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Strömungsgesteuerter Strahlverstärker Die Erfindung betrifft einen
strömungsgesteuerten Strahlverstärker, der unter Anwendung des Grenzschichteffekts
arbeitet, mit einem aus einer Düse in eine Ablenkkammer eintretenden Hauptstrahl,
mit seitlich zum Hauptstrahl in die Ablenkkammer mündenden Steuerkanälen und Auslaßkanälen
für den Hauptstrahl. Derartige Einrichtungen werden vorzugsweise angewendet in digitalen
Datenverarbeitungssystemen und Rechenanlagen, können aber auch Teile einer Regel-
oder Steuereinrichtung sein.
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Zur Übertragung binärer Informationen sind Einrichtungen bekannt,
in denen sich gegenseitig beeinflussende freie Strahlen eines strömenden Mediums,
z. B. Öl oder Luft, verwendet werden. Die aus verschiedenen Öffnungen oder Düsen
in eine Kammer frei austretenden Strahlen verlassen je nach ihrer gegenseitigen
Beeinflussung die Kammer durch verschiedene Ausgänge, wodurch entsprechende Ausgangssignale
erzeugt werden. Der momentane Austausch der Strömungsenergie der freien Strahlen
untereinander erfordert verhältnismäßig großen Leistungsaufwand für die Steuerung.
Da keine Hilfsenergie zugeführt wird, haben derartige Systeme keine Verstärkungswirkung,
und ihr Anwendungsgebiet ist demgemäß beschränkt.
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Es sind auch Einrichtungen mit mechanischen Steuermitteln bekannt,
die beispielsweise als Ventile mit beweglichen Kolbenschiebern ausgebildet sind
und in denen durch eine hydraulische bzw. pneumatische Steuerung der Kolbenschieber
die gewünschten Verknüpfungen hergestellt werden können. Die in derartigen Einrichtungen
verwendete Flüssigkeit wird unter Druck gehalten, so daß durch eine Hilfsenergie
eine entsprechende Verstärkung der Ausgangssignale möglich ist. infolge -der Bewegung
mechanischer Teile, der auftretenden Reibung und der bei hohen Kolbengeschwindigkeiten
auftretenden Kavitationserscheinungen ist die Arbeitsgeschwindigkeit solcher Einrichtungen
verhältnismäßig eng begrenzt.
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Unter der Bezeichnung Strahlverstärker sind weiterhin Einrichtungen
bekanntgeworden, bei denen ein aus einer Düse austretender Hauptstrahl einer Flüssigkeit
oder eines Gases in eine oder mehrere Richtungen abgelenkt werden kann. So wurde
beispielsweise eine Anordnung vorgeschlagen, bei der die Lage des Hauptstrahls durch
einen seitlirch auftreffenden Hilfsstrahl steuerbar ist und bei der seitlich des
Hauptstrahls ein Führungskörper fest angeordnet ist, der den Hauptstrahl von einer
Seite her berührt. Durch einen seitlich zugeführten Hilfs- oder Steuerstrahl kann
der Hauptstrahl von dem Führungskörper abgelöst werden, so daß er kurzzeitig, nämlich
für die Dauer der Wirksamkeit des Steuerstrahls, eine andere Lage einnimmt. Diese
Anordnung ist demnach als monostabiles System wirksam.
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Bei symmetrischer Gestaltung eines solchen Verstärkers wird der Strahl
wahlweise in eine von zwei Richtungen abgelenkt, wobei beiderseits des Düsenaustrittes
je eine Steueröffnung vorgesehen ist. Durch einen Steuerimpuls aus einer dieser
Öffnungen wird der Hauptstrahl von seiner Führungsfläche auf dieser Seite abgelöst
und legt sich an die gegenüberliegende Führungsfläche an. Derartige bistabile Anordnungen,
die unter Anwendung des Grenzschichteffekts arbeiten, gestatten vielfache Anwendungsmöglichkeiten
in digitalen Rechenanlagen, beispielsweise als Speicherelement, als Sehalter od.
ä. ` Ein besonderes Problem bei solchen Verstärkeranordnungen ist die Stabilisierung
des Strahls in Verbindung reit einer kurzen Bauweise und einer verlustarmen Arbeitsweise.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Verhältnisse wesentlich zu verbessern,
und sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die der Düse für den Hauptstrahl gegenüberliegende
Wand der Ablenkkammer zwischen den Auslaßkanälen konkav zur Düse hin gekrümmt ist.
Dadurch wird eine verbesserte Stabilisierung des Hauptstrahls .erreicht, und der
gesamte Strahlverstärker weist gegenüber den bekannten Verstärkern eine wesentlich
geringere Baugröße auf. Während .ein kleiner Teil des Hauptstrahls das System durch
vorgesehene Entlastungsöffnungen verläßt, prallt bei einem gemäß der
Erfindung
ausgebildeten Strahlverstärker ein weiterer Teil des Hauptstrahls, soweit er nicht
in eine Ausgangsleitung geführt wird, gegen die konkav gegekrümmte Fläche der freien
Strahlrichtung und wird zum Zirkulieren innerhalb der Kammer gebracht. Ein Teil
dieser zirkulierenden Strömung wird zur Düse hin zurückgelenkt und unterstützt dadurch
die Stabilisierung des am Führungskörper bzw. an der Wand haftenden Hauptstrahls.
Ein weiterer Teil der durch die gemäß der Erfindung konkav gekrümmte Wand abgelenkten
Strömung entweicht durch die Entlastungsöffnungen und übt gegebenenfalls eine saugende
Wirkung an der Ausgangsleitung aus. Durch diese Unterstützung der Ablenkung und
die erreichte Stabilisierungswirkung sind sehr kurze Bauelemente möglich, die geringere
Druckverluste im Strömungsmedium und kürzere Ansprechzeiten gewährleisten. Denn
ein nach der Erfindung ausgebildeter Strömungsverstärker - erlaubt eine starke Verkürzung
des Hauptstrahls und gewährleistet infolge der geringeren Baulänge den größtmöglichen
Druckwiedergewinn in den Ausgangskanälen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung geht von einem erfindungsgemäßen
Strahlverstärker aus, bei welchem zwei Ausgangskanäle in im wesentlichen gleich
großen Winkeln zur freien Strömungsrichtung angeordnet sind, und besteht darin,
daß die gekrümmte, durch die Ausgangskanäle unterbrochene Wand nach beiden Seiten
sich bis zu je einer Entlastungsöffnung erstreckt, wodurch der Zirkulationsprozeß
gefördert wird.
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Die Erfindung ermöglicht es, mit geringster Baulänge mehrere Elemente
zur logischen Verknüpfung .binärer Signale mittels sich gegenseitig beeinflussender
freier Strahlen mit mindestens einem monostabilen Strömungsverstärker zu einem geschlossenen
System zu vereinigen. Es kann beispielsweise eine Freistrahlanordnung zur Äquivalenzverstärkung
zweier Eingangssignale mit einem als Inverter geschalteten monostabilen Strömungsverstärker
vereinigt werden, der sowohl bei einem dritten Eingangssignal als auch bei einem
der beiden ersten Eingangssignale und einem vierten Eingangssignal eine labile Lage
einnimmt und ein Ausgangssignal sendet, entsprechend dem Signal »Summe«.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand mehrerer schematischer Darstellungen
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 die Darstellung eines an einer festen begenzenden
Wand entlangströmenden Strahls eines beliebigen Strömungsmediums, F i g. 2 die Darstellung
eines aus einer Düse austretenden und an einer festen begrenzenden Wand entlangströmenden
Strahls, der durch einen Steuerkanal am Austritt der Düse ablenkbar ist, F i g.
3 die Darstellung einer ähnlichen Einrichtung wie in F i g. 2, die als monostabiler
reiner Strömungsverstärker ausgebildet ist, F i g. 4 die Darstellung der Strömungsverhältnisse
in einem Strömungsverstärker, bei dem in der freien Strahlrichtung eine konkav zur
Düse gekrümmte begrenzende Wand angeordnet ist, F i g. 5 die Darstellung der Strömungsverhältnisse
des Verstärkers nach F i g. 4 beim Wirksamwerden eines Steuersignals. und F i g.
6 die Darstellung eines ähnlichen Strömungsverstärkers wie in: F i g. 5, bei dem
an Stelle einer einseitig begrenzenden Wand eine Schneide argeordnet ist. -An Hand
der F i g. 1 bis 3 werden zunächst die Strömungsverhältnisse bei der Ablenkung eines
aus einer Düse austretenden Strahls in allgemeiner Form erläutert.
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` Gemäß F i g. 1 fließt eine Strömung 11 eines flüssigen oder gasförmigen
Mediums längs einer begrenzenden Wand 12,13 mit einer Knickstelle 14. Die Strömung
11 sei als zunächst laminare Strömung angenommen und ist durch ausgezogene Linien
dargestellt. Stark beschleunigte Strömungen können als laminare Strömungen angesehen
werden. Sie bilden an begrenzenden Wänden Grenzschichten, die als ebenfalls laminare
Grenzschichten betrachtet werden können. Wenn infolge einer Formänderung der Wand
oder eines sonstwie verursachten, von der Wand weggerichteten Druckgradienten der
Strömung sich die laminare Grenzschicht von der festen Wand löst, kann sich entweder
ein freier Strahl, begrenzt von Totwasserzonen oder Wirbeln, ausbilden, oder aber
der Strahl haftet weiter abwärts in Strömungsrichtung wieder an der festen Wand,
nun mit einer turbulenten Grenzschicht, an.
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Die Ursache für dieses Wiederanhalten ist ein auf die Wand hin gerichteter
innerer Druckgradient der Strömung, der dadurch zustande kommt, daß auf der Wandseite
des Strahls ein Nachströmen aus der Umgebung als Ersatz für vom Strahl mitgerissene
Teilchen durch die feste begrenzende Wand behindert wird und somit auf dieser Seite
ein Unterdruck entsteht.
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Die Knickstelle 14 in der festen Wand ist für die Strömung 11 ein
Trennpunkt. Die laminare Grenzschicht löst sich dort von der Wand ab und geht in
eine freie Grenzschicht 15 über, welche den freien Strahl von der Totwasserzone
oder den Wirbeln abgrenzt. Die Wirbelbildung und die Unmöglichkeit des Nachströmens
läßt einen auf die Wand hin gerichteten inneren Druckgradienten entstehen, der ein
Wiederanhalten des Strahls 11 an der Wand 13 bei Punkt 16, im folgenden Haftpunkt
genannt, bewirkt. Zwischen der als Trennpunkt wirksamen Knickstelle 14 und dem Haftpunkt
16 wird von der Grenzschicht 15 und von der festen Wand 13 als Trennungszone der
Strömung der Trennwirbel 17 eingeschlossen. Die zunächst laminare Strömung 11 geht
in eine durch gestrichelte Strömungslinien dargestellte turbulente Strömung 18 über.
Die Übergangszone zwischen laminarer und turbulenter Strömung hat etwa den durch
die punktierte Linie 19 angedeuteten Verlauf.
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Bei der Gestaltung des Strömungsweges gemäß F i g. 2 strömt das Medium
von einem Hauptkanal 21 durch eine Düse 22. Auf einer Seite des aus der Düse 22
austretenden Strahls ist eine feste begrenzende Wand 23 angeordnet, an der aus den
oben erläuterten Gründen der Strahl anhaftet. Die Kante 24 der Düse 22 wirkt als
Trennpunkt für die Strömung. Der Haftpunkt 25 befindet sich an irgendeiner bestimmten
Stelle der festen Wand 23. Das Ende der Wand 23 wirkt für die entlangfließende Strömung
als weiterer Trennpunkt 26, so daß der gestrichelt- dargestellte Strahl 27 in der
durch die Richtung der Wand vorgegebenen Richtung weiterfließt. Die Richtung der
Normalen 28 der begrenzenden Wand 23 bildet mit .der durch die Achse 29 der Düse
22 -vorgegebenen freien Strahlrichtung einen Winkel 30, der kleiner als 90° ist.
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Mittels eines Steuerkanals 31 kann die Gestalt der Trennungszone der
Grenzschicht der Strömung durch
Einführen oder Wegnehmen von Teilchen
des Mediums verändert werden. Durch ein Drucksignal im Steuerkanal 31 wird, wie
durch die punktiert eingezeichnete Begrenzung angedeutet ist, die Trennungszone
vergrößert, so daß beispielsweise der Haftpunkt an die Stelle 32 verschoben wird.
Erreicht man nun durch die Steuerströmung, daß der Haftpunkt 32 nahezu oder ganz
mit einem weiteren Trennpunkt, z. B. dem Trennpunkt 26 am Ende der Wand zusammenfällt,
so löst sich der Strahl von der Wand ab und nimmt die durch die Achse 29 definierte
freie Strahlrichtung an. Da das nur dann der Fall ist, wenn ein ausreichendes Steuersignal
anliegt, ist die Anordnung monostabil. Der stabile Zustand ist bei Abwesenheit eines
Steuersignals durch das Anhaften des Strahls an der begrenzenden Wand 23 gegeben.
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In der schematischen Anordnung nach F i g. 3 ist der Verlauf eines
im stabilen Zustand abgelenkten Strahls gestrichelt eingezeichnet. Die labile freie
Strahlrichtung ist durch einen starken Pfeil im Hauptkanal und durch die strichpunktierte
Achse der Düse 42 markiert. Ein erster Trennpunkt 41 befindet sich an der Kante
der Düse 42, die wegen der Einmündung des Steuerkanals 43 auch eine Formänderung
der begrenzenden Wand bedeutet. Der zugehörige erste Haftpunkt 44 liegt auf dem
ersten geraden Stück der begrenzenden Wand. Die Knickstelle 45 der Wand bildet einen
zweiten Trennpunkt. Der zugehörige zweite Haftpunkt 46 am Ende des Trennwirbels
liegt auf einem zweiten geraden Stück der begrenzenden Wand, deren Ende den weiteren
Trennpunkt 47 bildet.
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Zur Wirksamkeit der Anordnung gemäß F i g. 3 als Strömungsverstärker
sind in der allgemeinen Richtungdes Strahls Ausgangsöffnungen 48 und 49 angeordnet,
in deren Kanälen für das strömende Medium ein sich stauender Druck als ein den jeweiligen
Betriebszustand des Strömungsverstärkers kennzeichnendes Ausgangssignal abgenommen
werden kann. Für das den stabilen Zustand des Strömungsverstärkers kennzeichnende
Ausgangssignal ist die eine Ausgangsöffnung 48 in der Ablenkrichtung des Strahls
vorgesehen. Eine weitere Ausgangsöffnung 49 in der freien Strahlrichtung, also in
Richtung der Düsenachse, liefert das Ausgangssignal für den labilen Betriebszustand,
in welchen der Strömungsverstärker durch ein Steuersignal im Steuerkanal 43 gesteuert
werden kann. Eine mit einem Gebiet mittleren Druckes des Mediums oder der freien
Atmosphäre kommunizierende Entlastungsöffnung 50 ist zwischen dem letzten Trennpunkt
47 und der Ausgangsöffnung 48 vorgesehen, damit ein stark belasteter oder gar blockierter
Ausgangskanal an der Ausgangsöffnung 48 keine Rückwirkung auf die Stellung des Strahls
hat, denn anderenfalls würde ein blockierter Strahl ablenkend wirken und unter Umständen
ein von der festen Wand weg gerichteter Druckgradient entstehen, der ein Ablösen
des Strahls von der Wand zur Folge haben kann.
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In der Anordnung gemäß F i g. 4 ist zur Erzielung kürzerer Strahlwege
in der freien Strahlrichtung eine konkav zur Düse hin gekrümmte begrenzende Wand
64 vorgesehen. Im stabilen Zustand liegt der Strahl an der linken begrenzenden Wand
61 an, und er verläßt die Einrichtung im wesentlichen durch einen Ausgangskanal
62. Ein kleiner Teil der Strömung verläßt das System durch die Entlastungsöffnung
63, ein weiterer Teil der Strömung prallt jedoch gegen die konkav gekrümmte Wand
64 in der durch den starken Pfeil in der Zuführungsleitung markierten freien Strahlrichtung.
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Wie durch weitere Pfeile angedeutet, wird dieser Teil der Strömung
in Richtung zur anderen, der Wand 61 gegenüberliegenden Wand 68 zum Zirkulieren
gebracht. Ein Teil der zirkulierenden Strömung wird zur Düse hin zurückgelenkt und
unterstützt die Stabilisierung des an der Wand 61 haftenden Hauptstrahls. Ein weiterer
Teil der durch die Wand 64 abgelenkten Strömung entweicht durch eine Entlastungsöffnung
65 und übt gegebenenfalls eine saugende Wirkung an einem zweiten Ausgangskanal 66
aus. Diese Wirkung kann auch durch Kopplung der Ausgänge untereinander verstärkt
werden und ebenfalls zur Stabilisierung des Hauptstrahls an der begrenzenden Wand
61 beitragen. Die Bevorzugung der stabilen Lage an der Wand 61 kann durch asymmetrische
Gestaltung der Wandformen erreicht werden. Auch besteht die Möglichkeit, die Trennungszone
durch Unterdruck im Steuerkanal 67 zu reduzieren und damit eine stabile Lage
des Hauptstrahls längs der Wand 61 zu erreichen.
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Gemäß F i g. 5, die die gleiche Anordnung wie F i g. 4 zeigt, ist
im Steuerkanal 67 ein Drucksignal angelegt. Der Hauptstrahl nimmt vorübergehend,
d. h. solange das Steuersignal anliegt, eine labile Lage längs der Wand 68 ein und
verläßt das System im wesentlichen durch den Ausgang 66. Diese labile Lage des Hauptstrahls
entspricht nicht mehr der freien Strahlrichtung, sondern wird durch den infolge
der Anordnung der konkav gekrümmten Wand 64 zirkulierenden Teil der Strömung hervorgerufen.
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In der Ausführungsform nach F i g. 6, bei der die seitliche Führungswand
durch eine Schneide 71 ersetzt ist und bei der die dem Steuerkanal 72 zugewandte
Kante 73 der Düse 74 strahlablenkend wirkt, definiert die Spitze der Schneide 71
den Haftpunkt und gleichzeitig den weiteren Trennpunkt, der den Hauptstrahl in der
stabilen Lage seinen Weg in den Ausgangskanal 75 nehmen läßt. Ein im Steuerkanal
72 vorhandenes Steuersignal bewirkt die Trennung des Hauptstrahls von der Schneide
71 und seine Ablenkung in der anderen Ausgangskanal 76, die durch die gegen die
konkav gekrümmte Wand 77 prallende und auf der Seite der Schneide 71 zurück gegen
die Düse 74 zirkulierende Teilströmung unterstützt wird.
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Hat der dargestellte Strömungsverstärker an Stelle von einem Eingang
zwei oder mehr unmittelbar nebeneinanderliegende Eingänge oder auch kombinierte
Eingangsleitungen mit gemeinsamer Steueröffnung, so kann er auch als ODER-Schaltung
verwendet werden. Denn jedes Steuersignal, gleich, an welchem der Eingänge es anliegt,
lenkt den Hauptstrahl vorübergehend aus seiner stabilen Lage ab. Eine logische Verknüpfung
»Konjunktion« kann durch einen einfachen monostabilen Strömungsverstärker nicht
geleistet werden, sondern hier ist bereits eine komplizierte Bauweise notwendig.
Für den Bau einer UND-Schaltung können beispielsweise mehrere dieser Anordnungen
raumsparend ineinander verschachtelt werden. Kommen keine Steuersignale an, so nimmt
der Hauptstrahl seine stabile Lage längs der Wand ein. Ein Steuersignal in einem
ersten Steuerkanal lenkt den Hauptstrahl in einen dieser labilen Lage entsprechenden
Ausgang ab, an den eine weitere Führungswand angeschlossen ist. Ein zweites Steuersignal
in einem dieser zweiten Wand zugehörigen
Steuerkanal .lenkt erst
Bildgültig den Hauptstrahl in den Ausgang, dessen Ausgangssignal der logischen Verknüpfung
»Konjunktion« der beide Eingangssignale entspricht. Es lassen sich daher mit den
beschriebenen Ausführungsformen mannigfaltige ver= schiedene Eintichtüngen aufbauen,
die zur Etzeugung der Ausgangssignale und als verstärkendes Element wenigstens einen
motiöstabilen -reinen Strömungsverstärker enthalten. .