DE2235990A1

DE2235990A1 - Druckfluid-logik-element

Info

Publication number: DE2235990A1
Application number: DE19722235990
Authority: DE
Inventors: Larry Clyde Cowan
Original assignee: Leesona Corp
Current assignee: Leesona Corp
Priority date: 1971-07-26
Filing date: 1972-07-21
Publication date: 1973-02-08
Also published as: JPS4835273A; GB1392114A; FR2193941A1; CH553341A; IT963325B; FR2193941B1

Description

Patentanwalt Patentanwälte

Dr. phil. Gerhard Henkel Dr. rer. nat. Wolf-Dieter Henkel

D-757 Baden-Baden Balg Di pi.-I ng. Ralf M. Kern

nJSmSm DT. rer. nat. Lothar Feiler

Telegr.-Adr.:Elllpiold Baden-Bade« . D -8 München 90

Edunrd-Sdimld-Str. 2 Γ . ~l Tel.:(0811)663197

Leesona Corporation Teiegn-AdMEinptoidMandien

w-.-_J5298Q2Jmkld.

Warwick, R.I,, V;St.A.

Ur-_WZ.1*.n: 2 1. JUU 1972

Druckfluid-Logik-Element

Die Erfindung betrifft fluidbetätigte logische Elemente C^luidiks), insbesondere solche, die positiv verlaufende UND- oder negativ verlaufende ODER-Ausgangssignale zu liefern vermögen·

iTuidbetätigte logikvorrichtungen, die entweder als positiv wirkende UKD-uGratter oder als negativ wirkende ODER-G-atter zu arbeiten vermögen, sind bekannt. Diese Vorrichtungen c■ im allgemeinen insofern zur Klasse aktiver Elemente, als zu ihrer Betätigung eine vom Steuersignal getrennte bzw, äußere TJeistungsversorgung benötigt wird. Da diese aktiven Elemente -ei*- vergleichsweise große Volumina an Speisefluid benötigen und die Zufuhr des Had.pt- oder Leistungsstroms konstant gehalten werden muß, wird das Speisefluid zu einem bedeutsamen und aufwendigen !ak~ tor für den Betrieb derartiger Vorrichtungen, und zwar insbesondere bei Betrieb mit hohen Drücken·

TJm diesem Machteil zu begegnen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,logische fluidbetätigte Elemente der genannten Gattung zu schaffen, die im Betrieb wesentlich

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weniger Speisefluid benötigen und als passive Vorrichtungen im Betrieb normalerweise keine Leckverluste zur Atmosphäre aufweisen sollen.

Außerdem sollen die zu schaffenden Logik-Vorrichtungen mit hohen Schaltgeschwindigkeiten und hohen Drücken arbeiten können, um ei» posijve UND- oder β**· negative ODER-Signale liefern^önnen.

Schließlich soll diese Vorrichtung ein Ausgangssignal ausreichender Größe liefern können, um einen Arbeitsvorgang ohne weitere Zwischenelemente insbesondere weitere Verstärkerelemente durchführen zu können.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich noch deutlicher aus der folgenden Beschreibung.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung, kurz gesagt, eine das Fluid aufnehmende Kammer mit einer fluidunddurchlässigen Membran vorgesehen, welche die Kammer in zwei Abschnitte unterteilt. Dabei sind zwei Strömungspfade vorhanden, die Jeweils von einem ersten Auslaß in den ersten Abschnitt bzw. von einem zweiten Auslaß in den zweiten Abschnitt verlaufen. Weiterhin ist ein Anzapfkanal mit dem einen Kammerabschnitt verbunden, um das aus dem zweiten Strömungspfad in die Kammer eintretende Fluid aufzunehmen. An den zweiten Strömungspfad ist ein Auslaß angeschlossen. Wenn über den ersten Strömungspfad ein erstes Signal in den ersten Kammerabschnitt eingeleitet wird, wird die Membran in Berührung mit der Einlaßöffnung des zweiten Strömungspfads in den zweiten Kammerabschnitt ausgelenkt, so daß sie jeden möglichen Fluidumstrom vom zweiten Strömungs-

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pfad zum Anzapfkanal unterbricht. Infolgedessen wird der Fluidumstrom durch den zweiten Strömungspfad in Form eines Ausgangssignals über den Auslaß nach außen geliefert. Die Vorrichtung kann mithin dazu dienen, ein positives UlTD- oder ein negatives ODER-Ausgangssignal zu liefern. Diese Vorrichtung wirkt als passives Element und besitzt normalerweise keinen Leckverlust zur Atmosphäre bzw. Außenluft. Eine erfindungsgemässe Vorrichtung besitzt daher die Vorteile, daß sie unter hohen Fluiddrücken schnell und im Betrieb wirtschaftlich arbeitet und einfach aufgebaut ist, wobei die unmittelbare Verwendung der Ausgangs signale als Leistungs^eibersignale ohne teuere Zwischenelemente möglich ist·

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 einen Schnitt durch eine Vorrichtung mit Merkmalen der Erfindung,wobei insbesondere die Membran der Fluidsteuerkammer in ihrem entspannten, nicvht ausgelenkten Zustand gezeigt ist, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße fluidbetätigte Logikvorrichtung weist einen aus Schichten bzw. Lagen zusammengesetzten Block 1o auf, der etwa aus zwei zusammengepassten Lagen 12 und 14- bestehen kann, die durch mehrere Schrauben 16 miteinander verbunden sind. Die Schichten bestehen aus einem undurchlässigen , Werkstoff, wie Kunststoff oder Metall. Der Vorrichtungs-Block 1o weist Einlaßpfade Io und 2o auf, die zu gegenüberliegenden Seiten einer im wesentlichen kreisförmigen

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Kammer 22 führen· Die Kammer 22 ist durch eine flexible, fluidundurchlässige Membran 28 aus einem elastomeren Material, wie Gummi o. dgl·, die als Steuerglied innerhalb der Kammer 22 wirkt, in zwei einander gegenüberliegenden Abschnitte bzw. Unterkammern 24 und 26 unterteilt. Pie Außenenden der Membran 28 sind zwischen den Lagen 12 und 14 verspannt, wobei die Membran die Gresamtabmessungen der Kamin er 22 überspannt und die Unterkammern 24 und 26 unter Abdichtung voneinander trennt. Radial auswärts von der Kammer 22 ist ein Schlitz bzw. eine Nut ausgebildet, welcher bzw. welche die Kammer umschließt und einen Freiraum 3o festlegt, wobei der Bereich zwischen der Kammer 22 und dem Freiraum 3o durch Wände 32 und 34 in den Lagen 12 bzw. 14 gebildet ist. Die Wände 32 und 34 sind einander angepaßt und bilden einen Dichtring, welcher die Membran verklemmt und somit die Kammer 22 gegen einen möglichen Fluidumaustritt aus ihr in Richtung zwischen der Membran und den Lagen abgedichtet. Der Freiraum 3o dient weiterhin zur Entlastung bei einer etwaigen Ausdehnung der Membran 28 infolge ihrer Vorspannung zwischen den Lagen 12 und 14.

Aus Fig. 1 ist weiterhin ersichtlich, daß die Einlaßpfade 18 und 2o in die Abschnitte bzw. Unterkammern bzw. 26 der Kammer 22 münden und im wesentlichen koaxial zur Kammer verlaufen. Die von der Kammer 22 abgewandten Enden der Einlaßpfade 18 und 2o sind mit Nippeln 36 bzw. 38 versehen, wobei eine erste Fluid-Speiseleitung 4o mit dem ersten Nippel bzw. Anschluß 36 und eine zweite, getrennte Fluid-ßpeiseleitung 42 über ein T-Stück 44 und eine Speiseleitung 46 mit dem Nippel bzw. Anschluß 38 verbunden ist. Die Eintrittaitelle des Einlaß-

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pfades 2o in die Unterkammer 26 ist mit einer lippenartigen, erhabenen Kante bzw. einem Rand 5o versehen,. Die Membran 28 wird auf noch näher zu beschreibende Weise derart ausgelenkt, daß sie auf ein Signal hin die Mündung des Einlaßpfades 2o in die Kammer 22 blockiert. Der Rand 5o bildet dabei einen zweckmäßigen Anlagesitz für die Membran, wenn sie gegen ihn ausgelenkt wird.

Aus Pig. 1 ist weiter ersichtlich, daß von der Kammer ein Auslaßpfad 52 nach außen abgeht, der gegenüber der Kammerachse versetzt angeordnet ist. Auslaßseitig ist der Auslaßpfad in der Lage 14 mit einem Anschluß 54 versehen, an den eine Auslaßleitung 56 angeschlossen ist· Ersichtlicherweise ist zudem mit der der Stelle, an welcher die Speiseleitung 42 angeschlossen ist, gegenüberliegenden Seite des T-Stücks 44 eine Auslaßleitung 58 verbunden, die, wie noch näher erläutert werden wird, dazu dient, die als Punktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung, erzeugten Fluiddrucksignale abzuleiten.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der Torrichtung in Verbindung mit der schematischen Darstellung gemäß Fig. beschrieben. Der Arbeitsdruck für die erfindungsgemäße Vorrichtung kann entweder durch ein Gas oder ein anderes Fluid geliefert werden und liegt in Form von Speisedrücken PS₁ und PS₂an den Einlaßpfaden 18 bzw. 2o an. Wie erwähnt, vermag eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit hohen Drücken zu arbeiten, wobei die durch sie gelieferte logische Information unmittelbar durch eine Steuer- oder Regelanlage oder ein anderes Arbeitselement benutzt werden kann, ohne daß die Information durch Zwischenvorrichtungen, beispielsweise Verstärker umge-

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wandelt oder umgesetzt zu werden braucht. Infolgedessen können die erfindungsgemäß anwendbaren Drucke in der Größenordnung von etwa 5»62 - 7»o kg/cm und höher liegen; die praktische Grenze liegt bei der Fähigkeit der Membran 28, den Drücken zu widerstehen. Der untere Grenzwert der Drucksignale PS^ und PS₂ kann beliebig klein sein, solange das Drucksignal eine solche Kraft erzeugt, daß das Ausgangssignal Sq eine zur Aktivierung des Arbeitselements ausreichende Größe besitzt·

Wie erwähnt, vermag die erfindungsgemäße Vorrichtung als positives UND-Gatter zu arbeiten; dementsprechend sind die Fluid-Bpeiseleitungen 4o und 42 stromauf der Vorrichtung 1o durch nicht dargestellte Einrichtungen gegattert bzw. ventilgesteuert, wozu Einrichtungen verwendet werden, die auf ein Signal hin über die Speiseleitung 4o und den Einlaßpfad 18 einen ein Vorspannsignal PS^ darstellenden Druck anlegen, um die Membran in Anlageberührung mit dem Eand 5o auszulenken und dabei die Mündung des Einlaßpfades 2o in die Kammer zu verschließen. Anschließend wird die den das Signal FS₂ liefernden Druck regelnde Gattereinrichtung betätigt, so daß dieses Signal über die Speiseleitung 42 und auswärts über den Auslaß 58 gelangt und ein Drucksignal Bq liefert, welches im wesentlichen die gleiche Größe, d.h. den gleichen Druck besitzt wie das Eingangssignal

Im folgenden sei angenommen, daß die Drucksignale ^ und PS₂ praktisch im gleichen Augenblick angelegt werden oder daß das Drucksignal PS₂ vor dem Signal PS,, angelegt wird. Die Pluid-Speiseleitung 42 ist stromauf

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des T-Stücks 44 mit einer Drossel 6o versehen, die als Vorspannwiderstand im Schaltkreis wirkt. Wenn daher das Drucksignal PS₂ angelegt wird, während die Membran 28 vom Rand 5o abgehoben ist, fällt der das Signal PS₂ darstellende Druck auf einen wesentlich niedrigeren Wert ab, d. h. er nähert sich stromab der Drossel 6o dem Wert Hull. Dies ist deshalb der Fall, weil das Drucksignal PS₂ bei entspannter, vom Rand 5o abgehobener Membran 28 ungehindert über den Auslaßpfad 52 entlüftet wird· Bei derart angelegtem Drucksignal PS₂ sei nunmehr angenommen, daß das Drucksignal PS^ über den Einlaßpfad 18 in die Unterkammer 24 gelangt. Da dieses Drucksignal PS^ über die gesamte Oberseite der Membran 28 anliegt, übt es eine Verstärkungswirkung auf die Membran aus, welche die Minuskel- oder Differenzgröße in der Unterkammer 26 ohne weiteres überwindet und bestrebt ist, der durch das Drucksignal PS^ auf die Membran ausgeübten Vorspannkraft entgegenzuwirken. Infolgedessen wird die Membran 28 augenblicklich in Abdichtberührung mit dem Rand 5o gebracht, wodurch der Eingang des Einlaßpfads 2o in die Unterkammer 26 der Kammer 22 blockiert wird. Das Signal PS₂ wird mithin nicht mehr ungehindert aus der Kammer 22 entlüftet, so daß der Druck an der die Auslaßleitung 58 einschließenden Seite des Schaltkreises augenblicklich auf den Wert des Eingangsdrucks PS₂ stromauf des Widerstands bzw. der Drossel 6o ansteigt und ein Ausgangssignal S_Q derselben Größe, d.h. desselben Drucks wie das Drucksignal. PS₂ erzeugt wird. Aus diesem Grund steht das Ausgangsdrucksignal Sq, welches die gleiche Größe besitzt wie das Hochdrucksignal PS₂, für die Betätigung eines der Auslaßleitung 58 nachgeschalteten Arbeitselements, einer Treiberstufe o. dgl. zur Verfügung, ohne daß Zwischenelemente zur Umsetzung des Ausgangssignals

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orforderlich wären. Die Vorrichtung bleibt bis zur Aufhebung des Drucksignals PS₁ in dem eben beschriebenen

logischen Zustand, in welchem das Drucksignal S_Q als unmittelbare Funktion des Eingangsdrucks des Signals angelegt wird. Zu diesem Zeitpunkt bildet dann das Drucksignal PS₂ eine Vorlast, welche die Membran 28 in Gegenrichtung gegen den Einlaß 18 in die Kammer 22 schnellen läßt, worauf die Membran 28, wenn das Drucksignal PS₂ über den Auslaß 52 aus der Unterkammer 26 abgelassen wird, in die Fig. 1 durch die Schraffierung angedeutete entspannte Stellung zurückkehrt. In diesem entspannten Zustand der Membran wird das Drucksignal PS₂ wiederum ungehindert über den Auslaßpfad 52 entlüftet, wobei der Druck in dem durch die Speiseleitungen 42 und 46, die Auslaßleitung 58 und die Unterkammer 26 gebildeten Schaltkreis effektiv auf Null abfällt.

Wie erwähnt, vermag die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als negativ wirkendes ODER-Gatter zu arbeiten, was durch Umkehrung der vorstehend beschriebenen Signale erreicht wird. Hierbei wird ein Überatmosphärendruck über die Speiseleitungen 4o und 42 an die Einläße 18 bzw. 2o angelegt, so daß in der Unterkammer 24 ßin ähnlicher Druckzustand herrscht. Da das Druckfluid im Einlaßpfad 18 als Vorspannpotential wirkt, welches die Membran in die den Einlauf des Einlaßpfads 2o in die Unterkammer 26 blockierende Stellung drückt, herrscht in dieser Unterkammer praktisch Atmosphärendruck. In diesem Zustand der Vorrichtung steigt der Druck über die Auslaßleitung 58 praktisch auf den über die Speiseleitung 42 gelieferten Druck an. Jedesmal dann, wenn die Druckfluidzufuhr zu einem der Einlaß-

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pfade 18 oder 2o unterbrochen wird, fällt nunmehr der Ausgangsdruck über die Leitung J?8 praktisch auf Atmospprendruck ab, wodurch das vorher beschriebene Signal umgekehrtyiSä bei S_Q ein negativ verlaufendes Signal ansteht.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß mit der Erfindung eine neuartige und vorteilhafte Vorrichtung geschaffen wurde, die ein positives UND-Signal oder ein negatives logisches ODER-Ausgangssignal zu liefern vermag, welches ohne getrennte Leistungszufuhr eine logische !Funktion erfüllt. Die Erfindung schaltet die .Notwendigkeit für Zwischenelemente zwischen der logischen Vorrichtung und einem nachgeschalteten Arbeitsbzw · Stellglied aus, wobei das Ausgangssignal als Leistungstreiber- oder -Steuersignal dienen kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt normalerweise keinen Leckverlust zur Atmosphäre bzw. Außenluft und kann so ausgelegt sein, daß eine etwaige momentane Leckage durch Auslenkung der Membran 28 unterbrochen wird. Das Ausgangssignal Sq ist infolge der schnellen Auslenkwir- . kung der Membran klar und scharf.

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Claims

-1ο- Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines steuerbaren Fluiddruck-Ausgangssignals, gekennzeichnet durch eine Druckkammer (22), eine fluidundurchlässige Membran (28), welche die Kammer in zwei Abschnitte (24, 26) unterteilt, eine Einrichtung, die einen ersten Pluidströmungspfad (18) von einem ersten Einlaß zum ersten Kammer-Abschnitt (24-) festlegt, eine Einrichtung, die einen zweiten Fluidumströmungspfad (2o).vom einem zweiten Einlaß zum zweiten Kammer-Abschnitt (26) festlegt, einen mit dem zweiten Abschnitt (26) verbundenen Anzapfkanal (52) zur Aufnahme des Fluids vom zweiten Strömungspfad (2o) und einen mit dem zweiten Strömungspfad verbundenen Auslaß (58), welcher das Fluid vom zweiten Strömungspfad abführt, wenn die Verbindung von letzterem zum Anzapfkanal blockiert ist·

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (28) flexibel ist und in Abhängigkeit von einer Fluidströmung im ersten Strömungspfad (18) den Fluidstrom vom zweiten Etrömungspfad (2o) zum Anzapfkanal (52) zu unterbrechen vermag·

3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einlasse koaxial zur Kammer (22) angeordnet sind und daß der Anzapfkanal (52) gegenüber der Kammerachse versetzt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle, an welcher der Äweite Strömungspfad (2o) in die Kammer (22) eintritt, mit einem erhabenen bzw· erhöhten Rand (5o) versehen ist^eine Anlagefläche bzw.

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einen Sitz für die Membran (28) bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (5o) eine Anlagefläche aufweist, die wesentlich kleiner ist als die Membranfläche innerhalb der Kammer (22).

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (28) aus elastomerem Material besteht und in einer Ebene parallel zur Auflagefläche des Randes angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strömungspfad stromauf des zweiten Kammer-Abschnitts (26) eine Drossel (6o) aufweist, die

- eine Druckänderung des vom Einlaß zum ersten Abschnitt strömenden Fluids bewirkt.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da-

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durch gekennzeichnet, daß/in den beiden Strömungspfaden strömende Fluid getrennte Speise- bzw. Eingangssignale und das am Auslaß (58) austretende Fluid ein Ausgangssignal praktisch derselben Größe wie das Eingangssignal stromab der Drossel (6o) darstellt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale See Drucksignale sind und daß das Ausgangssignal im wesentlichen denselben Druck besitzt wie das stromab der Drossel (6o) zugeführtβ Eingangssignal.

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