EP3722605A1 - Fluid flow generator - Google Patents
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- EP3722605A1 EP3722605A1 EP19168809.2A EP19168809A EP3722605A1 EP 3722605 A1 EP3722605 A1 EP 3722605A1 EP 19168809 A EP19168809 A EP 19168809A EP 3722605 A1 EP3722605 A1 EP 3722605A1
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- EP
- European Patent Office
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- actuator
- flow generator
- membrane
- segments
- segment
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
- F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
- F04B43/04—Pumps having electric drive
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B45/00—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids
- F04B45/04—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
- F04B45/047—Pumps having electric drive
Definitions
- the application relates to a flow generator.
- Flow generators are known from the prior art, by means of which flows can be generated in a surrounding fluid by enlarging or reducing a cavity. If a volume flow through a certain cross-section, for example the cross-section of a nozzle opening, is periodic or at any rate variable over time, but the mean value of the volume flow through the cross-section is zero, then the flow generator is also referred to as a synthetic jet actuator (SJA).
- SJA synthetic jet actuator
- flow generators When using flow generators, it is often desirable to generate the largest possible volume flows and / or flow velocities.
- SJAs can be used to influence flows in the In the vicinity of wings, rotors and other air-conducting elements of vehicles, wind turbines, etc., for cooling electronic or electrical components or for propulsion.
- high volume flows and / or flow velocities are necessary.
- a cost-saving design of the flow generator and suitability for low-wear operation and a long service life are important.
- the present patent application is therefore based on the task of proposing a flow generator with the properties mentioned.
- a flow generator of the proposed type comprises a housing which encloses a cavity for receiving a fluid, a nozzle opening through which the cavity is in fluid communication with an exterior of the housing, a deformable membrane and an actuator having at least one actuator segment.
- the actuator is designed to deform the membrane in such a way that a flow of the fluid flowing through the nozzle opening from the cavity into the outer space or from the outer space into the cavity is generated.
- a complete outline of the actuator comprises at least two discrete outlines of the at least one actuator segment.
- Each actuator segment is or comprises a segment consisting of a continuous material area.
- Each of the actuator segments is set up so that an electrical voltage can be applied to the actuator segment to generate a force acting on the membrane.
- a material from which the continuous material areas of the actuator segments are made is interrupted. There may be gaps between the actuator segments. The gaps can, but need not, be completely or partially filled with another material.
- the actuator segments can, however, also adjoin one another.
- the complete outline of the actuator can be defined as one or more outlines of a projection of the actuator onto the membrane, the outlines comprising projections of each of the actuator segments onto the membrane and running wherever the projections of the continuous material areas of the actuator segments end on the membrane.
- a discrete contour line can be understood to be a contour line that is closed, that is to say begins at a point on the contour line and ends at the same point, and does not cross itself or intersect or touch itself.
- a complete contour of the actuator comprising at least two discrete contour lines of one or more of the actuator segments can thus be given, for example, by the fact that the actuator has two or more actuator segments arranged in a planar manner next to one another. Each of the actuator segments then contributes a discrete outline to the complete outline.
- An actuator that has several actuator segments - hereinafter also referred to as a segmented actuator - can have the advantage that an actuator with a larger area and / or a lower resonance frequency can be produced than would be possible with an actuator that only has one Has actuator segment - hereinafter also referred to as a continuous actuator.
- a larger membrane can thus be deformed accordingly and / or a larger deflection of the membrane can be achieved, which can lead to a larger volume flow and / or a larger flow velocity.
- Mechanical stresses, which in the long term can lead to cracks and / or breaks in the actuator, for example, are also reduced, which reduces wear and tear and increases the service life and maintenance intervals.
- a segmented actuator of a given area can be manufactured more cheaply and more simply than a continuous actuator.
- At least one of the actuator segments can have at least one central recess.
- Such an actuator segment then has at least two discrete contour lines, one of which runs on an outer edge of a projection of the actuator segment and at least one on an edge of the at least one central recess.
- the at least one central recess can, but need not, be arranged centrally in the at least one actuator segment.
- a special case of such an actuator is an actuator with exactly one actuator segment which has exactly one central recess; In this special case too, the actuator segment (and thus the actuator) has two discrete contours.
- Such an actuator can have the advantage over an actuator whose actuator segments do not have central cutouts that the resonance frequency can also be reduced in this way and / or the membrane deflection can be increased, which in turn can lead to higher volume flows and / or flow velocities. In this case, too, there may be reduced wear and tear and an increased service life and / or maintenance intervals.
- At least one of the actuator segments can be a piezo element.
- Such an actuator segment can consist of a piezoelectric, for example a ceramic piezoelectric. Since such piezoelectrics are often susceptible to fractures and / or cracks as a result of mechanical stresses and since large-area piezoelectric actuator segments cannot be produced, or can only be produced with considerable effort and expense, the advantages mentioned above are clearly evident.
- Other types of actuator segments are also possible, for example electrodynamic or electrostatic actuator segments or actuator segments consisting of a shape memory alloy, for which the above-mentioned advantages can also apply.
- At least one of the actuator segments can be circular, circular, elliptical, triangular, trapezoidal, rectangular, square, circular segment-shaped or circular ring segment-shaped.
- shape of the actuator segments different shapes of the actuator can be realized which implement the above-mentioned advantages of segmented actuators or of actuator segments with a central recess, and / or which are advantageously adapted to the shape of the membrane.
- the actuator can have at least two actuator segments and / or, for example, a maximum of thirty actuator segments. This shows the advantages realize a segmented actuator with a comparatively low complexity of the arrangement. Alternatively, the actuator can of course also have only one or even more than thirty actuator segments - with the corresponding advantages of particularly low complexity or particularly large possible area.
- the actuator can have a diameter and / or a side length of at least 35 mm, preferably at least 80 mm, and / or an area of at least 9 cm 2 , preferably at least 50 cm 2 , and / or a thickness of at most 1 mm, preferably at most 0 .5 mm.
- large volume flows and / or flow velocities can be achieved with appropriately dimensioned actuators, which can be implemented with the features described above.
- the actuator can also be smaller than the dimensions mentioned, which enables a particularly cost-effective and low-wear design with improved performance compared to actuators of the same size according to the prior art.
- the fluid flowing through the nozzle opening when the membrane is deformed can have a volume of at least 0.45 cm 3 .
- Such deformation volumes and / or volume flows and / or flow velocities can be advantageous for a wide variety of uses of the flow generator, for example for influencing flow, cooling or driving.
- the deformable membrane can be designed to be deformable in alternating directions with a frequency between 10 Hz and 10 kHz, preferably between 500 Hz and 2 kHz. An alternating deformation of the membrane with frequencies in this or also another range can enable a continuous generation of the flow.
- the deformable membrane can also be designed to be deformed with a variably adjustable frequency, whereby a variable adjustment of the volume flow and / or the flow velocity which is advantageous for applications can be possible.
- the frequency can be a resonance frequency of the actuator and / or the membrane and / or a resonator formed by the flow generator.
- the nozzle opening can be arranged on a side surface of the housing which is arranged perpendicularly or almost perpendicularly to the membrane.
- Such an arrangement of the nozzle opening can make it possible, for example, to arrange several flow generators in a space-saving manner with nozzle openings lying close to one another, which enables, for example, an advantageous generation of the flow with few gaps and / or a high total volume flow.
- the nozzle opening can, however, also be arranged on a cover surface of the housing opposite the membrane. With such an arrangement, for example, a diameter of the nozzle opening can be selected with great flexibility.
- the flow generator can be set up so that a liquid, in particular water or oil or a cooling liquid, can be used as the fluid.
- a liquid in particular water or oil or a cooling liquid
- the flow generator can be used particularly advantageously for cooling, driving or influencing flows in liquids, for example in the vicinity of surfaces or flow-guiding elements of watercraft.
- the flow generator can be set up so that a gas, in particular air, can be used as the fluid.
- a gas in particular air
- the flow generator can thus be used particularly advantageously, for example, for influencing flows in gases, for example in the vicinity of wings, rotors and other surfaces or air-conducting elements of aircraft or wind turbines or surfaces of land vehicles.
- the in Fig. 1 The flow generator 1 shown comprises a housing 2 which encloses a cavity 3 for receiving a fluid.
- the housing 2 consists of a thermosetting polymer, but can also consist of a different material, for example a metal.
- the housing 2 is made of one part, but can be composed of several individually manufactured parts.
- the cavity 3 has approximately the shape of a flat cylinder, with a top surface 11 of the cylinder bulging in the shape of a dome.
- the cavity 3 can also have other shapes, for example the shape of a flat cuboid.
- a deformable membrane 6 is arranged in the cavity 3 opposite the top surface 11. According to the shape of the cavity 3, the membrane 6 is round.
- the membrane 6 can, however, also have other shapes, for example it can be rectangular or square.
- the membrane 6 consists of a polymer, other materials also being possible as an alternative, such as metals, metal alloys or ceramics.
- the membrane is attached in a form-fitting manner on its outer circumference by a circumferential recess in the housing 2.
- the membrane can, however, also be mounted in a fixed or flexible manner in another way, for example it can be fastened in a force-locking manner by clamping several housing parts onto one another.
- a nozzle opening 4 which is arranged perpendicular to the diaphragm 6 and which passes through the wall of the housing 2.
- the cavity 3 is in fluid communication with an outer space 5 of the housing through the nozzle opening 4.
- the nozzle opening 4 can also be arranged at other points of the housing 2, for example on the cover surface 11 arranged opposite the membrane 6.
- the nozzle opening 4 has a cylindrical shape, but can also be shaped differently, for example conical or cuboid.
- the flow generator 1 comprises an actuator 7, set up to deform the membrane 6 in such a way that a flow of the fluid flowing through the nozzle opening 4 is generated from the cavity 3 into the outer space 5 or from the outer space 5 into the cavity 3.
- the actuator 7 is formed from an actuator segment 8 which is connected to the membrane 6 over a large area.
- the connection can be established, for example, by gluing, soldering or by means of one or more connecting elements.
- the actuator segment 8 is a piezo element consisting of a ceramic piezoelectric which is deformed when a voltage is applied in such a way that a force acts on the membrane 6 that is suitable for deforming the membrane 6.
- the actuator segment 8 can also be a different type of actuator segment, for example an electrodynamic or electrostatic actuator or a shape memory alloy.
- the actuator segment 8 is embodied in the shape of a circular ring, that is to say as a circular element with a circular central recess 12 which is arranged in the center of the actuator segment 8.
- the actuator segment 8 can also have a different shape, for example it can be elliptical, rectangular or square.
- the recess 12 can also have a different shape, for example an elliptical, rectangular or square shape, and / or be arranged off-center.
- the actuator segment 8 can also have several recesses 12.
- a complete outline of the actuator 7 comprises two discrete outlines 9 and 9 'of the actuator segment 8, the outline 9 being given by an outer outline of the actuator segment 8 and the outline 9' by an inner outline of the actuator segment 8, i.e. an outline of the recess 12.
- the actuator segment 8 shown can, for example, have a thickness of 0.2 mm and a diameter of 50 mm, the central recess 12 a diameter of 10 mm, which corresponds to an area of the actuator of approximately 18.0 cm 2 .
- Other thicknesses, diameters and surfaces are also possible.
- the deformable membrane 6 can be designed to be deformable in alternating directions with a frequency of, for example, approximately 1.5 kHz, which can be a resonance frequency, and a flow velocity of approximately 120 m / s with a nozzle area of, for example, 7 mm 2 produce.
- a frequency of, for example, approximately 1.5 kHz which can be a resonance frequency
- a flow velocity of approximately 120 m / s with a nozzle area of, for example, 7 mm 2 produce for example, other performance characteristics can of course also be achieved, for example lower or higher frequencies or flow velocities.
- the actuator 7 of a further example of a flow generator 1 has - as in FIG Fig. 3 shown - eight actuator segments 8, which are planar arranged next to each other and connected to the membrane 6 flat.
- the actuator segments 8 are designed in the shape of a circular ring segment and together result in a circular ring which is interrupted in areas between the actuator segments 8.
- the actuator segments 8 can also be shaped differently, for example circular, triangular, trapezoidal or circular segment-shaped.
- Individual actuator segments 8 can also have different shapes and / or can be combined in the most varied of ways to form an overall shape. As mentioned above, other types of actuator segments besides piezo elements are also possible.
- a complete outline of the actuator 7 comprises eight discrete outlines 9, 9 'etc. of the actuator segments 8, the outline 9 being given by an outer outline of a first actuator segment 8, the outline 9 'Given by an outer contour line of a second actuator segment 8 is etc.
- the actuator 7 can also have a different number of actuator segments 8, for example at least three and / or at most thirty actuator segments 8, or only two or more than thirty actuator segments 8.
- the circular ring approximately formed by the circular ring segment-shaped actuator segments 8 can, for example, have a thickness of 0.2 mm and a diameter of 100 mm, the central recess 12 a diameter of 20 mm, which corresponds to an area of the actuator of approximately 75.4 cm 2 .
- Other thicknesses, diameters and surfaces are also possible.
- the deformable membrane 6 can be designed to be deformable in alternating directions at a frequency of, for example, approximately 500 Hz, which can be a resonance frequency, and to generate a flow velocity of over 100 m / s, for example.
- a frequency of, for example, approximately 500 Hz which can be a resonance frequency
- a flow velocity of over 100 m / s for example.
- other performance characteristics can also be achieved, for example lower or higher frequencies or flow velocities.
- a liquid in particular water, oil or a cooling liquid, or a gas, in particular air, can be used as the fluid.
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract
Die Anmeldung betrifft einen Strömungserzeuger (1), umfassend ein Gehäuse (2), das eine Kavität (3) zum Aufnehmen eines Fluids umschließt, eine Düsenöffnung (4), durch welche die Kavität (3) sich in Fluidkommunikation mit einem Außenraum (5) des Gehäuses (2) befindet, eine verformbare Membran (6) und einen Aktor (7), aufweisend mindestens ein Aktorsegment, wobei der Aktor (7) eingerichtet ist zum Verformen der Membran (6) derart, dass eine durch die Düsenöffnung (4) fließende Strömung des Fluids aus der Kavität (3) in den Außenraum (5) oder aus dem Außenraum (5) in die Kavität (3) erzeugt wird. Ein vollständiger Umriss des Aktors (7) umfasst mindestens zwei diskrete Umrisslinien des mindestens einen Aktorsegments.The application relates to a flow generator (1), comprising a housing (2) which encloses a cavity (3) for receiving a fluid, a nozzle opening (4) through which the cavity (3) is in fluid communication with an outer space (5) of the housing (2) is located, a deformable membrane (6) and an actuator (7), having at least one actuator segment, the actuator (7) being set up to deform the membrane (6) in such a way that a through the nozzle opening (4) flowing flow of the fluid from the cavity (3) into the outer space (5) or from the outer space (5) into the cavity (3) is generated. A complete outline of the actuator (7) comprises at least two discrete outlines of the at least one actuator segment.
Description
Die Anmeldung betrifft einen Strömungserzeuger.The application relates to a flow generator.
Aus dem Stand der Technik sind Strömungserzeuger bekannt, mittels derer durch Vergrößern bzw. Verkleinern einer Kavität Strömungen in einem umgebenden Fluid erzeugt werden können. Ist dabei ein Volumenstrom durch einen bestimmten Querschnitt, etwa den Querschnitt einer Düsenöffnung, periodisch oder jedenfalls zeitlich veränderlich, der zeitliche Mittelwert des Volumenstroms durch den Querschnitt jedoch Null, so wird der Strömungserzeuger auch als Synthetic Jet Actuator (SJA) bezeichnet.Flow generators are known from the prior art, by means of which flows can be generated in a surrounding fluid by enlarging or reducing a cavity. If a volume flow through a certain cross-section, for example the cross-section of a nozzle opening, is periodic or at any rate variable over time, but the mean value of the volume flow through the cross-section is zero, then the flow generator is also referred to as a synthetic jet actuator (SJA).
Bei der Verwendung von Strömungserzeugern ist es häufig erwünscht, möglichst große Volumenströme und/oder Strömungsgeschwindigkeiten zu erzeugen. Beispielsweise können SJAs zur Beeinflussung von Strömungen in der Umgebung von Tragflächen, Rotoren und anderen luftleitenden Elementen von Fahrzeugen, Windkraftanlagen etc., zur Kühlung von elektronischen oder elektrischen Bauteilen oder zum Antrieb verwendet werden. Für derartige Anwendungen sind hohe Volumenströme und/oder Strömungsgeschwindigkeiten notwendig. Ferner sind eine kostensparende Bauweise der Strömungserzeuger sowie die Eignung für einen verschleißarmen Betrieb und eine hohe Lebensdauer wichtig.When using flow generators, it is often desirable to generate the largest possible volume flows and / or flow velocities. For example, SJAs can be used to influence flows in the In the vicinity of wings, rotors and other air-conducting elements of vehicles, wind turbines, etc., for cooling electronic or electrical components or for propulsion. For such applications, high volume flows and / or flow velocities are necessary. Furthermore, a cost-saving design of the flow generator and suitability for low-wear operation and a long service life are important.
Der vorliegenden Schutzrechtsanmeldung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Strömungserzeuger mit den genannten Eigenschaften vorzuschlagen.The present patent application is therefore based on the task of proposing a flow generator with the properties mentioned.
Dementsprechend wird ein Strömungserzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.Accordingly, a flow generator with the features of claim 1 is proposed. Preferred embodiments and further developments result from the features of the subclaims.
Ein Strömungserzeuger der vorgeschlagenen Art umfasst ein Gehäuse, das eine Kavität zum Aufnehmen eines Fluids umschließt, eine Düsenöffnung, durch welche die Kavität sich in Fluidkommunikation mit einem Außenraum des Gehäuses befindet, eine verformbare Membran und einen Aktor, aufweisend mindestens ein Aktorsegment. Der Aktor ist eingerichtet zum Verformen der Membran derart, dass eine durch die Düsenöffnung fließende Strömung des Fluids aus der Kavität in den Außenraum oder aus dem Außenraum in die Kavität erzeugt wird. Ein vollständiger Umriss des Aktors umfasst mindestens zwei diskrete Umrisslinien des mindestens einen Aktorsegments.A flow generator of the proposed type comprises a housing which encloses a cavity for receiving a fluid, a nozzle opening through which the cavity is in fluid communication with an exterior of the housing, a deformable membrane and an actuator having at least one actuator segment. The actuator is designed to deform the membrane in such a way that a flow of the fluid flowing through the nozzle opening from the cavity into the outer space or from the outer space into the cavity is generated. A complete outline of the actuator comprises at least two discrete outlines of the at least one actuator segment.
Jedes Aktorsegment ist oder umfasst dabei jeweils ein aus einem kontinuierlichen Materialbereich bestehendes Segment. Jedes der Aktorsegmente ist dazu eingerichtet, dass an das Aktorsegment eine elektrische Spannung zum Erzeugen einer auf die Membran wirkenden Kraft angelegt werden kann. Außerhalb jedes Aktorsegments bzw. zwischen jeweils zwei Aktorsegmenten ist ein Material, aus dem die kontinuierlichen Materialbereiche der Aktorsegmente gefertigt sind, unterbrochen. Dabei können zwischen den Aktorsegmenten Lücken bestehen. Die Lücken können, müssen jedoch nicht, mit einem anderen Material ganz oder teilweise gefüllt sein. Die Aktorsegmente können aber auch aneinander angrenzen.Each actuator segment is or comprises a segment consisting of a continuous material area. Each of the actuator segments is set up so that an electrical voltage can be applied to the actuator segment to generate a force acting on the membrane. Outside each actuator segment or between each two actuator segments, a material from which the continuous material areas of the actuator segments are made is interrupted. There may be gaps between the actuator segments. The gaps can, but need not, be completely or partially filled with another material. The actuator segments can, however, also adjoin one another.
Der vollständige Umriss des Aktors kann als eine oder mehrere Umrisslinien einer Projektion des Aktors auf die Membran definiert werden, wobei die Umrisslinien Projektionen jedes der Aktorsegmente auf die Membran umfassen und überall dort verlaufen, wo die Projektionen der kontinuierlichen Materialbereiche der Aktorsegmente auf die Membran enden.The complete outline of the actuator can be defined as one or more outlines of a projection of the actuator onto the membrane, the outlines comprising projections of each of the actuator segments onto the membrane and running wherever the projections of the continuous material areas of the actuator segments end on the membrane.
Als eine diskrete Umrisslinie kann eine solche Umrisslinie verstanden werden, die geschlossen ist, also an einem Punkt auf der Umrisslinie beginnt und in demselben Punkt endet, und sich nicht selbst kreuzt oder überschneidet oder berührt.A discrete contour line can be understood to be a contour line that is closed, that is to say begins at a point on the contour line and ends at the same point, and does not cross itself or intersect or touch itself.
Ein mindestens zwei diskrete Umrisslinien eines oder mehrerer der Aktorsegmente umfassender vollständiger Umriss des Aktors kann also beispielsweise dadurch gegeben sein, dass der Aktor zwei oder mehr planar nebeneinander angeordnete Aktorsegmente aufweist. Jedes der Aktorsegmente trägt dann eine diskrete Umrisslinie zu dem vollständigen Umriss bei.A complete contour of the actuator comprising at least two discrete contour lines of one or more of the actuator segments can thus be given, for example, by the fact that the actuator has two or more actuator segments arranged in a planar manner next to one another. Each of the actuator segments then contributes a discrete outline to the complete outline.
Ein Aktor, der mehrere Aktorsegmente aufweist, - im Folgenden auch als segmentierter Aktor bezeichnet - kann den Vorteil haben, dass ein Aktor mit einer größeren Fläche und/oder einer geringeren Resonanzfrequenz hergestellt werden kann, als dies mit einem Aktor möglich wäre, der nur ein Aktorsegment aufweist - im Folgenden auch als kontinuierlicher Aktor bezeichnet. Damit kann entsprechend eine größere Membran verformt werden und/oder eine größere Auslenkung der Membran erzielt werden, was zu einem größeren Volumenstrom und/oder einer größeren Strömungsgeschwindigkeit führen kann. Auch mechanische Spannungen, die langfristig beispielsweise zu Rissen und/oder Brüchen des Aktors führen können, werden verringert, was Verschleiß verringert und Lebensdauer bzw. Wartungsintervalle erhöht. Weiterhin kann ein segmentierter Aktor gegebener Fläche kostengünstiger und einfacher hergestellt werden als ein kontinuierlicher Aktor.An actuator that has several actuator segments - hereinafter also referred to as a segmented actuator - can have the advantage that an actuator with a larger area and / or a lower resonance frequency can be produced than would be possible with an actuator that only has one Has actuator segment - hereinafter also referred to as a continuous actuator. A larger membrane can thus be deformed accordingly and / or a larger deflection of the membrane can be achieved, which can lead to a larger volume flow and / or a larger flow velocity. Mechanical stresses, which in the long term can lead to cracks and / or breaks in the actuator, for example, are also reduced, which reduces wear and tear and increases the service life and maintenance intervals. Furthermore, a segmented actuator of a given area can be manufactured more cheaply and more simply than a continuous actuator.
Mindestens eines der Aktorsegmente kann mindestens eine zentrale Aussparung aufweisen. Ein solches Aktorsegment hat dann mindestens zwei diskrete Umrisslinien, von denen eine an einem äußeren Rand einer Projektion des Aktorsegments und mindestens eine an einem Rand der mindestens einen zentralen Aussparung verläuft. Die mindestens eine zentrale Aussparung kann, muss aber nicht, mittig in dem mindestens einen Aktorsegment angeordnet sein. Ein Spezialfall eines solchen Aktors ist ein Aktor mit genau einem Aktorsegment, das genau eine zentrale Aussparung aufweist; auch in diesem Spezialfall weist das Aktorsegment (und somit der Aktor) zwei diskrete Umrisslinien auf.At least one of the actuator segments can have at least one central recess. Such an actuator segment then has at least two discrete contour lines, one of which runs on an outer edge of a projection of the actuator segment and at least one on an edge of the at least one central recess. The at least one central recess can, but need not, be arranged centrally in the at least one actuator segment. A special case of such an actuator is an actuator with exactly one actuator segment which has exactly one central recess; In this special case too, the actuator segment (and thus the actuator) has two discrete contours.
Ein solcher Aktor kann gegenüber einem Aktor, dessen Aktorsegmente keine zentralen Aussparungen aufweisen, den Vorteil haben, dass auch auf diese Weise die Resonanzfrequenz verringert und/oder die Membranauslenkung vergrößert werden kann, was wiederum zu höheren Volumenströmen und/oder Strömungsgeschwindigkeiten führen kann. Ebenso können auch in diesem Fall verringerter Verschleiß und erhöhte Lebensdauer und/oder Wartungsintervalle vorliegen.Such an actuator can have the advantage over an actuator whose actuator segments do not have central cutouts that the resonance frequency can also be reduced in this way and / or the membrane deflection can be increased, which in turn can lead to higher volume flows and / or flow velocities. In this case, too, there may be reduced wear and tear and an increased service life and / or maintenance intervals.
Mindestens eines der Aktorsegmente kann ein Piezoelement sein. Ein solches Aktorsegment kann aus einem Piezoelektrikum, beispielsweise einem keramischen Piezoelektrikum, bestehen. Da solche Piezoelektrika häufig anfällig für Brüche und/oder Risse in Folge von mechanischen Spannungen sind und da weiterhin großflächige piezoelektrische Aktorsegmente nicht oder nur mit erheblichem Aufwand und erheblichen Kosten hergestellt werden können, kommen die oben genannten Vorteile deutlich zum Tragen. Andere Arten von Aktorsegmenten sind ebenfalls möglich, beispielsweise elektrodynamische oder elektrostatische oder aus einer Formgedächtnislegierung bestehende Aktorsegmente, für welche die oben genannten Vorteile ebenfalls gelten können.At least one of the actuator segments can be a piezo element. Such an actuator segment can consist of a piezoelectric, for example a ceramic piezoelectric. Since such piezoelectrics are often susceptible to fractures and / or cracks as a result of mechanical stresses and since large-area piezoelectric actuator segments cannot be produced, or can only be produced with considerable effort and expense, the advantages mentioned above are clearly evident. Other types of actuator segments are also possible, for example electrodynamic or electrostatic actuator segments or actuator segments consisting of a shape memory alloy, for which the above-mentioned advantages can also apply.
Mindestens eines der Aktorsegmente kann kreisförmig, kreisringförmig, elliptisch, dreieckig, trapezförmig, rechteckig, quadratisch, kreissegmentförmig oder kreisringsegmentförmig sein. Mit solchen Formen der Aktorsegmente können verschiedene Formen des Aktors realisiert werden, welche die oben genannten Vorteile segmentierter Aktoren oder von Aktorsegmenten mit einer zentralen Aussparung umsetzen, und/oder welche in vorteilhafter Weise an die Form der Membran angepasst sind.At least one of the actuator segments can be circular, circular, elliptical, triangular, trapezoidal, rectangular, square, circular segment-shaped or circular ring segment-shaped. With such shapes of the actuator segments, different shapes of the actuator can be realized which implement the above-mentioned advantages of segmented actuators or of actuator segments with a central recess, and / or which are advantageously adapted to the shape of the membrane.
Der Aktor kann mindestens zwei Aktorsegmente und/oder beispielsweise höchstens dreißig Aktorsegmente aufweisen. Damit lassen sich die Vorteile eines segmentierten Aktors bei vergleichsweise geringer Komplexität der Anordnung verwirklichen. Alternativ kann der Aktor natürlich auch nur ein oder auch mehr als dreißig Aktorsegmente aufweisen - mit den entsprechenden Vorteilen besonders geringer Komplexität oder besonders großer möglicher Fläche.The actuator can have at least two actuator segments and / or, for example, a maximum of thirty actuator segments. This shows the advantages realize a segmented actuator with a comparatively low complexity of the arrangement. Alternatively, the actuator can of course also have only one or even more than thirty actuator segments - with the corresponding advantages of particularly low complexity or particularly large possible area.
Der Aktor kann einen Durchmesser und/oder eine Seitenlänge von wenigstens 35 mm, vorzugsweise wenigstens 80 mm, und/oder eine Fläche von wenigstens 9 cm2, vorzugsweise wenigstens 50 cm2, und/oder eine Dicke von höchstens 1 mm, vorzugsweise höchstens 0,5 mm haben. Mit entsprechend dimensionierten Aktoren, die sich etwa mit den oben beschriebenen Merkmalen verwirklichen lassen, können entsprechend große Volumenströme und/oder Strömungsgeschwindigkeiten erzielt werden. Natürlich kann der Aktor auch kleiner als die genannten Maße sein, was eine besonders kostengünstige und verschleißarme Bauweise bei gegenüber gleichgroßen Aktoren gemäß dem Stand der Technik immer noch verbesserter Leistung ermöglicht.The actuator can have a diameter and / or a side length of at least 35 mm, preferably at least 80 mm, and / or an area of at least 9 cm 2 , preferably at least 50 cm 2 , and / or a thickness of at most 1 mm, preferably at most 0 .5 mm. Correspondingly large volume flows and / or flow velocities can be achieved with appropriately dimensioned actuators, which can be implemented with the features described above. Of course, the actuator can also be smaller than the dimensions mentioned, which enables a particularly cost-effective and low-wear design with improved performance compared to actuators of the same size according to the prior art.
Das beim Verformen der Membran durch die Düsenöffnung fließende Fluid kann ein Volumen von wenigstens 0,45 cm3 haben. Solche Verformungsvolumen und/oder Volumenströme und/oder Strömungsgeschwindigkeiten können für die verschiedensten Verwendungen des Strömungserzeugers, beispielsweise bei Strömungsbeeinflussung, Kühlung oder Antrieb, von Vorteil sein.The fluid flowing through the nozzle opening when the membrane is deformed can have a volume of at least 0.45 cm 3 . Such deformation volumes and / or volume flows and / or flow velocities can be advantageous for a wide variety of uses of the flow generator, for example for influencing flow, cooling or driving.
Die verformbare Membran kann dazu eingerichtet sein, mit einer Frequenz zwischen 10 Hz und 10 kHz, vorzugsweise zwischen 500 Hz und 2 kHz, in alternierende Richtungen verformbar zu sein. Ein alternierendes Verformen der Membran mit Frequenzen in diesem oder auch einem anderen Bereich kann ein kontinuierliches Erzeugen der Strömung ermöglichen. Die verformbare Membran kann auch zum Verformen mit einer variabel einstellbaren Frequenz eingerichtet sein, wodurch ein für Anwendungen vorteilhaftes variables Einstellen des Volumenstroms und/oder der Strömungsgeschwindigkeit möglich sein kann.The deformable membrane can be designed to be deformable in alternating directions with a frequency between 10 Hz and 10 kHz, preferably between 500 Hz and 2 kHz. An alternating deformation of the membrane with frequencies in this or also another range can enable a continuous generation of the flow. The deformable membrane can also be designed to be deformed with a variably adjustable frequency, whereby a variable adjustment of the volume flow and / or the flow velocity which is advantageous for applications can be possible.
Die Frequenz kann eine Resonanzfrequenz des Aktors und/oder der Membran und/oder eines durch den Strömungserzeuger gebildeten Resonators sein. Durch das Betreiben des Aktors mit der Resonanzfrequenz kann eine maximale Auslenkung mit den entsprechenden Vorteilen eines maximalen Volumenstroms und/oder einer maximalen Strömungsgeschwindigkeit erzielt werden, wobei die Resonanzfrequenz im Falle des hier beschriebenen Strömungserzeugers besonders niedrig sein kann, was die oben beschriebenen weiteren Vorteile mit sich bringen kann.The frequency can be a resonance frequency of the actuator and / or the membrane and / or a resonator formed by the flow generator. By operating the actuator at the resonance frequency, a maximum deflection with the corresponding advantages of a maximum volume flow and / or a maximum flow velocity can be achieved, with the resonance frequency in the case of the flow generator described here being particularly low, which entails the further advantages described above can bring.
Die Düsenöffnung kann an einer zu der Membran senkrecht oder nahezu senkrecht angeordneten Seitenfläche des Gehäuses angeordnet sein. Eine solche Anordnung der Düsenöffnung kann es beispielsweise ermöglichen, mehrere Strömungserzeuger in platzsparender Weise mit dicht nebeneinanderliegenden Düsenöffnungen anzuordnen, was beispielsweise ein vorteilhaftes Erzeugen der Strömung mit wenigen Lücken und/oder hohem Gesamtvolumenstrom ermöglicht.The nozzle opening can be arranged on a side surface of the housing which is arranged perpendicularly or almost perpendicularly to the membrane. Such an arrangement of the nozzle opening can make it possible, for example, to arrange several flow generators in a space-saving manner with nozzle openings lying close to one another, which enables, for example, an advantageous generation of the flow with few gaps and / or a high total volume flow.
Die Düsenöffnung kann jedoch auch an einer der Membran gegenüberliegenden Deckfläche des Gehäuses angeordnet sein. Bei einer solchen Anordnung kann etwa ein Durchmesser der Düsenöffnung mit großer Flexibilität gewählt werden.The nozzle opening can, however, also be arranged on a cover surface of the housing opposite the membrane. With such an arrangement, for example, a diameter of the nozzle opening can be selected with great flexibility.
Der Strömungserzeuger kann dazu eingerichtet sein, dass als Fluid eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser oder Öl oder eine Kühlflüssigkeit, verwendbar ist. Somit kann der Strömungserzeuger besonders vorteilhaft etwa zur Kühlung, zum Antrieb oder zur Beeinflussung von Strömungen in Flüssigkeiten, etwa in der Umgebung von Oberflächen oder strömungsleitenden Elementen von Wasserfahrzeugen, verwendet werden.The flow generator can be set up so that a liquid, in particular water or oil or a cooling liquid, can be used as the fluid. Thus, the flow generator can be used particularly advantageously for cooling, driving or influencing flows in liquids, for example in the vicinity of surfaces or flow-guiding elements of watercraft.
Zusätzlich oder alternativ kann der Strömungserzeuger dazu eingerichtet sein, dass als Fluid ein Gas, insbesondere Luft, verwendbar ist. Somit kann der Strömungserzeuger besonders vorteilhaft etwa zur Beeinflussung von Strömungen in Gasen verwendet werden, etwa in der Umgebung von Tragflächen, Rotoren und anderen Oberflächen oder luftleitenden Elementen von Luftfahrzeugen oder Windkraftanlagen oder Oberflächen von Landfahrzeugen.Additionally or alternatively, the flow generator can be set up so that a gas, in particular air, can be used as the fluid. The flow generator can thus be used particularly advantageously, for example, for influencing flows in gases, for example in the vicinity of wings, rotors and other surfaces or air-conducting elements of aircraft or wind turbines or surfaces of land vehicles.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand von
-
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Strömungserzeuger der beschriebenen Art, -
Fig. 2 eine Aufsicht der Membran und des Aktors des inFig. 1 gezeigten Strömungserzeugers, -
Fig. 3 eine Aufsicht der Membran und des Aktors einer weiteren Ausführungsform eines Strömungserzeugers.
-
Fig. 1 a cross section through a flow generator of the type described, -
Fig. 2 a plan view of the membrane and the actuator of the inFig. 1 shown flow generator, -
Fig. 3 a plan view of the membrane and the actuator of a further embodiment of a flow generator.
Der in
Die Kavität 3 hat annähernd die Form eines flachen Zylinders, wobei eine Deckfläche 11 des Zylinders kuppelförmig ausgewölbt ist Die Kavität 3 kann jedoch auch andere Formen haben, beispielsweise die Form eines flachen Quaders.The cavity 3 has approximately the shape of a flat cylinder, with a
Gegenüber der Deckfläche 11 ist in der Kavität 3 eine verformbare Membran 6 angeordnet. Entsprechend der Form der Kavität 3 ist die Membran 6 rund. Die Membran 6 kann jedoch auch andere Formen haben, beispielsweise kann sie rechteckig oder quadratisch sein. Die Membran 6 besteht aus einem Polymer, wobei alternativ auch andere Materialien in Frage kommen, etwa Metalle, Metalllegierungen oder Keramik.A
Die Membran ist an ihrem äußeren Umfang durch eine umlaufende Vertiefung des Gehäuses 2 formschlüssig befestigt. Die Membran kann jedoch auch auf andere Weise fest oder flexibel gelagert sein, beispielsweise kann sie durch Aufeinanderklemmen von mehreren Gehäuseteilen kraftschlüssig befestigt sein.The membrane is attached in a form-fitting manner on its outer circumference by a circumferential recess in the
An der umlaufenden Seitenfläche 10, also zwischen der Deckfläche 11 und der Membran 6 ist eine zu der Membran 6 senkrecht angeordnete Düsenöffnung 4 angeordnet, welche die Wand des Gehäuses 2 durchtritt. Die Kavität 3 befindet sich durch die Düsenöffnung 4 in Fluidkommunikation mit einem Außenraum 5 des Gehäuses. Die Düsenöffnung 4 kann auch an anderen Stellen des Gehäuses 2 angeordnet sein, beispielsweise an der gegenüber der Membran 6 angeordneten Deckfläche 11. Die Düsenöffnung 4 hat eine zylindrische Form, kann jedoch auch anders geformt sein, beispielsweise konisch oder quaderförmig.On the
Weiterhin umfasst der Strömungserzeuger 1 einen Aktor 7, eingerichtet zum Verformen der Membran 6 derart, dass eine durch die Düsenöffnung 4 fließende Strömung des Fluids aus der Kavität 3 in den Außenraum 5 oder aus dem Außenraum 5 in die Kavität 3 erzeugt wird.Furthermore, the flow generator 1 comprises an
Wie in
Das Aktorsegment 8 ist kreisringförmig ausgeführt, also als kreisförmiges Element mit einer kreisförmigen zentralen Aussparung 12, die mittig in dem Aktorsegment 8 angeordnet ist. Das Aktorsegment 8 kann auch eine andere Form haben, beispielsweise kann es elliptisch, rechteckig oder quadratisch sein. Die Aussparung 12 kann ebenfalls eine andere Form haben, etwa eine elliptische, rechteckige oder quadratische Form, und/oder nicht mittig angeordnet sein. Das Aktorsegment 8 kann auch mehrere Aussparungen 12 aufweisen.The
Aufgrund der kreisringförmigen Ausführung des Aktorsegments 8 mit der zentralen Aussparung 12 umfasst ein vollständiger Umriss des Aktors 7 zwei diskrete Umrisslinien 9 und 9' des Aktorsegments 8, wobei die Umrisslinie 9 durch eine äußere Umrisslinie des Aktorsegments 8 und die Umrisslinie 9' durch eine innere Umrisslinie des Aktorsegments 8, also eine Umrisslinie der Aussparung 12, gegeben ist.Due to the circular design of the
Das gezeigte Aktorsegment 8 kann beispielsweise eine Dicke von 0,2 mm und einen Durchmesser von 50 mm, die zentrale Aussparung 12 einen Durchmesser von 10 mm haben, was einer Fläche des Aktors von ungefähr 18,0 cm2 entspricht. Auch andere Dicken, Durchmesser und Flächen sind möglich.The
Die verformbare Membran 6 kann dazu eingerichtet sein, mit einer Frequenz von beispielsweise ungefähr 1,5 kHz, welche eine Resonanzfrequenz sein kann, in alternierende Richtungen verformbar zu sein und bei einer Düsenfläche von beispielsweise 7 mm2 eine Strömungsgeschwindigkeit von ungefähr 120 m/s zu erzeugen. Entsprechend der möglichen Variationen verschiedener Ausmaße und Eigenschaften können natürlich auch andere Leistungsmerkmale erzielt werden, beispielsweise geringere oder höhere Frequenzen oder Strömungsgeschwindigkeiten.The
Der Aktor 7 eines weiteren Beispiels eines Strömungserzeugers 1 weist - wie in
Aufgrund der segmentierten Ausführung des Aktors 7 mit den acht Aktorsegmenten 8 umfasst ein vollständiger Umriss des Aktors 7 acht diskrete Umrisslinien 9, 9' usw. der Aktorsegmente 8, wobei die Umrisslinie 9 durch eine äußere Umrisslinie eines ersten Aktorsegments 8 gegeben ist, die Umrisslinie 9' durch eine äußere Umrisslinie eines zweiten Aktorsegments 8 gegeben ist usw.Due to the segmented design of the
Der Aktor 7 kann auch eine andere Zahl von Aktorsegmenten 8 haben, beispielsweise mindestens drei und/oder höchstens dreißig Aktorsegmente 8, oder auch nur zwei oder mehr als dreißig Aktorsegmente 8.The
Der durch die kreisringsegmentförmigen Aktorsegmente 8 näherungsweise gebildete Kreisring kann beispielsweise eine Dicke von 0,2 mm und einen Durchmesser von 100 mm, die zentrale Aussparung 12 einen Durchmesser von 20 mm haben, was einer Fläche des Aktors von ungefähr 75,4 cm2 entspricht. Auch andere Dicken, Durchmesser und Flächen sind möglich.The circular ring approximately formed by the circular ring segment-shaped
Die verformbare Membran 6 kann dazu eingerichtet sein, mit einer Frequenz von beispielsweise ungefähr 500 Hz, welche eine Resonanzfrequenz sein kann, in alternierende Richtungen verformbar zu sein und eine Strömungsgeschwindigkeit von beispielsweise über 100 m/s zu erzeugen. Entsprechend der möglichen Variationen verschiedener Ausmaße und Eigenschaften können wiederum auch andere Leistungsmerkmale erzielt werden, beispielsweise geringere oder höhere Frequenzen oder Strömungsgeschwindigkeiten.The
Aufgrund der Bauart und Materialien der beispielhaft gezeigten und beschriebenen Strömungserzeuger 1 ist als Fluid eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, Öl oder eine Kühlflüssigkeit, oder ein Gas, insbesondere Luft, verwendbar.Due to the design and materials of the flow generator 1 shown and described by way of example, a liquid, in particular water, oil or a cooling liquid, or a gas, in particular air, can be used as the fluid.
- 11
- StrömungserzeugerFlow generator
- 22
- Gehäusecasing
- 33
- Kavitätcavity
- 44th
- DüsenöffnungNozzle opening
- 55
- AußenraumOutside space
- 66th
- Verformbare MembranDeformable membrane
- 77th
- AktorActuator
- 88th
- AktorsegmentActuator segment
- 9,9'9.9 '
- UmrisslinienOutlines
- 10, 10'10, 10 '
- SeitenflächeSide face
- 10'10 '
- SeitenflächeSide face
- 11, 11'11, 11 '
- DeckflächeTop surface
- 1212
- AussparungRecess
Claims (11)
ein Gehäuse (2), das eine Kavität (3) zum Aufnehmen eines Fluids umschließt,
eine Düsenöffnung (4), durch welche die Kavität (3) sich in Fluidkommunikation mit einem Außenraum (5) des Gehäuses (2) befindet,
eine verformbare Membran (6) und
einen Aktor (7), aufweisend mindestens ein Aktorsegment (8), wobei der Aktor (7) eingerichtet ist zum Verformen der Membran (6) derart, dass eine durch die Düsenöffnung (4) fließende Strömung des Fluids aus der Kavität (3) in den Außenraum (5) oder aus dem Außenraum (5) in die Kavität (3) erzeugt wird,
gekennzeichnet dadurch,
dass ein vollständiger Umriss des Aktors (7) mindestens zwei diskrete Umrisslinien (9, 9') des mindestens einen Aktorsegments (8) umfasst.Flow generator (1), comprising
a housing (2) which encloses a cavity (3) for receiving a fluid,
a nozzle opening (4) through which the cavity (3) is in fluid communication with an outer space (5) of the housing (2),
a deformable membrane (6) and
an actuator (7) having at least one actuator segment (8), the actuator (7) being designed to deform the membrane (6) in such a way that a flow of the fluid flowing through the nozzle opening (4) out of the cavity (3) into the outer space (5) or from the outer space (5) into the cavity (3) is generated,
characterized by
that a complete outline of the actuator (7) comprises at least two discrete contour lines (9, 9 ') of the at least one actuator segment (8).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP19168809.2A EP3722605A1 (en) | 2019-04-11 | 2019-04-11 | Fluid flow generator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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EP19168809.2A EP3722605A1 (en) | 2019-04-11 | 2019-04-11 | Fluid flow generator |
Publications (1)
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---|---|
EP3722605A1 true EP3722605A1 (en) | 2020-10-14 |
Family
ID=66379694
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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EP19168809.2A Withdrawn EP3722605A1 (en) | 2019-04-11 | 2019-04-11 | Fluid flow generator |
Country Status (1)
Country | Link |
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EP (1) | EP3722605A1 (en) |
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2019
- 2019-04-11 EP EP19168809.2A patent/EP3722605A1/en not_active Withdrawn
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