DE2655035A1

DE2655035A1 - Steuerventil, insbesondere fuer stroemungsmittelbetaetigte schaltglieder

Info

Publication number: DE2655035A1
Application number: DE19762655035
Authority: DE
Inventors: Iraj David Shakib
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-12-24
Filing date: 1976-12-04
Publication date: 1977-07-07
Also published as: FR2336617B1; JPS5281714A; FR2336617A1; IT1070022B; ES454539A1; BR7608682A; BE848641A; CH614504A5; NL7614185A

Description

2655Ü3S

wi-rs

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, d.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: iSeuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: LE 975 003

Steuerventil, insbesondere für strömungsmittelbetätigte Schaltglieder

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil, insbesondere für strömungsmittelbetätigte Schaltglieder, mit einer an eine Druckimpulsquelle angeschlossenen Eingangsleitung und mindestens einer zu den Schaltgliedern führenden Ausgangsleitung, sowie mit Betätigungselementen, deren Wirkungsdauer unterschiedlich von der Dauer der zugeführten Druckimpulse sein kann.

Das erfindungsgemäße Steuerventil ist vorzugsweise für strömungsmittelbetätigte logische Schaltkreise geeignet, deren binäre Signale jeweils durch das Vorhandensein oder Fehlen von Druckimpulsen.repräsentiert werden. In derartigen Netzwerken mit beispielsweise pneumatischen Schaltgliedern kommt es darauf an, daß die in den einzelnen Leitungen jeweils übertragenen Druckimpulse rechtzeitig oder möglichst gleichzeitig bei allen Schaltgliedern eintreffen. Steuerventile sind daher auch notwendig für die Takthaltung. Außerdem muß ein Druckimpuls eine ausreichende Zeit auf der entsprechenden Druckhöhe gehalten werden, um eine sichere Übermittlung der Signale zu gewährleisten.

Häufig werden Drucksignale durch mechanisches Verstellen von Ventilen eingegeben bzw. ausgelöst. Derartige Steuerventile

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können somit auch zur Kodierung verwendet werden, wenn nämlich durch eine mechanische Einstellung oder Auslösung bestimmt wird, ob ein vorhandener Druckimpuls an ein anderes oder bestimmte andere Schaltglieder weitergegeben werden soll oder nicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerventil zu schaffen, das in der Lage ist, anliegende Druckimpulse auf eine mechanische Betätigung hin weiterzuleiten. Dabei soll die Wirkungsdauer der mechanischen Betätigung des Ventils auch unterschiedlich von der Dauer der zugeführten Druckiiupulse sein können, insbesondere kürzer einwirken können als es der Länge der Druckimpulse entspricht. Weiterhin soll das Steuerventil gegenüber möglichen Störimpulsen unempfindlich sein und eindeutige Ausgangssignale zu den nachgeschalteten Schaltgliedern gewährleisten. Diese Aufgabe ist durch die im Patentanspruch 1 angegebene Ventilgestaltung gelöst worden. Die nach der Erfindung gefundene Lösung zeichnet sich durch einen sehr einfachen Aufbau des Ventils mit nur einem bewegten Element aus.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen in einem Ausführungsbeispiel erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Ausschnitt aus einem logischen Netzwerk mit pneumatischen Schaltgliedern, mit einem Steuerventil im Schnitt;

Fig. 2 die auf den Ventilkörper des Steuerventils

nach Fig. 1 einwirkenden Kräfte in der unteren Endlage des Ventilkolbens;

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Fig. 3 die auf den Ventilkörper des Steuerventils

nach Fig. 1 einwirkenden Kräfte in der oberen Endlage des Ventilkolbens und

Fig. 4 eine graphische Darstellung des zeitlichen

Ablaufes eines Druckimpulses.

Gemäß Fig. 1 wird eine Membranpumpe 10 von einer Nockenscheibe 12 angetrieben. Entsprechend der kontinuierlichen oder intermittierenten Umlaufbewegung der Nockenscheibe 12 drückt ein Nockenfolgeglied 14 eine Membran 16 periodisch oder in willkürlichen Abständen in die Pumpenkammer 18 hinein. Ein Klappventil 20 verschließt unter der Wirkung des hierbei in der Pumpenkammer 18 erzeugten Druckes den Lufteinlaß 20 nach Art bekannter Blasebalgausführungen. Während die Nockenscheibe 12

über die Membran 16 das Volumen der Pumpenkammer 18 verringert, : gelangt die darin befindliche Druckluft durch eine Impulsleitung ! 24 und eine Eingangsleitung 28 des Ventilgehäuses 26 in die Ventilkammer 30.

Auf dem Boden der Ventilkammer 30 bildet eine ringförmige Rippe einen Eingangsventilsitz 32. In der Ventilkammer 30 befindet sich weiterhin ein mittels einer Kolbenstange 36 vertikal beweglich geführter Ventilkolben 34. Die Kolbenstange 36 erstreckt sich durch das obere Teil des Ventilgehäuses 26 nach außen. Die Ventilkammer 30 steht über eine Entlüftungsleitung 38 mit der Umgebung, vorzugsweise dem Atmosphärendruck, in Verbindung. Befindet sich der Ventilkörper 34 in seiner in Fig. 1 dargestellten unteren Lage, so läßt er der in der Ventilkammer 30 befindlichen Luft genügend Raum zum Entweichen durch die Entlüftungsleitung 38.

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An der Oberseite der Ventilkammer 30 befindet sich ein Auslaßventilsitz 40, der gleichfalls als ringförmige Rippe ausgebildet ist und sowohl die Kolbenstange 36 als auch die Entlüftungslei-I tung 38 umschließt. Die Entlüftungsleitung 38 ist somit ver-ί schlossen, wenn sich der Ventilkolben 34 in der in Fig. 1 ge-

strichelt dargestellten oberen Lage befindet. Eine dritte Ver- ! bindung zur Ventilkammer bildet eine Ausgangsleitung 42, die, 'wie die Eingangsleitung 28, gleichfalls im Boden des Ventilge-1 häuses 26 angeordnet, jedoch von der jeweiligen Lage des Ventil- ! kolbens 34 unabhängig, nämlich stets geöffnet ist. j

Es besteht somit Verbindung zwischen der Ausgangsleitung 42 und der Entlüftungsleitung 38, wenn der Ventilkolben 34 sich in seiner unteren, in Fig. 1 ausgezogen dargestellten Endlage befindet, während in der oberen, gestrichelt dargestellten Lage j des Ventilkolbens 34 die Eingangsleitung 28 mit der Ausgangsleitung 42 verbunden ist.

An die Ausgangsleitung 42 ist eine Ausgangssteuerleitung 44 angeschlossen, die sich in eine weitere Ausgangssteuerleitung 44* verzweigt und zu Schaltgliedern 46 und 48 führt. Im Schaltglied 46 befindet sich eine Membran 50, die sich bei Druckbeaufschlagung an eine gegenüber angeordnete Dichtleiste 52 anlegt. In entsprechender Weise weist das Schaltglied 48 eine Membran 62 auf, der eine Dichtleiste 63 zugeordnet ist. Zu den Schaltgliedern 46 und 48 führen von der Impulsleitung 24 abzweigende, über ein VerzÖgerungsventil 54 geleitete Impulsleitungen 24' bzw. 24'·, und an die Schaltglieder 46 und 48 sind ausgangsseitig Leitungen 56 bzw. 58 angeschlossen.

Wird den Schaltgliedern 46 und 48 über die Ausgangssteuerleitungen 44 und 44' ein Druckimpuls zugeführt, so werden die Membranen 50 und 62 entsprechend ausgelenkt und verhindern

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durch ihr Anliegen an den Dichtleisten 52 bzw. 63, daß ein über die Impulsleitungen 24· und 24'' zugeführter Druckimpuls zu den Leitungen 56 bzw. 58 übertragen wird. Je nach dem zugeführten Steuersignal geben somit die Schaltglieder 46 und die zugeführten Druckimpulse weiter oder nicht, auf welche Weise ein entsprechendes binäres Signal dargestellt wird. Zum Aufbau eines entsprechenden logischen Netzwerkes können in ähnlicher Weise noch weitere pneumatische Schaltglieder vorgesehen werden. Der Aufbau derartiger pneumatischer Schalt-.glieder, welche logische ODER-Funktionen oder ÜND-Punktionen '■ ausführen können, ergibt sich beispielsweise aus der US-Patentschrift 3 318 329. Hierbei kann die Ausgangsleitung eines Steuerventils mit einer ganzen Anzahl von pneumatischen Schaltgliedern verbunden sein. Es ist darauf hinzuweisen, daß das iVerzogerungsventil 54 hierbei dafür sorgt, daß am Eingang der pneumatischen Schaltglieder, im vorliegenden Beispiel der Schaltglieder 46 und 48, ein Druckimpuls erst dann erscheint, wenn diese durch ein binäres Steuersignal in den Ausgangssteuerleitungen 44 und 44' bereits in eine definierte Schaltstellung gebracht worden sind.

Befindet sich der Ventilkolben 34 in seiner in Fig. 1 dargestellten unteren Endlage, in welcher er durch Aufliegen auf dem Eingangsventilsitz 32 die Eingangsleitung 28 verschlossen hält, so sind die in Fig. 2 dargestellten Kräfte auf den Ventilkolben 34 wirksam. Alle auftretenden Kräfte liegen in der gleichen Wirkungslinie, nämlich einer durch den Schwerpunkt des Ventilkolbens 34 verlaufenden Vertikalen. Zum Verständnis dieser Kräfte ist noch einmal insoweit auf Fig. 1 hinzuweisen, als dort eine Rückstellfeder 64 dargestellt ist, welche den Ventilkolben 34 in seiner gezeigten unteren Lage hält, während die Verstellung in die obere Endlage des Ventilkolbens 34 gegen die Kraft der Rückstellfeder 34 durchgeführt

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wird. Dementsprechend wirken in der Darstellung nach Fig. 2 nach unten die Kraft der Rückstellfeder 64, in der Zeichnung mit Ff,- bezeichnet, sowie die durch die Masse des Ventilkörpers 34

ausgeübte Kraft W, während, wenn in der Eingangsleitung 28 ein Druck ρ anliegt, nach oben die Kraft pA,. auf den Ventilkolben 34 wirksam ist, solange er den Eingangsventilsitz 32 mit einer Fläche A₁ abdeckt.

Es ist zu bemerken, daß der Vektor für die Masse W nur dann in die dargestellte Richtung wirkt, wenn das Ventilgehäuse 26 in der dargestellten axialen Vertikalausrichtung angeordnet ist. Bei einer hiervon abweichenden Orientierung des Ventilgehäuses 26 ist der Vektor W durch die entsprechende, in der Wirkungslinie der anderen Kräfte verlaufende Komponente darzustellen. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß der Druck ρ nicht als absoluter Druck, sondern als überdruck gegenüber der umgebenden Atmosphäre gemessen ist.

Bei den in der Fig. 2 dargestellten Kraftverhältnissen ist wesentlich, daß die Summe der nach unten wirkenden Kräfte F_or.

und W größer ist als die nach oben wirkende Kraft pAj. Die resultierende Kraft ist somit nach unten wirksam, so daß die Eingangsleitung 28 durch den Ventilkolben 34 verschlossen bleibt, auch wenn in der Leitung 24 ein Druck oder Druckimpuls mit dem Druck ρ vorhanden ist. Die Ursache dafür, daß die Kraft pAj nicht ausreicht, den Ventilkolben 34 gegen die Wirkung der Summe der Kräfte F_gp und der Masse des Ventilkolbens 34 anzuheben, liegt in der relativ geringen Größe der Fläche A₁ des EingangsVentilsitzes 32. Die dargestellten Kräfte können somit keine Veränderung der Lage des Ventilkolbens 34 hervorrufen, und auf diese Weise wird verhindert, daß durch einen Störimpuls ein falsches Signal ausgelöst und zu den Schaltgliedern 46 und 48 geleitet wird. Zusammenfassend ist somit festzustellen, daß ein in der Eingangsleitung 28 auftretender Druckimpuls für sich

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allein das Ventil nicht zu öffnen vermag, sondern es eines zusätzlichen Auslösesignals bedarf.

Dieses Auslösesignal besteht in einer mechanischen Verstellung des Ventilkolbens 34 in seine obere Endlage unter Einwirkung einer von außen zugeführten mechanischen Betätigung. Diese wird auf die Kolbenstange 36 über die bereits vorher erwähnte Rückstellfeder 64 übertragen, nämlich mittels eines über ein Übertragungselement 66 von einem Steuerschieber 70 schwenkbaren Winkelhebels 68, indem bei einer Verstellung des Steuerschieber nach links der Winkelhebel 68 die Rückstellfeder 64 und mit ihr die Kolbenstange 36 und den Ventilkolben 34 anhebt. Die gemäß Fig. 3 in der oberen Endstellung des Ventilkolbens 34 (wie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt) wirkenden Kräfte sind die Kraft F_sp' und die Kraft W, welche durch die Masse des Ventilkolbens 34 ausgeübt wird, beide nach unten wirkend, während jetzt nach oben eine Kraft pA_g auf den Ventilkolben wirksam ist. Die Kraft pA„ ist in dem Maße größer als die Kraft pAj gemäß Fig. 2, wie die Fläche A_g des AuslaßVentilsitzes 40 größer ist als die Fläche A₁ des EingangsVentilsitzes. Jetzt ist Fgp¹ + W< pAg, die resultierende Kraft wirkt somit nach oben und hält den gegen den Auslaßventilsitz 40 gedrückten Ventilkolben 34 in seiner Lage fest, so daß die Entluftungsleitung 38 verschlossen ist. Gleichzeitig ist die Eingangsleitung 28 zur Ventilkammer 30 geöffnet, so daß die Impulsleitung 24 über die Ventilkammer 30 mit der Ausgangsleitung 42 verbunden ist und der zugeführte Druckimpuls den Ausgangssteuerleitungen 44 und 44' zugeführt wird. In dieser Weise bleibt das Steuerventil geöffnet, solange der durch die Eingangsleitung 28 zugeführte Druckimpuls ausreicht, eine auf den Ventilkolben 34 gegen den Auslaßventilsitz 40 wirkende Kraft zu liefern, die größer ist als die Gegenkräfte, zusammengesetzt aus der Kraft W und der Kraft F_sp· der Rückstellfeder

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64. Daraus ergibt sich, daß das Steuerventil auch dann in seiner geöffneten Stellung verbleibt, wenn der auf die Rückstellfeder 64 einwirkende Winkelhebel 68 zur Auslösung des Steuerventils nur kurzzeitig betätigt wird, der durch die Eingangsleitung zugeführte Druckimpuls aber eine ausreichende Kraft entfaltet.

In Fig. 4 zeigt die gestrichelte Linie 60 die Druckhöhe, die der Gleichgewichtssituation entspricht, nämlich, wenn die auf den Ventilkolben 34 einwirkenden Kräfte gerade im Gleichgewicht sind. Ist der Druck ρ oberhalb dieses Wertes, bleibt der Ventilkolben 34 in seiner oberen, den Auslaßventilsitz 40 verschließenden Stellung, in welcher das Steuerventil für die Übermittlung des Druckimpulses zu den Schaltgliedern 46 und 48 geöffnet ist. Sinkt jedoch der Druck ρ unter das Niveau für das Kräftegleichgewicht ab, so wird das Steuerventil durch Verschließen des Eingangsventilsitzes 32 geschlossen, und der in der Ausgangsleitung 42 und den Ausgangssteuerleitungen 44 und 44' noch vorhandene Druck entspannt sich über die Ventilkammer 30 und die Entlüftungsleitung 38, so daß die angeschlossenen Schaltglieder 46 und 48 ihre Ausgangslage einnehmen können.

In einem Druckimpulse als binäre Daten verarbeitenden System von pneumatischen Schaltgliedern dient beispielsweise die Signaleingabe über mechanische Elemente zum Erzeugen kodierter Daten. Wird der Steuerschieber 70 bewegt und über das übertragungselement 66 der Winkelhebel verstellt, so wird die als Blattfeder dargestellte Rückstellfeder 64 angehoben und mit ihr über die Kolbenstange 36 der Ventilkolben 34. Gleichzeitig mit der Verstellung der vorgenannten Elemente wird die die Hockenscheibe 12 tragende Welle an einen Motor angekuppelt, und die Nockenscheibe 12 drückt über das Nockenfolgeglied 14 die Membran 16 in die Pumpenkammer 18 der Membranpumpe 10, so daß durch den hierbei erzeugten Druck das Klappventil 20 und somit

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der Lufteinlaß 22 verschlossen werden. Der Druckimpuls wird über die Impulsleitung 24 und die angeschlossenen Zweigleitungen übertragen und kann bei angehobenem Ventilkolben 34 unmittelbar in die Ventilkammer 30 gelangen, und von hier durch die Ausgangsleitung 42 in die Ausgangssteuerleitungen 44 und 44'. Somit stehen in dem geschilderten Fall die Steuerleitungen der Schaltglieder 46 und 48, die einen Teil eines im übrigen nicht dargestellten logischen Netzwerkes aus pneumatischen Schaltgliedern darstellen, unter Druck.

Pflanzt sich der Druckimpuls aus der Ausgangsleitung 42 durch die Ausgangssteuerleitungen 44 und 44· fort, so werden die Membranen 50 und 62 gegen die zugeordneten Dichtleisten 52 bzw. 63 durchgebogen und verschließen den Durchgang durch die Schaltglieder 46 und 48. Wenn kurze Zeit später das Verzögerungsventil 54 öffnet, befindet sich in den Leitungen immer noch der von der Membranpumpe 10 erzeugte Druck, welcher nun über die Impulsleitungen 24' und 24'' zu den Schaltgliedern 46 und 48 übertragen wird. Da diese gemäß der vorherigen Beschreibung geschlossen sind, erscheint auf den Leitungen 56 und 58 kein Ausgangssignal.

Ist hingegen bei der Zufuhr eines Druckimpulses durch die Eingangsleitung 28 der Ventilkolben 34 unbetätigt, indem der Steuerschieber 70 nicht verstellt wurde, bildet sich gleichfalls in der Impulsleitung 24 unter der Wirkung der Membranpumpe 10 ein Druck und pflanzt sich nach dem öffnen des Verzögerungsventils 54 durch die Impulsleitungen 24' und 24¹' fort. Da die Schaltglieder 46 und 48 in Ermangelung eines über die Ausgangesteuerleitungen 44 und 44' zugeführten Steuerimpulses jetzt geöffnet sind, erscheinen auf den Leitungen 56 und 58 entsprechende Druckimpulse als Ausgangssignal für die nachfolgenden Schaltelemente des Systems.

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Es ist zu bemerken, daß die Membranpumpe 10 im Vergleich zur
Größe des in Fig. 1 dargestellten Steuerventils üblicherweise eine wesentlich größere Kapazität aufweist. Beispielsweise kann ein logisches Netzwerk von etwa zehn bis zwölf der dargestellten Ventile und mit mehr als 100 pneumatischen Schaltgliedern nur eine Membranpumpe und auch nur ein einziges Verzögerungsventil aufweisen, welche zentral der Zufuhr von zeitlich gesteuerten Druckimpulsen zu den einzelnen Ventilen und Schaltgliedern dienen,

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Steuerventil, insbesondere für strömungsmittelbetätigte Schaltglieder, mit einer an eine Druckimpulsquelle angeschlossenen Eingangsleitung und mit mindestens einer zu den Schaltgliedern führenden Ausgangsleitung, sowie mit Betätigungselementen, deren Wirkungsdauer unterschiedlich von der Dauer der zugeführten Druckimpulse sein kann,

dadurch gekennzeichnet,

daß in einer Ventilkammer (30), in welche die Eingangsleitung (28), die Ausgangsleitung (42) und eine Entlüftungsleitung (38) münden, ein mittels des Betätigungselements (70, 66, 68, 64) zwischen zwei Endlagen verstellbarer Ventilkolben (34) angeordnet ist und sich an der Einmündung der Eingangsleitung (28) in die Ventilkammer (30) ein von dem Ventilkolben (34) in dessen erster Endlage verschlossener Eingangsventilsitz (32) und an der Einmündung der Entlüftungsleitung (38) in die Ventilkammer (30) ein von dem Ventilkolben (34) in dessen zweiter Endlage verschlossener Auslaßventilsitz (40) befinden, wobei die Fläche (A₁) des EingangsVentilsitzes (32) kleiner ist als die Fläche (A_g) des Auslaßventilsitzes (40) .
2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolben (34) mittels einer Kolbenstange (36) im Ventilgehäuse (26) geführt ist.
3. Steuerventil nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolben (34) über seine Kolbenstange (36) mittels eines Steuerschiebers (70) über eine Rückstellfeder (64) gegen deren Kraft aus seiner ersten Endlage in seine zweite Endlage verstellbar ist.

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ORIGINAL INSPECTED