EP4522872A1 - Hydraulischer schalter und bohrhammer - Google Patents

Hydraulischer schalter und bohrhammer

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EP4522872A1
EP4522872A1 EP23727462.6A EP23727462A EP4522872A1 EP 4522872 A1 EP4522872 A1 EP 4522872A1 EP 23727462 A EP23727462 A EP 23727462A EP 4522872 A1 EP4522872 A1 EP 4522872A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydraulic switch
channel
outlet
switch according
longitudinal section
Prior art date
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Granted
Application number
EP23727462.6A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP4522872B1 (de
Inventor
genannt Fleutert Philipp Schroer
Simon HAHN
Volker Wittig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4522872A1 publication Critical patent/EP4522872A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4522872B1 publication Critical patent/EP4522872B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B21/00—Common features of fluid actuator systems; Fluid-pressure actuator systems or details thereof, not covered by any other group of this subclass
    • F15B21/12—Fluid oscillators or pulse generators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D9/00—Portable percussive tools with fluid-pressure drive, i.e. driven directly by fluids, e.g. having several percussive tool bits operated simultaneously
    • B25D9/06—Means for driving the impulse member
    • B25D9/12—Means for driving the impulse member comprising a built-in liquid motor, i.e. the tool being driven by hydraulic pressure
    • B25D9/125—Means for driving the impulse member comprising a built-in liquid motor, i.e. the tool being driven by hydraulic pressure driven directly by liquid pressure working with pulses
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/06—Down-hole impacting means, e.g. hammers
    • E21B4/14—Fluid operated hammers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15C—FLUID-CIRCUIT ELEMENTS PREDOMINANTLY USED FOR COMPUTING OR CONTROL PURPOSES
    • F15C1/00—Circuit elements having no moving parts
    • F15C1/08—Boundary-layer devices, e.g. wall-attachment amplifiers coanda effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15C—FLUID-CIRCUIT ELEMENTS PREDOMINANTLY USED FOR COMPUTING OR CONTROL PURPOSES
    • F15C1/00—Circuit elements having no moving parts
    • F15C1/22—Oscillators

Definitions

  • any fluid is supplied to the separating chamber via the inlet opening, for example water, an alcohol, a glycol or an oil.
  • the drive fluid can be supplied to the septal chamber at any flow rate and slightly increased pressure to produce a sufficiently fast fluid jet at the inlet. Due to the Coandä effect, the drive fluid supplied through the inlet opening lies against a wall of the separating chamber and leaves the separating chamber through the first or second outlet opening.
  • a first and second feedback channel is available to generate the switching pulse, the inputs of which are each located in the lower longitudinal section of one of the outlet channels and the outputs of which open on opposite sides of the inlet channel.
  • the hydraulic switch according to the invention has the advantage over known hydraulic switches of stable and reliable running and reliable starting of the piston or the docked consumer. Compared to known mechanical switching elements, the hydraulic switch according to the invention has the advantage of low-wear operation without moving parts. This means that drive fluids can also be used that have an abrasive effect due to dispersed particles, for example dirty water or rinsing fluids.
  • At least one tear-off edge can be arranged in the wall of the separation chamber, the distance from the inlet opening of which influences the operation of the Coandä effect. In the hydraulic switch according to the invention, this is between approximately 40% and approximately 60% of the length of the separation chamber. In this way, the tear-off edge is arranged further upstream than in known hydraulic switching elements. This feature has the effect of stabilizing the Coanda effect of the incoming jet, so that it is drawn more strongly to the inner wall of the vaginal chamber. This stabilizes the flow so that the hydraulic switch can be operated more reliably and the oscillation does not suddenly stop. The height of the tear-off edge above the wall of the vaginal chamber determines the resulting negative pressure.
  • the hydraulic switch may further include at least a first drain channel and a second drain channel, wherein the the first outflow channel is located in the upper longitudinal section and above the feedback channel of the first outlet channel and the second outflow channel is located in the upper longitudinal section and above the feedback channel of the second outlet channel.
  • the outflow channel and the outlet channel include one that is as pointed as possible. This can be between around 25° and around 50°.
  • the drain channels have the task of discharging the drive fluid ejected during the countermovement of the consumer without influencing the flow emerging from the vaginal chamber.
  • the cross section of the drainage channels can be between about 5 mm 2 and about 80 mm 2 .
  • the conserved pressure ie the ratio of the output pressure at the end of the outlet channels in relation to the inlet pressure in the inlet channel, can be influenced within wide limits, so that the hydraulic switch can be adapted to the requirements of a downstream, hydraulically driven device.
  • the cross-sectional area of the outlet determines the back pressure when filling the piston chambers.
  • the openings can also have different cross-sectional areas if the consumer has asymmetrical pressure losses, for example due to connecting channels of different lengths.
  • a Input filter can be arranged. Such an input filter prevents the feedback channel from becoming clogged, for example by dispersed particles when dirty water is used as the drive fluid. This feature can thus increase the reliability of the hydraulic switch.
  • the hydraulic switch can have a base plate and a cover plate, with a plurality of fitting elements being inserted at a distance between the base plate and the cover plate, so that these distances between the fitting elements include at least a separation chamber, an inlet channel, a first and second outlet channel, form a first and second feedback channel and at least two outflow channels.
  • a construction of the hydraulic switch has the advantage that the fitting elements can be manufactured separately. This increases the design diversity of the hydraulic switch, so that the geometry of the switch, which influences its performance, can be adjusted within wide limits.
  • the interior surfaces of the hydraulic switch are accessible for a coating or curing process during the manufacturing process prior to final assembly, such that the interior surface of the separation chamber, the inlet channel, the first and second outlet channels, the first and second feedback channels, and/or the optional drain channels can be at least partially hardened and/or coated with a protective wear layer.
  • a wear protection layer can have a layer of diamond-like carbon with or without metal doping.
  • the wear protection layer can contain or consist of a carbide or a nitride, for example titanium nitride and/or hard chromium and/or silicon nitride.
  • the wear protection layer can be applied in a manner known per se by plasma spraying, flame spraying, thermal evaporation, magnetron sputtering or other thin-film processes known per se.
  • the separation chamber between the first outlet opening and the second outlet opening may be convexly shaped.
  • the geometry according to the invention results in more stable running and a lower pressure loss at the end of the outlet channels.
  • the distance between the base plate and the cover plate and thus the depth of the channels can be varied.
  • the thickness of the fitting elements directly influences the cross section of the hydraulic switch, so that the relationship between pressure and volume can be adapted within wide limits to the requirements of the device operated with the hydraulic switch.
  • the pressure that develops above the hydraulic switch decreases as the channel depth increases.
  • the inlet channel may have a width of approximately 2.05 mm. This allows the pressure loss in the inlet channel to be adjusted within wide limits. This dimension also determines the speed of the incoming jet and thus also the stability of the hydraulic switch.
  • Figure la shows a hydraulic switch according to a first embodiment with the cover plate removed.
  • Figure lb shows the hydraulic switch according to the first
  • Figure 2 shows an exemplary embodiment of an input
  • Figure 3a shows a hydraulic switch according to a second embodiment with the cover plate removed.
  • Figure 3b shows the hydraulic switch according to the second
  • Figure 3c shows individual parts of the hydraulic switch according to the second embodiment.
  • Figure 4 shows the relationship between volume flow and inlet pressure for different inlet channel widths.
  • Figure 5 shows the pressure versus the volume flow depending on the milling depth or the distance between the base plate and the cover plate.
  • Figure 6 shows the pressure ratio of a working fluid between the inlet channel and the outlet of the hydraulic switch.
  • Figure 7 shows the influence of the position of the tear-off edge on the switching frequency depending on the input pressure.
  • the hydraulic switch 1 consists of a piece of material 15 which is provided with cutouts.
  • the piece of material 15 has a flat front side, which can be closed with a cover plate 11, after the separation chamber and the other components of the hydraulic switch have been manufactured by milling recesses in the material block 15.
  • the hydraulic switch 1 can be manufactured not only by milling, but also by a generative manufacturing process, in particular layered application and subsequent melting of a metallic powder.
  • the hydraulic switch can be produced by means of a casting process, at least in the raw form, which can subsequently be post-processed by optional machining.
  • An optional seal can be inserted between the material block 15 and the cover layer 11 in order to prevent liquid from escaping from the gap formed between the material block 15 and the cover layer 11.
  • the cover layer 11 can be attached to the material block 15 using screws (not shown). In other embodiments of the invention, the cover layer 11 can also be connected by gluing or welding, which can simultaneously result in a seal. In still other embodiments of the invention, the cover layer 11 can also be connected by one or more clamping elements.
  • the hydraulic switch 1 has a separation chamber 2, which has an inlet opening shown above in FIG.
  • the inlet channel 4 has a connecting piece 40, which can be provided with a screw thread, for example.
  • the connecting piece 40 can be equipped with a Hose line can be connected through which a drive fluid can be supplied.
  • the drive fluid can contain or consist of, for example, water or an oil or a glycol or an alcohol. Abrasive particles may be dispersed in the drive fluid.
  • the drive fluid supplied to the separation chamber via the inlet channel 4 rests against a wall 20 of the separation chamber 2 due to the Coandä effect and thereby reaches the first or second outlet opening 21 or 22.
  • An outlet channel 51 and 52 begins at the outlet openings.
  • Each outlet channel has a first longitudinal section 511 and 521.
  • the cross section or the cross-sectional area of the outlet channel increases with length starting from the first outlet opening 21 of the separation chamber 2.
  • the cross section of the second outlet channel 52 increases in its first longitudinal section 521 starting from the second outlet opening 22 of the separation chamber 2.
  • the increase in cross section can be linear or square, for example.
  • the first longitudinal section 511 and 521 is followed by a second longitudinal section 512 and 522, in which the respective outlet channel has a constant or almost constant cross-sectional area.
  • At the end of the second longitudinal section 512 and 522 of the outlet channels 51 and 52 there is an outlet opening 61 and 62.
  • the cross section of the outlet channels can be polygonal or round. If the separation chamber, the inlet channel and the outlet channels are created by milling the material block 15, a square or rectangular cross section is particularly suitable, which is determined by the milling depth and the milling width is easily controllable and adaptable to different applications of the hydraulic switch.
  • the entrance 311 of a first feedback channel 31 is located in the lower longitudinal section of the first outlet channel.
  • the end 312 of the first feedback channel 31 is located in the separation chamber 2.
  • the end 312 of the first feedback channel 31 is arranged at the end of the inlet channel 4.
  • the end 312 can also be arranged further downstream within the separation chamber 2, for example in a range between approximately 5% and approximately 20% of the length of the separation chamber 2 measured in the direction of flow.
  • the entrance 321 of a second feedback channel 32 is located opposite in the second longitudinal section 522 of the second outlet channel 52.
  • the end 322 of the second feedback channel 32 is also located in the separation chamber 2 opposite the end 312 of the first feedback channel 31.
  • the drive fluid can thus be used to operate one or more hydraulic devices and drive the oscillating piston of a hammer drill, for example.
  • the first outlet opening 61 is connected, for example, to the lower end of the cylinder and the second outlet opening 62 is connected to the upper end of the cylinder, so that the piston located in the cylinder is alternately acted upon by the drive fluid from above and below and thereby oscillates and exerts impact energy on a drilling tool connected to the hammer drill.
  • the drive fluid ejected by the hammer drill during the respective countermovement reaches the first and second outlet channels 51 and 52 in a return flow via the respective outlet openings 61 and 62.
  • the first outflow channel 71 can be positioned in the first longitudinal section 511 of the first outlet channel 51.
  • the second outflow channel 72 can start in the first longitudinal section 522 of the second outlet channel 52, the respective outflow channel 71 and 72 and the first longitudinal section 511 and 521 of the respective outlet channel 51 and 52 enclosing an angle between approximately 25° and approximately 50°.
  • This arrangement of the outflow channels which is steeper than the prior art, prevents the drive fluid from being discharged from the respective outlet opening 21 or 22 directly into the outflow channels 71 or 72 without reaching the outlet openings 61 or 62 and at the same time makes it easier the outflow of the used fluid during the countermovement.
  • the milling depth within the material block 15 can be varied as desired in some embodiments of the invention. As will be explained below with reference to FIG. 5, the milling depth influences the pressure applied to the outlet openings 61 and 62, so that the hydraulic switch can be adapted to future use during its manufacture.
  • Figure 2 shows the first outlet channel 51 and a part of its first longitudinal section 511 and its second longitudinal section 512.
  • the input filter 35 can contain a porous material, for example a polymer foam or a metal foam.
  • the input filter 35 can be a braid, a knitted fabric or a non-woven fabric or random fibers made of a metal or plastic or contain such an element.
  • a second embodiment of the hydraulic switch 1 according to the present invention is explained in more detail with reference to FIG.
  • the same components of the invention are provided with the same reference numbers, so that the following description is limited to the essential differences.
  • the hydraulic switch according to the second embodiment differs from the first embodiment shown in Figure 1 essentially a changed mechanical structure.
  • the hydraulic switch includes a base plate 10 and a cover plate 11, with a plurality of fitting elements between the base plate and the cover plate
  • the fitting elements 151, 152, 153, 154 and 155 is arranged.
  • the thickness of these fitting elements and thus the distance between the base plate and the cover plate 11 is based on the milling depth of the first embodiment described above.
  • An optional seal can be inserted between the fitting elements and the cover plate 11 or the base plate 10, which prevents undesired leakage of liquid.
  • the fitting elements 151, 152, 153, 154 and 155, the cover plate 11 and the base plate 10 can be connected to one another by a positive connection, by a material connection, by clamping or screwing.
  • Figure 3a shows the base plate 10 and the fitting elements 151
  • the fitting elements 151, 152, 153, 154 and 155 in the form shown can be manufactured, for example, by machining, by original molding or by a generative manufacturing process.
  • the fitting elements 151, 152, 153, 154 and 155 are preferably made of a metal or a plastic, in particular steel or stainless steel.
  • What is particularly advantageous about the second embodiment shown in FIG. 3 is its accessibility the inner surfaces of the separation chamber, inlet channel and outlet channels during the manufacturing process, so that these surfaces can be provided with an optional coating which adjusts the surface quality to a desired setpoint in order to support the Coanda effect of the drive fluid on the wall 20 of the separation chamber 2.
  • the coating can be a wear-reducing coating which increases the operating life of the hydraulic switch.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen 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, wobei der hydraulische Schalter (1) weiterhin einen ersten und einen zweiten Rückkopplungskanal (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. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Bohrhammer mit einem solchen hydraulischen Schalter.

Description

Hydraulischer Schalter und Bohrhammer
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 hydrau- lischen Schalters ein Antriebsfluid unter Druck zugeführt. Das Antriebsfluid verlässt die Scheidekammer durch eine der beiden gegenüberliegenden Auslassöffnungen. Hierzu wird der Coandä-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. 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 Bohrhammer nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. Erfindungsgemäß wird ein hydraulischer Schalter vorge- schlagen, welcher eine Scheidekammer aufweist. Die Scheide- kammer weist an einer Seite eine Einlassöffnung auf. An der Einlassöffnung auf der gegenüberliegenden Seite der Scheide- kammer 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 Scheide- kammer 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 Coandä-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 Auslass- öffnung .
An jede Auslassöffnung schließt sich jeweils ein Auslass- kanal 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 Coandä-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 gegenüber- liegende 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 Scheide- gkmmer 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 gegenüberliegen- den 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 zuver- lässiger, sodass der Lauf des Schalters stabiler wird und die Schaltwechsel seltener zum Erliegen kommen. Vergleichs- versuche haben gezeigt, dass die Verlängerung der Rück- kopplungskanäle und deren tieferer Ansatz im zweiten Längs- abschnitt der Auslasskanäle die Schaltpulse um bis zu 30 % verstärken kann.
Ein mögliches Einsatzgebiet des beschriebenen hydraulischen Schalters kann beispielsweise ein an sich bekannter Über- oder 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 Bohrwerk- zeug 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 Coandä-Effekts beeinflusst. In dem erfindungsgemäßen hydraulischen Schalter liegt diese zwischen etwa 40 % und etwa 60 % der Länge der Scheide- kammer. Auf diese Weise ist die Abrisskante weiter stromaufwärts angeordnet als bei bekannten hydraulischen Schaltelementen. Dieses Merkmal hat die Wirkung, dass der Coandä-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 Unterdrück.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der hydrau- lische Schalter weiterhin zumindest einen ersten Abfluss- kanal 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 Coandä-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 Quer- schnitt 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 ingangsfilter angeordnet sein. Ein solcher Eingangsfilter verhindert, dass der Rückkopplungskanal verstopft, beispielsweise durch dispergierte Partikel, wenn Schmutz- wasser als Antriebsfluid verwendet wird. Dieses Merkmal kann somit die Zuverlässigkeit des hydraulischen Schalters erhöhen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der hydraulische Schalter eine Basisplatte und eine Deckplatte aufweisen, wobei zwischen der Basisplatte und der Deckplatte eine Mehrzahl von Passelementen beabstandet eingebracht sind, sodass diese Abstände zwischen den Passelementen zumindest eine Scheidekammer, einen Einlasskanal, einen ersten und zweiten Auslasskanal, einen 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 Verschleiß- --hutzschicht beschichtet werden können.
Eine Verschleißschutzschicht kann in einigen Ausführun--formen der Erfindung eine Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff mit oder ohne Metalldotierung aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Verschleii- schutzschicht 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 Scheide- kammer zwischen der ersten Auslassöffnung und der zweiten Auslassöffnung konvex geformt sein. Gegenüber bekannten Aus- führungsformen eines hydraulischen Schalters, bei welchem die Scheidekammer zwischen den Auslassöffnungen konkav geformt ist, ergibt sich durch die erfindungsgemäße Geo- metrie 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 Einlass- kanal 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 la einen hydraulischen Schalter gemäß einer ersten Ausführungsform mit entfernter Deckelplatte. Figur lb 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 zweiten 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 Eingangs- druck für verschiedene Einlasskanalbreiten.
Figur 5 zeigt den Druck gegen den Volumenstrom in Abhängig- keit der Einfrästiefe bzw. des Abstandes der Basis- platte 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 erste Ausführungsform eines hydraulischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung 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 schicht- -eises Aufbringen und nachfolgendes Aufschmelzen eines metallischen Pulvers. In anderen Ausführungsformen der Erfindung 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 Flüssigkeits- -ustritt 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 Ausführungs- formen der Erfindung kann die Decklage 11 auch durch Kleben oder Schweißen verbunden werden, wodurch sich gleichzeitig eine Abdichtung ergeben kann. In wiederum anderen Aus- führungsformen der Erfindung 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 la oben dargestellte Einlassöffnung aufweist sowie gegenüberliegend zumindest eine erste Aus- lassöffnung 21 und eine zweite Auslassöffnung 22. Die Einlassöffnung der Scheidekammer 2 ist mit einem Einlass- kanal 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 hydrau- lischen Schalters kann das Anschlussstück 40 mit einer Schlauchleitung verbunden werden, durch welche ein Antriebs- fluid 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 Coandä-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 Auslass- öffnung 21 der Scheidekammer 2 ausgehend mit der Länge zu. In gleicher Weise nimmt der Querschnitt des zweiten Auslass- kanals 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 unter- schiedliche 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 Ausführungs- -ormen der Erfindung kann das Ende 312 auch weiter stromab- wärts innerhalb der Scheidekammer 2 angeordnet sein, bei- spielsweise 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 Ein- gang 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 Einlass- kanal 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 Auslass- Öffnungen 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 Auslass- öffnung 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 austre- tenden 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 Auslass- öffnungen 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 Ausführungsformen der Erfindung kann beliebig variiert werden. Wie nachfolgend anhand der Figur 5 erklärt werden wird, beeinflusst die Einfrästiefe den an den Aus- lassöffnungen 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 Längsab- schnitt 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 Polymer- schaum 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 nach- folgende 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 Aus- führungsform enthält der hydraulische Schalter eine Basis- platte 10 und eine Deckplatte 11, wobei zwischen der Basis- platte 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 vor- stehend 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 Passele- mente 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 Basis- platte 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 Coandä-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 Quer- schnittsfläche 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:
Die zugehörige Ebenengleichung für die Breite b des Einlass- kanals 4 ermöglicht die Bestimmung des Drucks bei verschiedenen Volumenströmen innerhalb des untersuchten Messbereiches : p(V,b)= 0,00422•V2 + 9,02262•b2-0,31560•V •b+ 1,60487•V-36,53840•b+ 0,30664
Dieser Zusammenhang gilt für einen Volumenstrom von 601/min bis 1401/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 Querschnitts- fläche 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 Eingangs- druckes p von der Einfrästiefe t und dem Volumenstrom V lautet: p(y,t)= 0,00334•V2 + 0,01941•t2 - 0,01974•V •t+ 0,29973•V- 0,31235•t-0,04695 Auch diese Gleichung gilt für einen Volumenstrom zwischen 60 1/min und 1401/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:
Das Verhältnis zwischen Eingangsdruck und Ausgangsdruck kann wie nachstehend modelliert werden:
— (7,v)= 0,00026•V2 - 1,15189•v2 + 0,001194•V •v-0,033860•V + Pout
8,48938-v-8,41896
Dieser Zusammenhang gilt wiederum für eine Volumenstrom von 60 1/min bis 1401/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 Abriss- kante 25 in der Wandung 20 der Scheidekammer 2. Dargestellt ist der Eingangsdruck auf der Abszisse und die Schalt- frequenz 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. Darge- stellt ist in Kurve A der Kraftverlauf gegen den Eingangs- -ruck, 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 darge- stellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Be- Schreibung 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 Aus- führungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Die Forschungsarbeiten, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, wurden von der Europäischen Union gefördert.

Claims

Ansprüche 1. 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 Auslass- öffnung (21, 22) ausgehend eine mit der Länge zunehmende Querschnittsfläche aufweist und der zweite Längsabschnitt (512, 522) eine konstante Querschnittsfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Schalter (1) weiterhin einen ersten und einen zweiten Rück- kopplungskanal (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. 2. Hydraulischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass in der Wandung (20) der Scheidekammer (2) zumindest eine Abrisskante (25) angeordnet ist, deren Abstand von der Einlassöffnung (4) variiert werden kann und im erfindungsgemäßen hydraulischen Schalter zwischen etwa 40% und etwa 60% der Länge der Scheidekammer (2) liegt . 3 . 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 Auslass- kanals (51, 52) einen Winkel zwischen etwa 25° und etwa 50° einschließen. 4. Hydraulischer Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Querschnitt der Abflusskanäle (71, 72) zwischen etwa 5 mm2 und etwa 80 mm2 beträgt. 5. 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. 6. Hydraulischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Basisplatte (10) und eine Deckplatte (11) enthält, wobei 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 eine Scheidekammer (2), einen Einlasskanal (4), einen ersten und zweiten Auslasskanal (51, 52), einen ersten und einen zweiten Rückkopplungskanal (31, 32) und optionale Abflusskanäle (71, 72) bilden. 7. Hydraulischer Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Abstand der Basisplatte (10) und der Deckplatte (11) zwischen etwa 5 mm und etwa 30 mm beträgt, aber entsprechend des gewünschten Volumenstroms eingestellt werden kann. 8. Hydraulischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen der Scheidekammer (20), des Einlasskanals (4), der ersten und zweiten Auslasskanäle (51, 52), der ersten und einen zweiten Rückkopplungskanäle (31, 32) und/oder der optionalen Abflusskanäle (71, 72) zumindest teilweise gehärtet und/oder mit einer Verschleißschutzschicht beschichtet sind. 9 . Hydraulischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheidekammer (2), zwischen der ersten Auslassöffnung (21) und der zweiten Auslassöffnung (22) konvex geformt ist. 10.Hydraulischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (4) eine Breite von etwa 2,05 mm aufweist, und je nach gewünschter Einströmgeschwindigkeit variiert werden kann. 11. Hydraulischer Schalter nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht DLC und/oder TiN und/oder Cr und/oder SiN enthält oder daraus besteht. 12. Kolbenbetriebener Verbraucher, beispielsweise ein Bohrhammer, mit einem Schlagwerk und einem hydraulischen Schalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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