Strömungsmechanische Schalteinrichtung zur Ausführung von logischen Operationen Dieses Patent bezieht sich auf eine strömungsmecha nische Schalteinrichtung mit mindestens einem Schalt element zur Ausführung von logischen Operationen, wie sie beispielsweise in digitalen Rechenmaschinen, in Steuer- und Regeleinrichtungen usw. vorkommen.
In der Strömungsmechanik sind bereits verschiedene Vorrichtungen bekannt geworden zur Durchführung logischer Operationen. Die bekannteste davon ist wohl das auf dem System des Kolbenschiebers basierende Ventil. Eine andere bekannte Vorrichtung beruht auf der Beeinflussung eines Strömungsstrahles, welcher durch andere Strahlen abgelenkt werden kann. Diesen Vorrichtungen haften schwerwiegende Nachteile an. So ist beispielsweise beim Kolbenschieberventil eine relativ grosse Masse zu bewegen, damit eine Schaltung zu stande kommt. Die mit Strahlbeeinflussung arbeitende Vorrichtung hat demgegenüber den Nachteil, ständig eine erhebliche Leistung zu verbrauchen.
Es ist Zweck der vorliegenden Erfindung die ge nannten Nachteile zu vermeiden. Es soll ein strömungs mechanisches Schaltelement geschaffen werden, in wel chem bei .der Umschaltung äusserst kleine Massen be wegt werden müssen und das deshalb sehr rasch schal tet.
Weiterhin soll ein strömungsmechanisches Schaltele ment geschaffen werden, das in den allermeisten An- wendung _n ohne Leistungsverlust arbeitet in dem Sinne, dass in den Schaltpausen keine nennenswerten Mengen des strömenden Mediums das Element durchfliessen. So ist beispielsweise bei der Anwendung des Erfindungsge- mässen Elementes als Bestandteil einer Matrix vieler gleichartiger Elemente im allgemeinen nur ein einziger Durchflussweg durch die gesamte Matrix geöffnet. Dies bedeutet eine wesentliche Leistungsersparnis gegenüber der Verwendung der bisher bekannten Elemente.
Ein weiterer Vorteil des erfindung#gemässen Ele mentes ist sein vergleichsweise geringer Durchflusswi- derstand in geöffnetem Zustand.
Die Erfindung bezieht sich auf eine strömungsme chanische Schalteinrichtung mit mindestens einem Schaltelement, bei .dem in einen Hohlraum wenigstens drei Kanäle einmünden, deren Durchfluss durch ein im wesentlichen blattförmiges Schaltglied beeinflusst wird, welches sich durch die Wirkung des Druckes bewegen kann um einen oder mehrere Kanäle zu verschliessen und dadurch die Strömung einem bestimmten Ausgangs kanal zuzuführen, den Durchfluss zu erschweren oder ihn zu unterbrechen.
Im weiteren soll die Erfindung durch Beispiele er läutert und anhand von Zeichnungen näher dargelegt werden.
Die Fig. 1, 2, 3 und 4 der Zeichnungen zeigen ver schiedene Anwendungen einer ersten Ausführungsart des erfindungsgemässen Elementes.
Die Fig. 4a und 4b zeigen weitere Ausführungsarten der in Fig. 4 dargestellten Anwendung.
Die Fig. 4c und 4d -dienen der Erklärung der Funk tion.
Fig. 5 zeigt ein Detail einer Anordnung.
Die Fig. 6a und 6b zeigen die Anwendung als logi sche ODER-Schaltung in zwei verschiedenen Ausfüh rungen.
Fig. 7 zeigt die Anwendung als Verstärker eines sta tischen Druckes. sowie als logische UND-Schaltung.
Die Fig. 8 und 9 zeigen zwei verbesserte Ausfüh rungsformen des erfindungsgemässen Elementes.
Fig. 1 zeigt eine sektorförmige Kammer mit einer im Punkt 11 gelenkig gelagerten oder biegsam befestigten Klappe 12, welche sich in Richtung des Sektorradius erstreckt. In der Kammer endigen die drei Anschlusska- näle 13, 14 und 15. Eine durch den Kanal 15 eintre tende Strömung einer Flüssigkeit oder eines Gases wird durch die Mappe 12 abgelenkt und verlässt ,die Kammer durch einen der Kanäle 13 oder 14. Gleichzeitig wird die Klappe 12 an die Kammerwand gepresst, die dem jewei ligen Abflusskanal gegenüber liegt.
Dabei wird die nicht benutzte Abflussöffnung durch die Klappe 12 dicht ver schlossen. Solange der Druck in dem Zuflusskanal 15 grösser ist als der Druck im verschlossenen Abflusska- nal ist die jeweilige Stellung der Klappe stabil und die gesamte Strömung verlässt die Kammer durch die jewei lig geöffnete Abflussöffnung.
An der jeweils geschlosse nen Abflussöffnung erscheint .daher kein Signal, sondern höchstens eine vernacblässigbar kleine Leckströmung. Die Einrichtung hat die Möglichkeit, Strömungen umzu schalten, sowie die Fähigkeit, sich an den jeweils beste henden Schaltzustand zu erinnern, d. h. den jeweils be stehenden Schaltzustand zu speichern.
Ist die Klappe 12 mechanisch gedämpft und nicht federnd gelagert, so kann die Einrichtung den bestehen den Schaltzustand auch dann speichern, wenn die sie durchfliessende Strömung aufgehört hat. Fliesst die Strömung jedoch dauernd, so wird der bestehende Schaltzustand mit Sicherheit gespeichert, selbst wenn die Klappe federnd gelagert ist, sowie beim Auftreten von Vibrationen und anderen äusseren Störungen.
Der Schaltzustand des Elementes wird dadurch ge ändert, dass der Strömungsfluss durch die Öffnung 15 unterbrochen oder doch reduziert wird-, und dass eine kurzzeitige Steuerströmung zwischen den Kanälen 13 und 14, oder 13 und 15 in der gezeichneten Schaltstel lung, eingeführt wird. Da die Klappe 12 den Hohlraum im wesentlichen abschliesst, wird sie durch diese Strö mung mitgenommen und verschliesst die Öffnung nied rigeren Drucks. Eine wiedereingeschaltete Strömung durch Kanal 15 wird das Element jetzt durch den Kanal verlassen, der während des Umschaltvorganges den höheren Druck geführt hatte.
In manchen Anwendungen ist es unvorteilhaft den selben Kanal sowohl zur Steuerung als auch als Ausgang zu benutzen: Fig. 2 zeigt daher ein Element, welches über zwei zusätzliche Steuerkanäle 16 und 17 verfügt. Da im Hohlraum des Schaltelementes jetzt insgesamt fünf Kanäle endigen, können Schwierigkeiten auftreten dadurch, dass ein Steuerfluss z. B. durch Kanal 17 vom Abflusskanal 13 geschluckt wird, bevor die Klappe 12 vollständig umgeschaltet ist.
Diese Schwierigkeit kann erfahrungsgemäss behoben werden durch Verwendung eines kurzen Steuerimpulses von möglichst hohem Druck, welcher in Zusammenwirkung mit der Massen trägheit der Klappe ein sicheres Umschalten bewirkt.
Eine weitere Lösung für die soeben erwähnte Schwierigkeit wird in Fig. 3 gezeigt. Das Schaltelement nach Fig. 3 verfügt über zwei im wesentlichen getrennte Sektoren, die an ihren Spitzen aneinanderstossen und in denen eine einzige Klappe 12 arbeitet. Diese Klappe ist bei Punkt 11 um eine senkrecht zur Zeichenebene ste- mentes zu verändern. So kann durch richtiges hende Achse drehbar.
In der gezeichneten Stellung wird eine durch Kanal 15 eintretende Strömung das Element durch Kanal 14 verlassen, während Kanal 13 durch die Klappe 12 geschlossen ist. Zwecks Umschaltung wird eine Strömung durch Kanal 17 zugeführt, die auf die Klappe 12 hebelartig einwirkt, so dass Kanal 13 geöff net wird. Sobald sich das Ende der Klappe 12 etwa über die Mitte des Kanales 15 hinweg bewegt hat, wird die Klappe von selbst auf die in der Zeichnung rechte Seite gedrückt, d. h. Kanal 14 wird geschlossen.
Es ist klar, dass bei dieser Anordnung die Klappe 12 eine gewisse Steifigkeit benötigt, was bei den in Fig. 1 und Fig. 2 ge zeigten Anordnungen in viel geringerem Mass erforder lich ist.
Ein wesentliches Merkmal der Anordnung gemäss Fig. 3 ist die völlige Trennung zwischen Steuerkreis und Arbeitskreis. Ein weiteres Merkmal ist die Möglichkeit, durch verhältnismässige Änderung .der Grösse von Steu ersektor und Schaltsektor die Eigenschaften des Ele- ohne weiteres eine Verstärkung erzielt werden. Das Element nach Fig. 3 ist weitgehend ein strömungsme chanisches Analogon zum elektromechanischen Relais.
Fig.4 zeigt eine weitere Anwendung eines erfin- dungsgemässen Schaltelementes. Dieses Element erfüllt die Funktion einer Torschaltung oder auch diejenige eines Leistungsverstärkers. Ist der Druck am Eingang 27 klein im Vergleich zum Druck am Eingang 26, so wird die Klappe 22 den Eingang 27 verschliessen. Die Anschlüsse 26 und 23 sind jetzt miteinander verbunden und 27 ist von diesen beiden getrennt. Wird an 27 ein Druck andelegt, so verschliesst die Klappe 22 die An schlüsse 23 und 26, die Strömung wird unterbrochen.
Das in Fig. 4 gezeigte Schaltelement führt die logi sche Funktion der Inhibition aus. Wird der Eingangska nal 26 mit A, der Steuerkanal 27 mit B und der Aus gangskanal 23 mit X bezeichnet, so gilt die Boole'sche Gleichung: X = A AB.
Fig. 4a zeigt eine andere Ausführungsform des Ele mentes nach Fig. 4, welche sich gut eignet zur serienmässi- gen Herstellung eines Gerätes, das aus einer Vielzahl solcher Elemente besteht. Zur Herstellung dieses Gerä tes werden die strömungsmechanischen Schaltelemente beispielsweise in Reihen angeordnet, in Platten eines geeigneten Pressmateriales in Form von Vertiefungen, respektive Druchlasskanälen angebracht.
So wird bei spielsweise eine dreieckförmige Vertiefung, wie sie für das erfindungsgemässe Schaltelement benötigt wird, in die Platte 24 direkt eingepresst. Aus der Vertiefung her aus führt der Steuerkanal 27. In der Gegenplatte 25 ist der Ausgangskanal 23, sowie der Eingangskanal 26 ein- gepresst. Die beiden Platten werden nun, gegebenenfalls als Paket zusammen mit einer Mehrzahl ähnlicher ande rer Platten, unter Zwischenlage der Dichtung 21 durch Schrauben, Nieten oder andere geeignete Pressmittel zusammengepresst.
Die Dichtung 21 bildet hierbei, mit Hilfe geeigneter U-förmiger Ausstanzungen gleichzeitig die Schaltzungen 22, die unter dem Einfluss des Druckes am Steuerkanal 27 den Druchfluss zwischen Eingangs kanal 26 und Ausgangskanal 23 schaffen. Die Anord nung einer solchen Dichtung 21, die gleichzeitig die Schaltzungen 22 für eine Vielzahl gleichartiger oder ähnlicher strömungsmechanischer Schaltelemente bildet, ist in Fig. 5 der Übersicht halber im Aufriss dargestellt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfin- dungsgemässen Schaltelementes ist dargestellt in Fig. 4b. Das in Seitenansicht dargestellte Element ist im Grund- riss rund oder viereckig, es kann aber auch jede andere geeignete Form haben. Das Schaltorgan ist hier als freie Membran ausgebildet, es besteht aus einem im Hohl raum frei beweglichen Plättchen, hergestellt aus irgend- einem geeigneten Material, das vorzugsweise eine ge wisse Steifigkeit hat.
Die Funktion ist analog derjenigen des in Fig. 4 sowie des in Fig. 4a dargestellten Elemen tes.
Im folgenden soll nun anhand der Fig. 4c sowie 4d des Näheren auf die Eigenschaften des erfindungsge- mässen Schaltelementes eingegangen werden. In Fig. 4c ist das erfindungsgemässe Schaltelement in geschlosse nem Zustand dargestellt. Ein Signal ist an den Steuerka nal 37 angelegt, welcher somit unter Druck steht. Das Plättchen 32 ist durch diesen Druck nach unten bewegt worden und verschliesst nun den Eingangskanal 36 so wie den Ausgangskanal 33. Ein Durchfluss von 36 nach 33 ist in diesem Zustand nicht möglich.
Durch Pfeile ist die Druckverteilung angegeben, die die auf das Plättchen 32 wirkenden Kräfte bestimmt. Auf der dem Steuerka nal 37 zugewandten Seite des Plättchens herrscht auf der ganzen Fläche hoher Druck, während auf der anderen Seite des Plättchens im wesentlichen nur auf der durch den Querschnitt des Einlasskanales 36 gebildeten Fläche hoher Druck herrscht. Auf der durch den Querschnitt des Auslasskanales 33 gebildeten Fläche herrscht nied riger Druck und auf der übrigen Fläche des Plättchens herrscht eine Druckverteilung, die durch .den Abstand eines jeden Flächenpunktes von den beiden Kanälen gegeben ist.
Dabei muss naturgemäss angenommen wer den, dass das auf einer Seite dzr Kammer liegende Plätt chen nie vollkommen gegen dieselbe abgedichtet ist, und dass immer ein zwar vernachlässigbar kleiner, aber doch endlicher Leckfluss vorhanden ist.
Fig. 4d zeigt das erfindungsgemässe Schaltelement in geöffnetem Zustand. Wenn kein Signal am Steuerkanal 37 auftritt, wird sich unter dem Einfluss des Druckes am Eingangskanal 36 das Plättchen gegen den Steuerkanal 37 bewegen und einen Durchfluss von 36 nach 33 er möglichen. Die in Fig. 4d eingezeichneten Druckpfeile zeigen nun die Druckverteilung in dem Augenblick, da am Steuerkanal 37 wieder ein Signal auftritt, das Schalt element also geschlossen werden soll.
Die das Schalt element durchfliessende Strömung findet auf ihrem Weg von der Druckquelle über eine Leitung, durch das Schaltelement hindurch, über eine weitere Leitung bis zum Verbraucher, an jeder Stelle einen Strömungswi derstand, welcher einen entsprechenden Druckabfall erzeugt. Daher ist es verständlich, dass der Druck auf der Seite des Plättchens, die dem Steuerkanal 37 gegen überliegt, geringer ist als der Druck, der am Steuer kanal 37 selbst auftritt.
(Es wird hier angenommen, dass der bei 37 wirkende Steuerdruck vom selben Druckerzeuger stammt, wie der bei 36 wirkende Arbeitsdruck.) Die in Fig. 4d von rechts nach links mit abnehmender Länge gezeigten Druckpfeile entsprechen somit dem infolge des Durchflusswiderstandes entste henden Druckabfall im Schaltelement. Aus dem gesag ten wird verständlich, dass das Plättchen 32 sich unter dem Einfluss des am Steuerkanal 37 liegenden Druckes vom Steuerkanal wegbewegen wird, und den Durchfluss von 36 nach 33 sperren wird.
Zur Schliessung des Schaltelementes ist es somit nicht notwendig, dass der am Kanal 37 liegende Steuerdruck einen höheren Wert aufweist, als der am Kanal 36 liegende Arbeitsdruck. Im Gegenteil hat die Praxis gezeigt, dass das erfindungsge- mässe Element einwandfrei arbeitet, selbst wenn der Steuerdruck geringer ist.
Es ist klar, dass die in Fig. 4b, 4c und 4d gezeigte Bauart des erfindungsgemässen Elementes ohne weiteres auf Schaltelemente angewendet werden kann, wie sie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt sind. Ein solches Element nach Fig. 1 ist in Fig. 6 dargestellt. Nicht möglich hingegen ist die Anwendung dieser Bauart auf das in Fig. 3 ge zeigte Element.
Das in Fig. 6 gezeigte Schaltelement führt die logi sche Funktion ODER aus. Ist beispielsweise A der eine und B der andere Eingang des Elementes sowie X der Ausgang, dann gilt die Boole'sche Gleichung X=AVB.
Fig. 6a zeigt das ODER-Schaltelement in der in Verbindung mit Fig. 4a beschriebenen Bauweise, Fig. 6b zeigt dasselbe Element in der in Verbindung mit Fig. 4b beschriebenen Bauweise.
Fig. 7 zeigt eine Anwendung .des erfindungsgemäs- sen Schaltelementes zur Verstärkung eines statischen Druckes. Diese Anwendung bedarf einer etwas verfei- nerten Anordnung und weist ausserdem einen gewissen Verbrauch an Verlustleistung auf. Es wird dabei dem Schaltelement 41 ein Strömungwiderstand 44, welcher in Reihe mit dem Steuerkanal 47 geschaltet ist, sowie ein Leck-Kanal 45 zugeordnet, der den Steuerkanal 47 belastet. Die Arbeitsweise ist wie folgt: Wenn kein Steuerdruck an 47 angelegt ist, befindet sich das Schalt plättchen 42 in der oberen Stellung.
Das Plättchen wirrt dabei stets von einem gewissen Leckfluss umflossen. Der Durchflusswiderstand um das Plättchen herum und der zusätzliche Strömungwiderstand 44 bilden dabei einen Druckteiler solchermassen, dass der Druck auf der oberen Seite des Plättchens nicht genügend ist, um das Plättchen nach unten zu bewegen. Wird nun ein zusätzli cher Druck am Steuerkanal 47 angelegt, so ändern sich die Verhältnisse sofort: Der Druck auf der Oberseite des Plättchens steigt an, das Plättchen bewegt sich nach un ten und verschliesst den Ausgangskanal 43. Infolgedes sen wird der statische Druck am Signalausgang 48 um den am Strömungswiderstand 49 aufgetretenen Druck abfall ansteigen.
Da bei dieser Anordnung der Signal ausgang 48 nicht durch eine zu starke Strömung bela stet werden darf, wurde in der Zeichnung der Ausgang 48 mit einem Strömungswiderstand versehen. Die Lei stungsfähigkeit dieses Ausgangs genügt jedoch vollkom men, um beispielsweise die Steuerkanäle einer grösseren Anzahl von logischen Elementen gemäss der vorliegen den Erfindung zu versorgen.
Stellt die am Eingang 46 in Fig. 7 auftretende Strö mung ein Signal dar, so kann die Anordnung gemäss Fig. 7 die logische Funktion UND ausführen. Bezeichnet man das an 46 angelegte Signal mit A, das an 47 ange legte mit B, und das statische Ausgangssignal an 48 mit X, dann gilt X=AAB.
In jeder logischen Schaltung besteht die Notwendig keit das Verhältnis Nutzsignal zu Fehlersignal so gross wie möglich zu machen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass es in dieser Hinsicht vorteilhaft ist, die erfindungsge- mässen Schaltelemente so auszuführen, dass die Um schaltung vom einen in den anderen Schaltzustand mög lichst schnell erfolgt. Zu diesem Zwecke ist es beispiels weise erwünscht, den Schaltweg den das Schaltplättchen von seiner offenen zu seiner geschlossenen Stellung zurückzulegen hat möglichst kurz zu halten.
Mit anderen Worten, die Strecke die das Plättchen 32 zurückzulegen hat um von der in Fig. 4c gezeichneten Stellung in die in Fig. 4d gezeichnete Stellung zu gelangen soll möglichst kurz sein, das Schaltelement also möglichst flach sein.
Für die Bemessung des Schaltelementes ergibt sich eine natürliche Grenze dadurch, dass der Durchflussquer- schnitt in geöffnetem Zustand ein gewisses Mass nicht unterschreiten darf. Bei gleichbleibendem Durchfluss- querschnitt kann nun der Schaltweg dadurch kürzer ge macht werden, dass man, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist, zwei Eingangskanäle 56 sowie zwei Ausgangkanäle 53 vorsieht, die vorteilhafterweise übers Kreuz angeordnet werden.
Dadurch wird ein grosser Anteil des meist kreisförmigen Querschnitts des Schaltelementes aktiv durchströmt, das Element kann somit flacher gehalten werden und der vom Plättchen 52 zurückzulegende Weg wird kürzer.
Eine weitere Ausführungsform die in der beschrie benen Hinsicht noch günstiger ist, besonders wenn ein relativ grosser Durchflussquerschnitt erforderlich ist, zeigt Fig. 9. Hier sind der Eingangskanal 66 und der Ausgangskanal 63 konzentrisch zueinander angeordnet.
Durch diese Anordnung lässt sich der kleinstmögliche Schaltweg für das Plättchen 52 erreichen; sie hat jedoch den Nachteil, dass die Umströmungsverhältnisse für das Plättchen in bezug auf .die beiden Kanäle verschieden sind, was die Wirkung des Elementes in gewissen An wendungen beeinträchtigen könnten.
Im vorliegenden wurde die Erfindung anhand meh rerer Beispiele beschrieben. Zahlreiche weitere Ausfüh- rungen und Anwendungen sind denkbar und die Erfin dung soll in keiner Weise durch .die dargestellten Bei spiele und Anwendungen begrenzt sein.