DE2039133A1

DE2039133A1 - Fluid-Logik-Element mit beweglichen Teilen

Info

Publication number: DE2039133A1
Application number: DE19702039133
Authority: DE
Inventors: Smulders Hendricus Fr Gerardus; Peter Holster; Potters Cornelis Joha Theresia
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-08-21
Filing date: 1970-08-06
Publication date: 1971-02-25
Also published as: FR2059596A7; NL6912720A; CH510204A; FR2059596B3

Description

DiPl-IiIg-F₁-J₁KUPFERMANN PHN, 4221

Patentanwalt

^Anmelder: N-V-Philips-Gloeiiampenfafaf^knii J* ■/ VJH.

AkteN* PHH- 4221
Anmidung vomt 3. Auge 1970

"Fluid-Logik-Element mit beweglichen Teilen".

Die Erf inching bezieht sich auf ein Fluid-Logik-Element mit beweglichen Teilen in Form einer oder mehrerer bewegliehen Membranen, die je an sich einen Teil einer Dichtungsmembran zwischen festen Teilen des Logik-Elementes bilden und lose voneinander und von einem Ventilkörper sind, der mit mindestens einem Ventiltellersitz zusammenarbeitet und unter dem Einfluss der Bewegungen der genannten beweglichen Membranen gegenüber dem Ventiltellersitz verschiebbar ist.

Ein derartiges Fluid-Logik-Element ist aus dem Artikel: "A practical approach to fluidic control systems",

£2,3** Cranfield Fluidics Conference, 1968 {siehe * 11 auf Seite A2-43) bekannt» Das genannte bekannte Element iat ©in "NICHT-ODER"-Element mit zwei Eingängen und

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mit einer .Kugel als Ventilkörper in einem Dreiwegventil. In der einen Lage der Kugel wird diese, beim Fehlen von Signalen an den Eingängen des Elementes, durch den Speisedruck auf einen Ventiltellersitz gedrückt und der Ausgangskanal wird mit dem Speisekanal verbunden.

Wird mindestens einem der Eingänge ein Signal zugeführt, so wird die Kugel durch die darüber liegende Membran fe gegen einen gegenüberliegenden Ventiltellersitz gedrückt, wodurch der Ausgangskanal nicht länger mit dem Speisekanal verbunden ist, sondern mit der Atmosphäre verbunden wird. So ist also der Ausgangskanal immer entweder mit dem Speisekanal oder mit der Atmosphäre verbunden.

Der Gebrauch eines Dreiwegventils in einem Fluid-Logik-Element hat zwei kennzeichnende Vorteile und zwar erstens ein grosses "Fan-out", d.h. dass der Ausgang mit vielen anderen Logik-Elementen verbunden werden kann, ohne dass die Wirkung des Elementes beeinflusst wird, und zweitens können bei Fluid-Logik-Elementen mit grosser Eingangsimpedanz, flui- dische Leckwiderstände vermieden werden, die, ausser der Tatsache, dass sie sich ziemlich schwierig mit der gewünschten Genauigkeit herstellen lassen, zu Störungen führen können wegen Verstopfung der erforderlichen engen Durchströmungsöffnungen. Fluidische Widerstände haben ausserdem einen vergrösserenden Einfluss auf die Ansprechzeit eines Elementes.

Für Beispiele von Fluid-Logik-Elementen mit einer beweglichen Membran aber ohne ein Dreiwegventil wird auf den Artikel "Pneumatic Diaphragm Logic" von D.F.Jensen, H.R.Müller

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.und H-.R. -Scharfer (Advances in Fluidics, ASME 1967) verwiesen. Diese Elemente eignen sich durchaus zum Integrieren zu vollständigen Schaltungen, wobei das Ganze durch Stapelung einer Anzahl« Kunst stoff plat ten mit Kammern und Kanälen mit Zwischenfügung einer Anzahl Diehtungsmembranen, von denen bestimmte Teile zugleich eine Funktion als bewegliche Membran in einem Logik-Element haben, aufgebaut werden kann.

Das eingangs erwähnte Element eignet sich weniger M zur Integration, weil ausser den Platten und Diehtungsmembranen auch separate Teile in Form von Kugeln erforderlich Bind. ■ - -.- ■ :■ -

Die Erfindung bezweckt, Fluid-Logik-Elemente der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die Vorteile des ersten genannten bekannten Elementes mit der leichten Integrierbarkeit der letztgenannten bekannten Elemente verbindet, aber auch in nicht-integrierter Form von einer einfacheren Konstruktion ist als das erste genannte bekannte Element.

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Die Erfindung; wird dadurch gekennzeichnet, dass der genannte ^P Ventilkörper einen Teil einer Dichtungsmembran zwischen festen Teilen des Logik-Elementes bildet.

Die erfindungsgemässen Logik-Elemente bestehen also ausschliesslich aus festen Teilen mit dazwischen geklemmten Diehtungsmembranen, von denen bestimmte Teile zugleich als bewegliche Membran und/oder als Ventilkörper wirksam sind.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung haben ein oder mehrere der genannten beweglichen Teile eine ·

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profilierte Form und einen ein Ganzes damit bildenden hinausragenden Teil zum Ausüben einer Druckkraft auf einen anderen beweglichen Teil. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass die diametrale Abmessung der beweglichen TeiLe im Verhältnis zur Dicke der zwischen den Membranen befindlichen festen Teile verringert werden kann, was der in vielen Fällen so sehr erwünschten Miniaturisierung der Elemente oder der integrierten Schaltungen in hohem Masse zugute kommt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch ein fluidisches "NICHTODER"- Element mit zwei Eingängen,

Fig. 2 einen zweiten, um 90° verdrehten Schnitt durch das Element nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein passives fluidisches "UND"-Element mit zwei Eingängen,

Fig. 4 einen zweiten, um 90° verdrehten, Schnitt durch das Element nach Fig. 3»

Fig. 5 eine integrierte fluidische Alarmvorrichtung.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Logik-Element enthält zwei bewegliche Membranen 1 und 2. Das Element enthält eine Anzahl fester Gehäuseteile 3-6, die durch die zwischengeklemmten Dichtungsmembranen 7-9 voneinander getrennt werden. Die beweglichen Membranen 1 und 2 bilden einen Teil der Dichtungsmembranen 7 bzw. 8 und sind lose voneinander.

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Mit 10 ist der Ventilkörper eines Dreiwegventils bezeichnet, welcher Ventilkörper einen Teil der Dichtungsmembran 9 bildet und dor, ebenso wie die beweglichen Teile 1 und 2, aus einer beweglichen Membran besteht, die nun jedoch mit öffnungen 11 versehen ist.

Die beweglichen Membranen 1 und 2 sind je als profilierte Membran ausgebildet und enthalten hinausragende Teile 12 und 13» die ein Ganzes damit bilden und die zum Übertragen einer Druckkraft auf den darunterliegenden beweglichen Teil dienen.

Das dargestellte Element würde bei einer richtigen Materialwahl im Prinzip für jedes Fluid geeignet sein. Zur Vereinfachung wird in der weiteren Beschreibung immer angenommen, dass die beschriebenen Logik-Elemente mit Druckluft betrieben werden.

Die Wirkungsweise des "NICHT-ODER"-Elementes nach den Fig. 1 und 2 ist folgende: über geeignete Mittel wird der Speisekanal 14 an eine Druckluftquelle und der Kanal 15 an die Atmosphäre angeschlossen. Die Kanäle 16 und 17 bilden die Eingangskanäle.

Wird keinem der Eingangskanäle 15 oder 17 Druckluft zugeführt, dann bedeutet dass, dass die beiden Eingangssignale den Binärwert "0" haben. In diesem Fall wird der Ventilkörper .10 durch den Speisedruck gegen den Ventiltellereitz 19 gedrückt, so dass keine Speiseluft über die öffnungen 11 in der den Ventilkörper 10 bildende bewegliche Mem-' bran und Ubar die Kammer 20 und den Kanal 21 in die Atmos-

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PHN. h'J2-\.

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phäro wegJ'liesöen kann. Dc?r Ausgangskanal 18 steht also unter ' Druck, d.h., dass das Ausgangssignal den Binärwert "1" hat.

Wird nun im Eingangskanal 16 das Eingangssignal von "0" auf "1" gebracht, so hat dies zur Folge, dass in der Kammer 21 ebenfalls ein Speisedruck herrschen wird. Dadurch wird die bewegliche Membran 1 nach unten bewegt und sie drückt mit ihrem hinausragenden Teil 12 auf die bewegliche Membran 2 und diese drückt dadurch ihrerseits mit ihrem hinausragenden Teil 13 auf den Ventilkörper 10. Da die projektierte Oberfläche der Kammer 21 grosser ist als die des Ventiltellersitzes 19» wird der Ventilkörper 10 vom Ventiltellersitz 19 abgedrückt um danach gegen den gegenüberliegenden Ventiltellersitz 22 gedrückt zu werden. Der Ausgangskanal 18 und der damit verbundene Fluidkreis können nun über die Kammer 23» die Offnungen 11 und den Kanal 15 entlüften.

Das Umschalten des Dreiwegventils durch Verschiebung des Ventilkörpers 10 vom Ventiltellersitz 1Q auf den Ventiltellersitz 22 kann auch dadurch erfolgen, dass dem Eingangskanal 17 Druckluft zugeführt wird. Die Kammer "}6 kommt dann unter Druck zu stehen, so dass ausser der Tatsache, dass das Dreiwegventil umgeschaltet wird, auch die bewegliche Membran 1 nach oben gedrückt wird. Letzteres hat jedoch keinen Einfluss auf das Funktionieren des dargestellten Elementes. Eine Zufuhr von Druckluft zum Eingangskanal 16 sowie zum Eingangskanal 17 führt selbstverständlich auch zu einer Umschaltung des Dreiwegventils.

Die Anzahl Eingänge des beschriebenen "NICHT-ODER"-

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Elementes lässt sieh durch Hinzufügen beweglicher Membranen, die den beweglichen Membranen 1 und 2 entsprechen, beliebig vergröseern.

Die Fig. 3 und 4 zeigen ein passives "UND"-Element mit zwei Eingängen. Die Struktur dieses Elementes zeigt eine Übereinstimmung mit dem obenstehend, beschriebenen "NICHT-ODER"-Element. Abweichend aber von diesem obenstehend beschriebenen Element sind nun zwei .Ventiltellersitze hinzugefügt, die . durch 24 und 25 bezeichnet sind, «id die mit der oberen beweglichen Membran 26 bzw. der mittleren Membran 27 zusammenarbeiten, die nun also beide zugleich als Ventilkörper wirksam sind. Weiter ist die bewegliche Membran 27 mit einer Anzahl Offnungen 28 versehen und der Ventilkörper 34 arbeitet mit nur einem durch 35 bezeichneten Ventiltellersitz zusammen.

Dass die beiden beweglichen Membranen .26 und 27 eine doppelte Funktion ausüben können zeigt einen weiteren Vorteil der Ausführungsform mit einer profilierten Form und einem hinausragenden Teil.

Die Eingangskanäle sind durch 29 und 30 bezeichnet und der Ausgangskanal (siehe Fig. 4) durch 31. Der Kanal 32 ist mit der Atmosphäre verbunden. Die Kanäle 33, 41 und haben keine Funktion. Sie sind bei der Stapelung des Elementes unter Verwendung genormter Teile, mit denen Elemente mit verschiedenen Schaltfunktionen aufgebaut werden können, zwangsläufig entstanden. Das dargestellte "UND"—Element ist ein passives "UND"-Element, weil es keine Speisung erhält. Es ist selbstverständlich möglich, auf in der Sehalttechnik

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bekannte Weise unter Verwendung von "NICHT-ODER"-Elementen der obenbeschriebenen Art einen aktiven Kreis zum Durchführen der "UND"-Funktion und mit jeder gewünschten Anzahl von Eingängen zusammenzustellen.

Das "UND"-Element nach Fig. 3 und k arbeitet wie folgt: wird dem Eingangskanal 29 Druckluft zugeführt und dem Eingangskanal 30 nicht, so wird der Ventilkörper 3^ gegen den Ventiltellersitz 35 gedrückt. Die Kammer 37 empfängt also keine Druckluft und ist über die Öffnungen 28 in der beweglichen Membran 27 nach wie vor mit dem Kanal 32 verbunden, so dass das Ausgangssignal im Ausgangskanal 31 den Binärwert "0" hat.

Wird dem Eingangskanal 30 Druckluft zugeführt nicht aber dem Eingangskanal 29, so wird die bewegliche Membran 26 gegen den Ventiltellersitz 2k gedrückt. Gleichzeitig drückt der hinausragende Teil 38 der beweglichen Membran 26 gegen die bewegliche Membran 27 und der hinausragende Teil 39 dieser Membran drückt seinerseits wieder gegen den Ventilkörper 3k, der folglich vom Ventiltellersitζ 35 gedrückt wird. Der Ausgangskanal 31 ist also über die Kammer 37 und die Offnungen kO im Ventilkörper 3^ mit dem Eingangskanal 29 verbunden, so dass der Ausgangskanal wieder den Binärwert "0" hat.

Es dürfte einleuchten, dass wenn den beiden Eingangskanälen 29 und 30 Druckluft zugeführt wird, die beweglichen Membranen 26, 27 und auch der Ventilkörper 3^ die obenbeschriebene Stellung einnehmen werden, weil die projektierte Oberfläche der beweglichen Membran 26 grosser ist als

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die des Ventiltellersitzes 24. Der Eingangskanal 29 und der Ausgangskanal 31 sind also miteinander verbunden, so dass auch im letzt erwähnten Kanal das Signal den Binärwert "1" hat. ■■■■:'.;"■: ■ '■ ■

Das Füllstück 43 ist zur Vermeidung vom Weglecken von vom Eingangskanal 30 herrührender Druckluft längs der Unterseite der Membran 85» von der die bewegliche Membran 26 einen Teil bildet, vorgesehen und zwar an denjenigen Stellen, M wo sich an der Oberseite ein sich in der Querrichtung erstreckender Kanalteil erstreckt, wie bei 44.

Die in Fig. 5 dargestellte Alarmvorrichtung zeigt einen Kreis» der durch. Integration einer Anzahl Fluid-Logik-Elemente erhalten worden ist. Zwecks besserer Übersichtlichkeit der Zeichnung ist dies und jenes schematisch dargestellt und sind alle Kanäle und beweglichen Teile in derselben Ebene sichtbar. Die Alarmvorrichtung enthält eine Anzahl Eingangskanäle 45-50 und einen Ausgangskanal 5I· Die

Kanäle 49 und 50 sind miteeiner Druckluftspeisequelle ver— . " ™ bunden. Die Kanäle 45» k6 und 47 sind mit Druckaufnehmern verbunden, die Messdaten in Form von pneumatischen Drücken von einer zu überwachenden Anlage einer Alarmvorrichtung zusenden. Die Kanäle 52, 53 und 60 sind mit der Umgebung verbunden.

Die Alarmvorrichtung enthält weiter einen pneumatisch et euer bar en elektrischen Schalter, der mit ,5_4 angedeutet 1st und ein Kontaktelement 55» einen Schaltplunger 56, eine bewegliche Erregungsmembran 57 und eine Steuerkainmer 58

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enthält. Der Schalter 54 dient dazu, unter dem Einfluss eines · pneumatischen Steuersignals ein elektrisches Alarmelement 59 einzuschalten; in der Zeichnung ist dies eine Lampe.

Die Funktion der Alarmvorrichtung ist folgende: wird im Kanal 47 ein pneumatischer Impuls empfangen und ausserdem in mindestens einem der Kanäle 45 oder 46 ebenfalls, so wird die Alarmlampe 59 eingeschaltet und der Ausgangskanal ■: 51» der im normalen Zustand mit der Atmosphäre verbunden ist, wird mit der Druckluftquelle verbunden. Diese Situation bleibt bestehen, auch wenn an den Eingängen nicht länger eine zu alarmierende Situation angezeigt wird. Die ursprüngliche Situation der Alarmvorrichtung kann unter diese Umstände dadurch wiederhergestellt werden, dass einem Kanal 48 ein pneumatischer "WIEDERHERSTELLUNGS"-Impuls zugeführt wird.

Der Kanal 61 ist als Ausgangskanal eines "ODER"-Elementes mit zwei Eingängen, nämlich den Kanälen 45 und 46 zu betrachten. Der bewegliche Teil 62 kann in seiner einen äussersten Stellung auf dem Ventiltellersitz 63 und in seiner anderen äussersten Stellung auf dem Ventiltellersitz 64 als Dichtung wirksam sein.

Die Kanäle 61 und 47 sind die Eingangskanäle eines "UND"-Elementes der bereits oben beschriebenen Art, der Kanal 65 ist der Ausgangskanal.

Der Ventilkörper 66 kann auf dem Ventiltellersitz 67 dichtend wirksam sein, nicht aber auf dem mit Schlitzen versehenen Ventiltellersitz 68. Der Kanal 69 ist der Ein-. gangskanal eines "HALTE"-Elementes, das weiter den Speise -

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. PHN. k:i:ii.

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kanal ^9, denan die Atmosphäre angeschlossenen Kanal 52 und einen Ausgangskanal 70 enthält. Bei 71 befindet sieh ein Fluid-Widerstand. Herrseht im Kanal 69 kein Druckluftdruck, so wird der Ventilkörper 72 gegen den-Ventiltellersitz 73 gedruckt. Empfängt der Kanal 69 einen pneumatischen Impuls, so wird die bewegliche Membran 7^ nach oben gegen den Ventil— ■tellersitz 75 gedrückt. Auch wird über die bewegliche Membran 7b der Ventilkörper 72nach oben gedrückt, so dass der Ausgangskanal 51 Druckluft empfängt. Die bewegliche Membran 77 wird nach oben gedrückt, wodurch der Ventilkörper 78 vom Ventiltellersitz 79 gehoben und gegen den Ventiltellersitz 89 gedrückt wird. Die Steuerkammer 58 wird dann über den Kanal 53 entlüftet.

Verschwindet das pneumatische Signal im Kanal 65,

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so bleibt trotzdem der Kanal 69 über die Öffnungen 81 in der beweglichen Membran 76 und über den Gegenkopplungskanal 82 mit darin dem Widerstand 71 mit dem Druckluftspeisekanal 49 verbunden, weil der Ventilkörper 66 aufden Ventiltellersitz 67 gedrückt wird. Der Widerstandswert des fluidischen Widerstandes 7I ist wenig kritisch; er dient nur zur Vermeidung davon, dass bei Empfang eines pneumatischen Impulses im Kanal 69 die Drücke Über und unter der beweglichen Membran 7^ einander gleich werden.

Wird beim Fehlen eines pneumatischen Signals im Kanal 65 dem Eingangskanal k8 ein pneumatischer "WIEDERHER-STELLUNGS"-Impuls zugeführt, so wird dadurch der Ventilkörper 66 vom Ventiltellersitz 67 gedrückt, so dass der Kanal 69

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über don Kanal 65» die öffnungen 83 in der Membran 8k und den Kanal (>O entlüften kann. Danach stellt sich der ursprüngliche Zustand wieder her, der Ventilkörper 72 geht auf den Ventiltellersitz 73 zurück, der Kanal 7^ und somit der Ausgangskanal 51 werden über die Offnungen 81 im Kanal 52 entlüftet und die Steuerkammer 58 kommt wieder unter Druck zu stehen. Die in den Fig. 1 bis k dargestellten Logik-Ele-

»mente sind in stark vergrössertem Masstab dargestellt. Die Elemente haben in Wirklichkeit einen Querschnitt von 15 χ mm und sind insbesondere gemeint, um schnell nicht-integrierte Schaltungen zusammenstellen zu können. Bei Integration können die Elemente so klein gemacht werden, wie es im Hinblick auf praktische Nachteile erwünscht ist. Dabei kann es vorteilhaft sein, die beweglichen Teile auf eine andere Weise zu profilieren und ihnen beispielsweise die Form beweglicher Rollmembranen zu erteilen, die bekanntlich im Verhältnis zu ihrer Querabmessung einen verhältnismässig grossen Hub-™ raum aufweisen können, ohne dass sich der elastische Verformungsgrad der Membran wesentlich ändert.

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Claims

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■ : ■'/■ ... - 13 - : ^: : ; PATE NTAN SP RU C HE .

Fluid-Logik-Element mit beweglichen Teilen in Form einer oder mehrerer beweglichen Membranen, die je an sich einen Teil einer Dichtungsmembran zwischen festen Teilen des Logik-Elementes bilden und lose voneinander und von einem Ventilkörper sind, der mit mindestens einem Ventiltellersitz zusammenarbeitet und unter dem Einfluss der Bewegungen der genannten beweglichen Membranen gegenüber dem Ventiltellersitz verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Ventilkörper einen Teil einer Dichtungsmembran zwischen festen Teilen des Logik-Elementes bildet.
2, Fluid-Logik-Element nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der genannten beweg lichen Teile eine profilierte Form hat Tand einen ein Ganzes damit bildenden hinausragenden Teil zum Ausüben einer Druckkraft auf einen anderen beweglichen Teil hat.

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