DE3341552A1

DE3341552A1 - Pneumatischer reed-schalter

Info

Publication number: DE3341552A1
Application number: DE19833341552
Authority: DE
Inventors: Paul Marvin 45042 Middletown Ohio Clark; Danny Lee 45246 Springdale Ohio Fenwick; Jon Dale 06085 Unionville Conn. Hopkins
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-11-22
Filing date: 1983-11-17
Publication date: 1984-05-24
Also published as: IT8323791A0; US4468532A; GB2131614B; FR2536578B1; FR2536578A1; IT1168297B; JPS59108213A; GB2131614A; GB8329058D0

Description

Beschreibung

Pneumatischer Reed-Schalter

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Schalter und insbesondere auf solche Schalter, die einen Reed-Leiter verwenden, um einen Stromkreis zwischen Schaltkontakten zu schließen.

Häufig muß eine elektrische Umschaltung in einer entfernten, eine hohe Temperatur aufweisenden Umgebung ausgeführt werden, in der hohe Zentrifugalkräfte bestehen. Beispielsweise können in einer Gasturbine die Temperaturen 540 C (1000 C) überschreiten, und umlaufende Bauteile können Zentrifugalkräften in der Größenordnung von 1.0 QOQ g ausgesetzt sein. In einer derartigen Umgebung können/fernschaltbare Einrichtungen, beispielsweise Transistoren und Relais, nicht zufriedenstellend arbeiten. Weiterhin erfordern räumliche Einschränkungen in derartigen Turbinen, daß darin enthaltende Schalter eine minimale Größe haben.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen und verbesserten Schalter zu schaffen, der fernbetätigbar ist und hohe Temperaturen aushält. Weiterhin soll ein derartiger Schalter bei hohen Zentrifugalkräften arbeiten können.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält ein derartiger Schalter mehrere Anschlüsse, die nahe einem bewegbaren Leiter gehalten sind. Ein Fluiddruck, der selektiv auf den Leiter durch einen Kanal hindurch ausgeübt wird, drückt den bewegbaren Leiter in einen Kontakt mit den Anschlüssen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine Schnittansicht von einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 2 ist eine Sprengbildansicht von einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 3 stellt eine Drehbewegung dar, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ausführen kann.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Gehäuse 3 eine V-förmige Kammer 6 enthält. Eine erste Kammerwand 9 bildet einen Schenkel des "V", während eine zweite Kammerwand 12 den zweiten Schenkel des "V" bildet. Ein erster elektrischer Leiter 15 erstreckt sich entlang der ersten Wand 9 und ist an dieser befestigt. Dieser Leiter ist vorzugsweise eine dünne, langgestreckte Metallfolie, wie beispielsweise rostfreier Stahl oder eine Legierung, die Nickel und Chrom enthält. Die Folie ist etwa 0,075 mm (0,003 Zoll) dick. Die Folie kann mit einem Material, das einen kleinen spezifischen Widerstand aufweist, wie beispielsweise Gold, plattiert sein. Ein zweiter elektrischer Leiter 18 ist an der Spitze des "V" befestigt, nämlich isa. Bereich 21. Beide Leiter 15 und 18 erstrecken sich von der Spitze des "V" durch das Gehäuse, d. h. durch den Bereich 24, in dem sie durch einen elektrischen Isotor 27 voneinander getrennt sind, der sandwichartig dazwischen angeordnet ist. Der Isolator 27 kann aus einem geeigneten hochwarmfesten Material hergestellt sein, wie beispielsweise einem Glas, einer Keramik oder Asbest.

Der zweite Leiter 18 erstreckt sich in die Kammer 6 und verläuft entlang oder nahe der zweiten Kammerwand 12. Der zweite Leiter 18 ist vorzugsweise langgestreckt, d. h. er erstreckt sich von dem Spitzenbereich 21 weg und im wesentlichen entlang der Länge 30 der Kammer 6. Der zweite Leiter 18 ist weiterhin zungenförmig, d. h. er ist langgestreckt, breit, dünn (etwa 0,075 mm (0,003 Zoll) dick) und flexibel. Das Gehäuse 3 enthält einen Lufteinlaßkanal 33, der mit der Kammer 6 durch die zweite Kammerwand 12 in Verbindung steht. Das Gehäuse 3 ent-

-•er-

Io

hält ferner einen Luftausgangskanal 36, der mit der Kammer in Verbindung steht, indem er die erste Kammerwand 9 und auch den ersten Leiter 15 durchdringt. Die breite Seite, nämlich die zum ersten Leiter 15 gerichtete Seite des zweiten Leiters 18, hat vorzugsweise eine Form, die mit der zweiten Wand 12 identisch ist, abgesehen von der geringfügig kleineren Größe, so daß ein Spielraum von beispielsweise 0,025 mm (0,001 Zoll) zwischen dem Leiter selbst und dem Gehäuse 3 entlang Kanten 37, 39 und 42 besteht. Die Kanten 37, 39 und 42 sind deutlicher in Figur 3 gezeigt, und der Spielraum ist durch die Räume 37A, 39A und 42A angegeben.

Da der Leiter 18 flexibel ist, kann er in Richtung der Pfeile 48 und 51 bewegt werden, aber seine natürliche Tendenz ist, nicht mit dem ersten Leiter 15 in Kontakt zu sein, und zwar entweder durch die natürliche Elastizität des zweiten Leiters 18 oder durch die auf ihn ausgeübte Zentrifugallast, wie es im folgenden näher erläutert wird.

Die Arbeitsweise des Schalters gemäß Figur 2 ohne Zentrifugalkraft ist wie folgt. Der zweite Leiter 18 dient dazu, die Kammer 6 in zwei Unterkammern 6A und 6B zu unterteilen. Ein unter Druck stehendes Strömungsmittel, wie beispielsweise Luft, wird auf den Lufteinlaßkanal 33 gegeben, wodurch die Unterkammer 6B ausgedehnt und eine Kraft auf den zweiten Leiter 18 in Richtung des Pfeils 48 ausgeübt wird, wodurch der zweite Leiter in Kontakt mit dem ersten Leiter 15 bewegt wird. Bei dieser Bewegung verkleinert der zweite Leiter 18 die Größe der Unterkammer 6A, und die Luft, die durch diese Verkleinerung verschoben wird, tritt durch den Auslaßkanal 36 aus. Wenn der Luftdruck vom Einlaßkanal 33 weggenommen wird, bewirkt die Elastizität des zweiten Leiters 18 (und wiederum möglicherweise eine Zentrifugalkraft), daß der zweite Leiter 18 sich in Richtung des Pfeils 51 bewegt, wodurch in der Unterkammer 6B befindliche Luft durch den Einlaßkanal 33 verschoben wird. Selbstverständlich kann die letzte Bewegung durch die Beaufschlagung des Auslaßkanals 36 mit Luftdruck unterstützt werden.

BAD ORIGINAL

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in dem Sprengbild gemäß Figur 2 gezeigt. Dort ist eine rechtwinklige erste Grundplatte 65, die vorzugsweise eine massive, hitzebeständige Keramik ist, wie beispielsweise Saphier oder Aluminiumoxid^gesprüht auf ein Substrat aus rostfreiem Stahl, von zwei stabähnlichen elektrischen Anschlüssen oder Kontakten 68A-B durchdrungen und haltert diese. Ein Auslaßkanal 70 führt durch die erste Grundplatte 65 hindurch. Von der Grundplatte 65 wird eine dünne erste rechtwinklige Schicht oder Lamelle 71 gehaltert, in deren Mitte ein rechtwinkliges Loch 72 ausgeschnitten ist. Das rechtwinklige Loch 72 muß breit genug sein, damit die Anschlüsse 68A-B hindurchführen können, so daß die erste rechtwinklige Schicht mit der ersten Grundplatte 65 in Berührung sein kann.

Neben der ersten rechtwinkligen Schicht 71 ist eine dünne zweite rechtwinklige Schicht 73 angeordnet. Die zweite rechtwinklige Schicht 73 enthält einen Reed- oder Kontaktteil 74, der mit der zweiten Schicht 73 einstückig ausgebildet sein kann, indem parallel Schlitze 75 und 77 durch die zweite Schicht 73 geschnitten und diese mit einem Schlitz 79 verbunden werden, um ein dünnes langgestrecktes Kontaktteil 74 zu bilden, das in dem Bereich 80 gehaltert wird. Da die zweite Schicht 73 vorzugsweise aus einem dünnen Material aufgebaut ist, kann das Kontaktstück 74 in Richtung der Pfeile 83 und 86 bewegt werden, d. h. das Kontaktstück 74 ist flexibel und kann um den Bereich der Halterung 80 in Richtung der Pfeile 83 und 86 schwenken. Es sei darauf hingewiesen, daß die Strecke 68C, nämlich der Abstand, den sich die Anschlüsse 68A-B über die Oberfläche der rechtwinkligen Grundplatte 65 hinaus erstrecken, kleiner sein muß als die Dicke der ersten rechtwinkligen Schicht 71. Anderenfalls ist das Kontaktstück 74 zu allen Zeiten mit den Anschlüssen 64A-B in Kontakt, wodurch zu allen Zeiten der damit in Verbindung stehende Stromkreis geschlossen ist. Es wird jedoch angestrebt, daß es in einigen Fällen wünschenswert sein kann, einen Schalter zu konstruieren, in dem das Kontaktstück 74 normalerweise mit den Anschlüssen 68A-B in Kontakt ist. In einem derartigen Fall wird das Kontaktstück von den Anschlüssen 68A-B getrennt, indem der Ausgangskanal 70 mit Druckluft

JJ^ I DDZ

beaufschlagt wird.

Eine dritte rechtwinklige Schicht 80, die nach Größe und Form vorzugsweise gleich ist wie die erste Schicht 71, ist oben auf der zweiten Schicht 73 angeordnet. Eine zweite rechtwinklige Grundplatte 81, die einen Einlaßkanal 84 aufweist, keine den Anschlüssen 68A-B analoge Strukturen aufweist, aber ansonsten der rechtwinkligen Grundplatte 65 entspricht, wird oben auf der dritten rechtwinkligen Schicht 80 angeordnet. Die gesamte beschriebene Struktur bildet einen fünfschichtigen Stapel, der durch geeignete Mittel zusainmengekleinmt werden kann, beispielsweise durch/die Löcher 88 hindurchführende Bolzen (nicht gezeigt) oder durch Diffusionsverbindung oder Schweißen.

In einem praktischen Fall gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel haben alle beschriebenen rechtwinkligen Bauteile eine Länge von 19,5 mm (0,75 Zoll) und eine Breite von 9,53 mm (0,375 Zoll), wobei diese Abmessungen den Längen 92 bzw. 93 entsprechen. Die zwei rechtwinkligen Grundplatten 65 und 81 sind vorzugsweise 3,18 mm (0,125 Zoll) dick, welches die Länge 84 ist. Die drei winkligen Schichten 71, 73, 80 haben neben den vorstehend beschriebenen Längen und Breiten vorzugsweise eine Dicke von 0,1 mm (0,004 Zoll) und sind aus rostfreiem Stahl hergestellt. Das Reed- oder Kontaktstück 74 ist vorzugsweise 12,7 mm (0,5 Zoll) lang (Abmessung 95) und 3,18 mm (0,125 Zoll) breit (Abmessung 96). Die Zunge 74 ist in dem Bereich nahe den Anschlüssen 68A-B für eine Leitfähigkeit vorzugsweise mit Gold plattiert.

Die Arbeitsweise des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. ist wie folgt. Wenn der Einlaßkanal 84 mit Druckluft beaufschlagt wird, überträgt der Druck eine Kraft auf die Zunge 74, wodurch diese in Richtung des Pfeiles 86 gedrückt wird, und die Kraft drückt die Zunge 74 in einen Kontakt mit den Anschlüssen 68A-B. Wenn zwischen der Zunge 74 und den Anschlüssen 68A-B ein Kontakt hergestellt ist, ist der Stromkreis

BAD ORIGINAL

zwischen diesen Anschlüssen geschlossen. Während dieser Bewegung der Zunge 74 wird der Raum, der in dem Rechteck 72 in der ersten rechtwinkligen Schicht 71 enthalten ist, im Volumen vermindert, und die darin befindliche Luft wird durch den Auslaßkanal 70 ausgestoßen. Wenn die Druckluft von dem Einlaßkanl 84 weggenommen wird, kehrt die Zunge 74 in ihre Ursprungsposition zurück aufgrund ihrer natürlichen Elastizität, wodurch Luft aus dem Raum verschoben wird, der in dem Rechteck 98 in der dritten rechtwinkligen Schicht 80 enthalten ist. Diese Luft strömt durch den Einlaßkanal 84 heraus. Selbstverständlich kann die Rückkehr der Zunge 84 in ihre Ursprungsposition durch Beaufschlagung von Druckluft auf den Ausgangskanal 70 unterstützt werden.

Gemäß einem dritten Ausführungsbeispxel sind die ersten und dritten rechtwinkligen Schichten aus einem Isoliermaterial, wie Asbest, hergestellt, und es ist nur einer der Anschlüsse 68A-B vorhanden. In diesem Fall dient die Zunge 74 selbst als der andere Anschluß.

Es wird nun die Verwendung von einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele in einem Gebiet mit großer Zentrifugalkraft beschrieben, wie beispielsweise in einem Gasturbinentriebwerk. Figur 3 zeigt eine Achse 104, um die das Gehäuse 3 gemäß Figur 1 in Richtung des Pfeils 105 gedreht wird. Die aufeinanderfolgenden Positionen des Gehäuses 3 sind durch punktierte Linien 106A-C dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß die ebenen, breiten Oberflächen der Zunge 18 parallel sind und sich in einer radialen Ebene, nämlich in der Ebene gemäß Figur 3, drehen. Die Zunge 80 bewegt sich in einer Bahn, die durch die gekrümmten Pfeile 48 und 51 in Figur 2 angegeben ist und die tatsächlich bogenförmig ist, da die Zunge 18 um die Spitze bzw. den Scheitelpunkt im Bereich 21 in Figur 1 schwenkt. Jedoch wird die Bewegungskomponente der Zunge 18 in der radialen Richtung (d. h. in einer Richtung entgegengesetzt zur Zentrifugalkraft) als klein angesehen, da die Auslenkung der Zunge 18 aus ihrer Ursprungsstellung klein ist. Somit wird die Bewegung der Zunge 18 als im wesent-

'J J 4 i S Ό Ζ

lichen parallel zur Drehachse, d. h. senkrecht zur Ebene gemäß Figur 3, angesehen.

Während dieser Drehung erfährt der Schalter eine radial gerichtete Kraft, die im allgemeinen Zentrifugalkraft genannt wird, in Richtung der Pfeile 108. Bei hohen Drehzahlen kann die Zentrifugalkraft extrem groß werden. Beispielsweise erfährt ein Gegenstand bei 10 000 U/min in einem Abstand von 15 cm (6 Zoll bzw. 0,5 Fuß) von der Drehachse einer Zentrifugalbe-

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schleunigung von 1,75 χ 10 m/sek. , was etwa gleich 17 000 g ist. Die Verwendung eines Schalters unter diesen Umständen, bei denen ein Bauteil in einer Richtung entgegengesetzt zur Zentrifugalkraft bewegt wird, erfordert eine ähnlich enorme Kraft, um das Bauteil entgegen der hemmenden Zentrifugalkraft zu bewegen.

Bei den Schaltern gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung unterstützt und hemmt nicht die Zentrifugalkraft den ümschaltvorgang. Die Schaltzungen 18 und 74 gemäß den Figuren 1 und 2 sind als 0,075 bzw. 0,1 mm (0,003 bzw. 0,004 Zoll) dick beschrieben. Dies bedeutet, daß die Zungen 18 und 24 aus einer dünnen metallischen Folie aufgebaut

sie

sind. Aus diesem Grunde müssen/als einer stärkeren Beanspruchung nicht gewachsen bestrachtet werden. In einem Feld mit großen radialen Zentrifugalskraften jedoch wird die ansonsten flatterige Folie, die sich in radialer Richtung erstreckt, stabil aufgrund der zentrifugalen Versteifung. Anders betrachtet, eine relativ große Festigkeit und Elastizität wird einem leichten und relativ weichen Material während der Rotation gegeben. Demzufolge wird das Bestreben der Schaltzunge 18, in ihre Ursprungsposition zurückzukehren, wenn kein Luftdruck aus dem Einlaßkanal 33 vorhanden ist, vergrößert, obwohl der Zunge keine Federn oder Masse hinzufügt werden, die anderen-

r falls in einem statischen, nicht umlaufenden Fall erforderlich sein würden. Die Arbeitsweise des zweiten Ausführungsbeispieles während der Rotation ist ähnlich wie die zuvor für das erste Ausführungsbeispiel beschriebene.

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- χ -ΛΑ

In einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Kanäle 115 und 118 (in gestrichelten Linie gezeigt) in rechtwinkligen Gundplatten 65 und 81 in Figur 2 enthalten, so daß Luftdruck den Kanälen 70 bzw. 84 von den Stirnflächen 119A und 119B zugeführt werden kann.

Es wurde gefunden, daß die Schaltzunge 18 oder 74 gelegentlich während der Verwendung flattert oder schwingt. Es wird theoretisiert, daß die Schwingung durch die Sperrung des Luftauslaßkanals 36 oder 70 durch die entsprechende Zunge 18 oder hervorgerufen wird. Eine derartige Sperrung vermindert die Luftströmung durch den Auslaßkanal und es wird angenommen, daß sie die auf die Zunge ausgeübte Kraft vermindert, wodurch die Zunge in ihre Ursprungsstellung zurückkehren kann. Ein Verfahren zur Vermeidung dieses Problems besteht darin, in der Zunge 74 ein Loch, wie beispielweise ein Loch 120_; vorzusehen. Das Loch 120 gestattet eine Kontinuität einer gewissen Luftströmung durch den Auslaßkanal 84. Ein ähnliches Loch 120A kann in dem zweiten Loch 18 in Figur 1 enthalten sein.

In diesem Zusammenhang wird Bezug genommen auf einen pneumatischen Kugelkontaktschalter, der in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung P (US-Se-

rial-Nr. 443 826, Anwaltszeichen: 9903-13DV-O7845) näher erläutert ist. Der bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendete Fluiddruck kann durch einen pneumatischen Signalmultiplexer geliefert werden, wie er in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung P

(US-Serial-Nr 443 825, Anwaltszeichen: 9195-13DV-O7842) erläutert ist.

Der Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung sorgt für eine elektrische Fernschaltfunktion, die hohe Temperaturen aushält und in einem Feld mit hohen Zentrifugalkräften arbeiten kann. Weiterhin wird die Zentrifugalkraft ausgenutzt, um eine Elastizitätscharakteristik zu erhalten, die die Tendenz hat, das Schaltglied in eine vorbestimmte Position zu schieben,

und diese Charakteristik ist viel größer, als sie im statischen Fall für die Größe und das Gewicht der verwendeten Ma terialien erhalten werden kann.

BAD ORlGlMAL

Claims

Ansprüche

gekennzeichnet durch:

(a) einen Leiter (18) mit einem Abschnitt, der an einem Gehäuse (3) befestigt und in einem Hohlraum (6) in dem Gehäuse enthalten ist, und mit einem Abschnitt, der in bezug auf den befestigten Abschnitt bogenförmig bewegbar ist, wobei zwischen dem bewegbaren Abschnitt und dein Gehäuse ein Spielraum vorhanden ist,

(b) wenigstens einen Anschluß (15) , der an dem Gehäuse befestigt ist, und

(c) einen Kanal (33, 36) neben dem Leiter (18) zum Beaufschlagen eines Fluiddrucks, um den bewegbaren Abschnitt mit wenigstens einem der Anschlüsse in Kontakt zu bringen.
2. Schalter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der bewegbare Leiter ein im wesentlichen elastisches, ebenes, langge-

ό 6 4 I b Ό Ζ

strecktes Teil aufweist, von dem ein Ende in seiner Stellung fixiert ist in bezug auf einen der Anschlüsse.
3. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) eine leitfähige Zunge (18, 74) die Kammer (6) in mehrere expandierbare Abteile unterteilt,

(b) zwei elektrische Anschlüsse in einem der Abteile enthalten sind, und

(c) ein Kanal mit einem der Abteile in Verbindung steht zum Einführen von Fluid in dieses AbteJl, um die Größe des Abteils zu verändern, damit die Zunge in Kontakt mit beiden Anschlüssen gedrückt wird.
4. Elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (18, 74) einen Leiter trägt und die den Leiter tragende Zunge in Kontakt mit zwei Anschlüssen bewegbar ist.
5. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (18, 74) ein schwingungsdämpfendes Loch (120) aufweist.
6. Elektrischer Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß zwei ebene, langgestreckte Leiter vorgesehen sind, von denen einer bewegbar und elastisch ist und beide in der Kammer enthalten sind, am Gehäuse befestigt sind, gegenseitig isoliert sind nahe dem Befestigungspunkt und in Richtung einer Kontakttrennung gegeneinander vorgespannt sind, und daß ein Kanal in dem Gehäuse vorgesehen ist zur Beaufschlagung des elastischen Leiters mit Fluiddruck, um die zwei Leiter miteinander in Kontakt zu bringen.
7. Schalter nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß ein

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Abschnitt des nicht-elastischen Leiters an der Gehäusewand unbewegbar angebracht ist.
8. Schalter nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß in dem bewegbaren Leiter ein schwingungsdämpfendes Loch vorgesehen ist.
9. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus geschichteten Lamellen besteht, in dem benachbarte Löcher den Kanal bilden.
10. Schalter nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen bzw. Schichten durch Diffusionsbindung miteinander verbunden sind.
11. Verfahren zum elektrischen Schalten,

dadurch gekennzeichnet, daß eine leitfähige Zunge um eine Achse gedreht wird und die Zunge im wesentlichen parallel zur Achse und in Kontakt mit mehreren Anschlüssen ausgelenkt wird, die nahe der Zunge angeordnet sind, um einen Stromkreis mit wenigstens einem der Anschlüsse zu schließen.
12. Verfahren nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl größer als 10 000 U/min gemacht wird, die Zunge aus Metall hergestellt und mit einer Dicke von weniger als 0,13 mm (0,005 Zoll) versehen wird und daß die Auslenkung dadurch herbeigeführt wird, daß die Zunge mit einem Fluiddruck beaufschlagt wird.