mit einer den Strömungsmitteldruck erzeugenden Einrichtung 14 verbunden werden. Das innere Ende des rohrförmigen Einsatzes 12 ist axial von dem Innenende der Bohrung 11 in Abstand angeordnet, dass so dass eine zylindriche Kammer 16 gebildet ist. Das Abströmende des Hauptkörpers 10 weist eine axial spitz zulaufende Aussparung 17 auf, die durch die sich nach aussen erweiternde Leitfläche 18 definiert wird. Die Leitfläche 18 ist an ihrem engen zuströmseitigen Ende mit der Kammer 16 durch eine Auslassöffnung 20 verbunden, deren Querschnittsfläche geringer als die Querschnittsfläche der Kammer 16 ist. Zwei radial durch den Hauptkörper verlaufende Entleerungskanäle oder Auslassbohrungen 21, 22 treffen auf die spitz zulaufende Aussparung 17.
Das abströmseitige Ende des Hauptkörpers 10 weist eine mit Gewinde versehene Innenbohrung 23 auf, in die ein mit einem in axialer Richtung kegelförmigen Vorsprung 25 versehener Haltestutzen 24 eingeschraubt ist. Der kegelförmige Vorsprung 25 liegt koaxial in der spitz zulaufenden Aussparung 17, so dass sein Innenende innerhalb der Aussparung und nur mit geringem Abstand abströmseitig von der Öffnung 20 angeordnet ist. Der Haltestutzen 24 ist mit einer geeigneten Axialbohrung versehen, in der ein eine Axialbohrung 27 aufweisendes Anschlussrohr 26 befestigt ist. Das innere Ende der Bohrung 27 steht mit dem inneren axialen Bereich der Aussparung 17 durch eine enge Bohrung 30, die in dem Vorsprung 25 gebildet ist, in Verbindung, während das äussere Ende der Bohrung 27 mit einer druckempfindlichen Vorrichtung 31 gekoppelt ist.
Die Wand der Bohrung 13, die Kammer 16, die Öffnung 20 und wenigstens das innere Ende der Aussparung 17 bilden den Emitter des vorliegenden Strömungsmittelverstärkers, während die Wände der Bohrungen 27 und 30 gemeinsam den Kollektor des vorliegenden Verstärkers definieren. Diese Bohrungen 13, 30 und 27, die Kammer 16, die Öffnung 20 und die Aussparung 17 sind alle koaxial angeordnet.
Der vorliegende Verstärker weist auch eine Steuereinrichtung auf, die eine enge, sich radial erstreckende Bohrung 32 besitzt, die an ihrem inneren Ende mit der Kammer 16 und an ihrem äusseren Ende mit einer Bohrung 33 in Verbindung steht, die in einem rohrförmigen Passtück 34 gebildet ist. Das Passtück 34, das durch beliebige geeignete Mittel in der im Hauptkörper 10 geformten zugehörigen Bohrung befestigt ist, ist peumatisch an seinem oberen Ende mit einer Strömungssteuereinrichtung 35 gekoppelt, die mit einer in einem Strömungsmittel führenden Durchlass 37 geformten Venturiverengung 36 versehen ist. Die Venturiverengung 36 und die Bohrung 33 bilden eine Absaugeinrichtung, durch die dann, wenn eine Strömung 38 durch den Durchlass 37 fliesst, ein Ansaugen des in der Bohrung 33 befindlichen Strömungsmittels in den Durchlass 37 bewirkt wird.
Daraus folgt, dass einer Strömungsmiftelbewegung durch die Bohrung 33 in die Kammer 16, wie sie während des Betriebs des vorliegenden Verstärkers auftritt, wirksam entgegengewirkt oder diese sehr eingeschränkt wird.
Der vorliegende Verstärker ist in seinem räumlichen Ausmass sehr klein; z. B. wurde eine schon erfolgreich erprobte Verstärkereinheit mit einer Kammer 16 versehen, deren Durchmesser etwa 1,5 mm war, deren axiale Länge etwa 2,5 mm betrug, und wobei die Auslassöffnung 20 einen Durchmesser von angenähert 0,5 mm aufwies. In diesem Verstärker war der Durchmesser der Bohrungen 13 und 30 angenähert 0,5 mm, während der Durchmesser der Bohrung 32 angenähert 0,18 mm betrug. Es ist selbstverständlich, dass diese Dimensionsangaben nur einen Eindruck von den Grös, senverhältnissen eines derartigen Verstärkers liefern sollen, die vorliegende Erfindung jedoch nicht hierauf beschränken. Es ist des weiteren einleuchtend, dass zwei oder mehr der verschiedenen Bauteile des erfindungsgemässen Verstärkers, z.
B. 10, 11, 34, 35, 24 und/oder 26 einteilig ausgebildet sein können, wodurch sich die Herstellung dieser Verstärkereinheiten unter Verwendung bekannter Verfahren, wie Pressen, Spritzgiessen, Ausschmelzen usw., vereinfacht.
Im folgenden soll die Betriebsweise des vorliegenden Verstärkers beschrieben werden:
Das Strömungsmittel fliesst von dem Druckerzeuger, z. B. der Pumpe 14, durch die Bohrung 13, durch die Kammer 16 und aus dem Emitter durch die Öffnung 20 hinaus. Diese Strömung würde normalerweise laminar sein, so dass der grösste Teil des laminaren Strömungsmittelsstrahls, der aus der Auslassöffnung 20 des Emitters austritt, durch die Kollektorbohrungen 30 und 27 aufgenommen würde. Durch die Anordnung der Bohrungen 32 und 33 ist jedoch die Kammer 16 normalerweise für die im Venturirohr 36 herrschenden Strömungsbedingungen offen, so dass sie mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung steht, wenn kein Strö mungsmittelfluss 38 im Durchgang 37 besteht.
Aus diesem Grunde induziert die genannte laminare Strömung durch die Kammer 16 einen Strömungsmittelfluss durch die Bohrungen 33 und 32 und in die Kammer 16, wobei der einströmende Zufluss mit dem Hauptstrom des von der Pumpe 14 kommenden Strömungsmittels mitgerissen wird. Dieses Mitreissen des über die Bohrungen 33 und 32 in die Kammer 16 strömenden Strömungsmittels bewirkt, dass der ursprünglich laminare Strömungsmittelfluss in der Kammer 16 und auch die aus der Öffnung 20 austretende Strömung turbulent werden. Es leuchtet daher ein, dass dann, wenn kein Steuersignal oder Strömungsmittelfluss 38 an die Steuereinrichtung 35 angelegt wird, der vorliegende Strömungsmittelverstärker in seinem normalen Zustand mit turbulenter Strömung betrieben ist, ein Zustand also, in dem in den Kollektorbohrungen 30 und 27 ein niedrigerer Druck herrscht.
Wenn ein Strömungsmittel-Steuersignal 38 an den Durchlass 37 angelegt wird, verhindert der durch das Venturirohr 36 erzeugte Ansaugeffekt in der Bohrung 33 die oben beschriebene normale Strömung durch die Bohrung 33 in die Kammer 16. Diese durch den Ansaugeffekt hervorgerufene Ventilwirkung verhindert daher jegliches Hereinziehen von Strömungsmitteln durch den axialen Strömungsmittel-Hauptstrom in die Kammer 16, so dass der Strömungsmittelfluss in der Kammer und der von der Öffnung 20 ausgehende Strahl laminar werden und solange laminar bleiben, wie das Steuersignal 38 angelegt ist. Gleichzeitig steigt der Strömungsmitteldruck im Koliektor entscheidend an.
Wenn das Steuersignal 38 unterbrochen wird, tritt das oben erwähnte Ansaugen des Strömungsmittels durch den Hauptstrom in der Kammer 16 wieder auf, so dass der Verstärker automatisch in seinen normalen turbulenten Betriebszustand zurückfällt.
Aus der obigen Beschreibung wird klar, dass ein Anwachsen des im Kollektor herrschenden Drucks erreicht wird, wenn ein Steuersignal angelegt wird, und dass ein Druckabfall im Kollektor auftritt, wenn das Steuersignal entfernt wird. Diese Wirkung ist allgemein entgegengesetzt von der Wirkung der konventionellen Turbulenzverstärker. Der Anteil des durch die Durchlässe 21 und 22 abgeführten Strömungsmittels pro Zeiteinheit wird zu einem grossen Teil durch den Aufbau der abströmseitig an den Kollektor angeschlossenen Einrichtung 31 gesteuert.
Wie bereits oben erwähnt, ist der vorliegende Verstärker so ausgebildet, dass er eine bedeutend verbesserie Betriebsstabilität besitzt und in bedeutend geringerem Masse falschen Betriebszustand-Änderungen aufgrund mechanischer Stossbelastungen, Schallwellen und/oder Vibrationserscheinungen ausgesetzt ist. Das Vorliegen der sich nach aussen erweiternden Leitfläche 18, insbesondere des Teils dieser Leitfläche, der etwa zwischen der Emitterauslas;söffnung 20 und dem zuströmseitigen Ende der Kollektorbohrung 30 liegt, führt zu zwei sehr entscheidenden Vorteilen. Erstens verbessert die Leitfläche bei Betrieb die Stabilität jeder zwischen der Emitterauslassöffnung 20 und der Kollektorbohrung 30 auftretenden laminaren Strömung. Zur Erläuterung dieser Vorteile wird auf die Schemazeichnungen gemäss Fig. 4 und 5 Bezug genommen.
Wie in Fig. 4 gezeigt, erzeugt jede laminare Strömung 40 seitlich nach aussen laufende Schallwellen 41, die durch eine benachbarte Wandung 42 zur laminaren Strömung 40 reflektiert werden können, wodurch die Strömung in Turbulenz überführt werden kann, oder, falls dies nicht geschieht, die Stabilität dieser laminaren Strömung geschwächt wird, wodurch die Gefahr wächst, dass die Strömung ungewollt aufgrund mechanischer Stossbelastungen oder ähnlicher Erscheinungen turbulent wird.
Wie in Fig. 5 gezeigt, führt eine gekrümmte, sich nach aussen erweiternde Leitfläche 42a dazu, dass die sich radial nach aussen bewegenden Schallwellen unter Kontrolle gebracht werden können und, wie bei 44 dargestellt, so reflektiert werden können, dass eine Reflektion der Schallwellen in den laminaren Strom 40 vermieden werden kann und letzterer in seinem laminaren Zustand bleibt und in hohem Masse stabil und von mechanischen Stossbelastungen und ähnlichen Belastungen unbeeinflusst bleibt. Die sich nach aussen erweiternde Leitfläche 18 verhindert also, dass die sich im wesentlichen radial nach aussen bewegenden Schallwellen bei laminarem Zustand des Verstärkers die laminare Strömung zwischen der Emitterauslassöffnung 20 und der Kollektorbohrung 30 stören.
Der zweite massgebliche Vorteil, der durch die Anordnung der Leitfläche 18 erzielt wird, ist die in hohem Masse stabilisierte turbulente Strömung, während der Verstärker im turbulenten Zustand arbeitet.
Wie in Fig. 6 allgemein dargestellt, neigt jede Strömung 50 dazu, sich z. B. wie bei 51 an eine feste Fläche anzulegen oder wenigstens entlang einer Fläche 52 zu fliessen, die einen allmählich auseinanderlaufenden Durchflusskanal bildet. Es ist leicht zu sehen, dass diese allgemeine Strömungseigenschaft in der Anwendung auf den vorliegenden Verstärker bewirkt, dass die aus der Öffnung 20 austretende Strömung der Leitfläche 18 folgt, wenn der Verstärker in seinem turbulenten Zustand ist.
Diese offensichtlich durch den Grenzschichteffekt bewirkte Tendenz des Strömungsmittels, sich an eine Aussenfläche anzulegen, bewirkt nicht nur eine Stabilisierung der turbulenten Strömung, sondern hat auch einen weiteren Druckabfall des im Kollektor des Verstärkers auftretenden Ausgangsdrncks aufgrund des Auseinanderströmens des Strömungsmittels zur Folge. Diese zuletzt genannte Eigenschaft ergibt eine weitere und einheitlichere Druckdifferenz im Kollektor, wenn der Verstärker seinen Zustand ändert, so dass sich eine bedeutende Verbesserung des Signal-Störver hältnisses des Ausgangsdrucks im Kollektor bei dem erfindungsgemässen Verstärker ergibt.
Die beiden oben beschriebenen Vorteile, die sich bei Verwendung einer Leitfläche 18 ergeben, gestatten es, dass das zuströmseitige Ende der Kollektorbohrung 30 axial viel mehr an die Öffnung 20 des Emitters herangeführt werden kann, als es bei bisher bekannten Vorrichtungen dieser Art möglich war, und dies führt wiederum zu entscheidend höheren Schaltgeschwindigkeiten, die mit dem vorliegenden Verstärker erzielt werden können.
Wie oben erwähnt, werden die normalerweise durch eine laminare Strömung erzeugten Schallwellen in kontrollierter Weise durch die sich nach aussen erweiternde Leitfläche 18 abgelenkt. Es ist nun wünschenswert, diese abgelenkten Schallwellen von der Einheit fortzuführen und/oder sie zu absorbieren, so dass sie nicht das erwünschte, stabile Funktionieren des Verstärkers beeinträchtigen können. Zu diesem Zweck ist ein weiches, ringförmiges Stück aus schwammartigem, flexiblem, zellenförmigem oder porösem Material 53 in der Nähe des effektiven, abströmseitigen Endes der Leitfläche 18 in einer Stellung angeordnet, in der es die abgelenkten Schallwellen aufnehmen und absorbieren kann.
Dieses so angeordnete poröse Material dient ebenfalls vorteilhafterweise dazu, das Eintreten von Schall- oder ähnlichen Wellen von aussen gelegenen Quellen in den Bereich zwischen Emitter und Kollektor zu verhindern.
Die sich nach aussen erweiternde Leitfläche 18 kann allgemein glockenförmig oder auch konisch ausgebildet sein; die besondere Form eines jeden Verstärkers richtet sich wenigstens teilweise nach der Ausbildung der anderen zum Verstärker gehörigen Bauteile.
In den Fig. 7 und 8 ist ein weiterer Strömungsverstärker mit einer Strömungsmittel-Ansaugkammer 116 gezeigt, der eine Strömungsmittel-Versorgungsleitung 113, eine Steuereinrichtung 135 und eine Emitter-Auslassöffnung 120 aufweist, die jeweils in ihrem Aufbau und in ihrer Wirkungsweise den entsprechenden Bauteilen 16, 13, 35 und 20 des in den Fig. 1-3 gezeigten Verstärkers entsprechen. Der in den Fig. 7 und 8 gezeigte Verstärker ist mit einem geeigneten Kollektor versehen, der ein Kollektorrohr 126 mit einer Bohrung 127 aufweist, wobei das innere Ende 130 des Rohrs 126 koaxial zur Emitter-Auslassöffnung 120 angeordnet ist. Das Aussenende des Kodektorohrs 126 ist mit einer durch den Verstärker zu steuernden Einrichtung 131 verbunden.
Das Kollektorrohr 126 ist in geeigneter Weise in einem Deckel 124 befestigt, der am abströmseitigen Ende des Hauptkörpers 110 in geeigneter Weise fest angeordnet ist. Dieses abströmseitige Ende des Hauptkörpers 110 ist mit einer axial verlaufenden Ausnehmung 117 und radialen Auslassbohrungen 121 und 122 versehen.
Die Betätigungscharakterisfik am Ausgang des Verstärkers gemäss den Fig. 7 und 8 entspricht der Cha rakteristik des anhand der Fig. 1-3 beschriebenen Verstärkers. Wenn also in normalem Zustand kein Signal oder Strömungsfluss 138 vorliegt, ist die aus der Emitterauslassöffnung 120 austretende Strömung turbulent, und der im Kollektorrohr 126 auftretende Strömungsmitteldruck ist relativ niedrig. Wenn umgekehrt ein Signal oder Strömungsmittelfluss 138 anliegt, wird, wie oben beschrieben, die aus der Emitterausgangsöffnung 120 austretende Strömung laminar und der Strömungsmitteldruck im Kollektorrohr 126 wird beträchtlich erhöht.
Daher haben die auf der Grundlage der Turbulenzinduktion arbeitenden Verstärker gemäss den Fig. 1-3 und 7-8 eine Ausgangswirkung, die gegen über derjenigen der konventionellen Turbulenzverstär- ker umgekehrt ist.