Fluidik-Bauteil
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Fluidik-Bauteil, bestehend aus mindestens einer Trägerplatte und mindestens einer dicht darauf aufgesetzten Deckplatte, und mindestens ein logisches Fluidik Element mit Schaltzone sowie Anschluss- und Verbindungskanäle enthaltend.
Fluidik-Bauteile sind auch unter dem Begriff Strömungsverstärker bekannt. Es handelt sich dabei um Einrichtungen, mit denen sich sogenannte logische Schaltungen pneumatisch-hydraulisch verwirklichen lassen.
Fluidik-Bauteile enthalten eines oder mehrere logische Fluidik-Elemente. Sind mehrere logische Fluidik Elemente mit Schaltzone in einem Fluidik-Bauteil enthalten, so spricht man von integrierten Fluidik-Schaltungen. Die logischen Fluidik-Elemente mit Schaltzonen eines Fluidik-Bauteils der mehrere solche Fluidik Elemente enthält, sind unter sich mit Verbindungskanälen und nach aussen mit Eingangs- und Ausgangskanälen, sog. Anschlusskanälen verbunden. Der logische Schaltvorgang läuft in der Schaltzone der logischen Fluidikelemente ab. In dieser Schaltzone wird der Fluidum-Strom einer Hauptdüse vom Fluidum-Strom einer oder mehrerer Kontrolldüsen in verschiedene Signalkanäle gesteuert. Zur Entlüftung einzelner Kanäle der Schaltzone sind Entlüftungsöffnungen vorhanden.
Es sind, neben andern, folgende Fluidik-Elemente bekannt die logische Funktionen ausüben:
Flip-Flop, UND Tore, ODER-Tore, ENTWEDER ODER-Tore.
Die Kanäle der logischen Fluidik-Elemente sind in ihren Dimensionen am eigentlichen Schaltort der Schaltzone oft sehr eng und weisen Wandabstände der Grössenordnung 10-t mm auf.
Gerade in diesem engen Bereich sind Schäden und Unebenheiten in den Kanälen besonders störend. Die Schalteigenschaften eines logischen Fluidik-Elementes können dadurch bis zur Unbrauchbarkeit verändert werden.
Besondere Sorgfalt ist deshalb bei der Herstellung der Fluidik-Bauteile anzuwenden. Wenn man berücksichtigt, dass bei einem Fluidik-Bauteil, der eine Vielzahl von logischen Fluidik-Elementen enthält, das Nichtfunktionieren eines einzigen dieser logischen Fluidik-Elemente die Nichtbrauchbarkeit des ganzen Fluidik-Bauteils nach sich zieht, so ersieht man, dass der Aufbau eines Fluidik-Bauteils von grösster Wichtigkeit für die Erreichung günstiger Produktionsergebnisse mit wenig Ausschuss ist.
In bekannten Fluidik-Bauteilen, bei denen Deckplatte und Trägerplatte miteinander verklebt werden, besteht die grösste Schwierigkeit darin, zu vermeiden, dass überflüssiges Klebemittel in die kritischen engen Kanäle der logischen Fluidik-Elemente gelangt. Für breite Ausgangs-, Eingang- und Verbindungskanäle sind Klebemittelreste nicht störend. Unter anderem werden z. B. bei bekannten Fluidik-Bauteilen die Kanäle mit Paraffin oder sonst einem Füllmittel ausgegossen. Dieses Füllmittel muss dann auf irgend eine Art wieder entfernt werden.
Die hier vorgeschlagene neue Lösung für den Aufbau eines Fluidik-Bauteils ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Basisebene der Schaltzone der logischen Fluidik-Elemente nicht in der Verbindungsebene von Trägerplatte und Deckplatte liegen, und dass entsprechende Dichtungsorgane vorhanden sind, welche auf den Basisebenen der Schaltzonen der logischen Fluidik-Elemente dicht anliegen, Begrenzungsflächen der Kanäle der logischen Fluidik-Elemente sind und die Kanäle der Schaltzone dieser logischen Fluidik-Elemente gegeneinander abdichten.
Diese Lösung lässt sich auf vielfältige Weise verwirklichen. So kann die Basisebene, d. h. die Ebene auf welche die Kanäle der Schaltzonen der logischen Fluidik-Elemente bezogen sind, auf einer Erhöhung der Trägerplatte über der Verbindungsebene von Deckplatte und Trägerplatte liegen. In diesem Fall enthält die Deckplatte entsprechende Ausnehmungen zur Aufnahme der logischen Fluidik-Elemente und Dichtungsorgane. Eine andere besonders vorteilhafte Lösung besteht darin, dass die Basisebene der Schaltzone der einzelnen logischen Fluidik-Elemente in Vertiefungen der Trägerplatte liegen, welche die Form eines geraden Kreiskegel-Stumpfes haben. Die Dichtungsorgane können so geformt sein, dass sie die Vertiefung ausfüllen und von der Deckplatte welche mit der Trägerplatte fest verbunden ist, festgehalten werden.
Diese Lösung bringt folgende Vorteile mit sich: a) Es wird möglich Kanäle in der Deckplatte über logische Fluidik-Elemente der Trägerplatte zu führen, was im Hinblick auf eine gewünschte Miniaturisierung von Bedeutung ist.
b) Falls zwischen Basisebene und Dichtungsorgan kein Klebemittel verwendet wird, ist die Gefahr, dass bei der Herstellung überflüssiges Klebemittel in die engen Kanäle der Schaltzone der logischen Fluidik Elemente gelangt, weitgehend ausgeschaltet.
c) Dichtungsorgane und in der Trägerplatte liegende Basisebenen der Schaltzonen können in einem besonderen Verfahren risikolos miteinander verklebt werden. Für das Verbinden von Deckplatte und Trägerplatte kann, falls erwünscht, eine andere Verbindungstechnik verwendet werden.
Verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemässer Fluidik-Bauteile und Teile davon sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Fluidik-Bauteil, der drei logische Fluidik-Elemente mit Schaltzone enthält.
Fig. 2 eine Seitenansicht des in Fig. 1 gezeigten Fluidik-Bauteils nach der Schnittlinie II-II.
Fig. 3 zerlegt ein Fluidik-Bauteil zur Verdeutlichung möglicher Anordnungen der Deckplatte, der Schaltzone der logischen Fluidik-Elemente, der Dichtungsorgane und der Verbindungsmittel.
Fig.4-6 schematisch, zerlegt dargestellte Fluidik Bauteile.
Wie Fig. 1 und 2 zeigen, umfasst ein erfindungsgemässer Fluidik-Bauteil eine Trägerplatte 1. In Vertiefungen 10 der Trägerplatte 1 liegen die Basisebenen 11 der Schaltzone der logischen Fluidik-Elemente 12.
Diese Basisebenen 11 der Schaltzonen der verschiedenen logischen Fluidik-Elemente in einer Trägerplatte 1 brauchen nicht, wie in den Zeichnungen gezeigt, in einer gemeinsamen Ebene zu liegen. Ein logisches Fluidik-Element 12 wird durch eine Anzahl zum Teil sehr enger Kanäle 120 gebildet. In den beispielsweise kreiskegelstumpfförmigen Vertiefungen 10 der Trägerplatte 1 liegt je eine Dichtung 4, welche von der oberen Deckplatte 2 so auf der Basisebene 11 festgehalten wird, dass die verschiedenen Kanäle 120 der Schaltzone jedes logischen Fluidik-Elementes 12 gegeneinander und nach aussen abgedichtet sind.
Die Verbindung der Kanäle der verschiedenen logischen Fluidik-Elemente 12 geschieht durch Verbindungs- bzw. Anschlusskanäle 51, die oben in der Trägerplatte 1, unten in der Trägerplatte 1, in der oberen Deckplatte 2 oder in der unteren Deckplatte 3 liegen können. Die Verbindung der verschiedenen Verbindungs- bzw. Anschlusskanäle 51, die in verschiedenen Ebenen liegen, geschieht vorzugsweise mit dazu senkrecht stehenden Verbindungs- bzw. Anschlusskanälen 52. Ein sich in der oberen Deckplatte 2 befindlicher Verbindungs- bzw. Anschlusskanal 51 führt beispielsweise über die Dichtung 4 der Schaltzone eines logischen Fluidik-Elementes 12.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemässes Fluidik-Bauteil zerlegt. In der Horizontalen ist die Darstellung in die Abschnitte A, B und C unterteilt. In den verschiedenen Abschnitten ist je der beispielsweise mögliche Aufbau eines Fluidik-Bauteils veranschaulicht.
Abschnitt A zeigt den Aufbau eines Fluidik-Bauteils, bei dem die Dichtung 4 in der Vertiefung 10 von der Deckplatte 2 auf der Basisebene 11 festgehalten wird. Sind beispielsweise Dichtung 4, obere Deckplatte 2 und untere Deckplatte 3 aus einem plastischen Material, so kann es aus Gründen der Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Formbeständigkeit erforderlich sein, eine obere steife Verstärkerplatte 6 und eine untere steife Verstärkungsplatte 7 anzubringen.
In einem nach Schema A aufgebauten Fluidik-Bauteil sind beispielsweise an den entsprechenden Flächen die folgenden Teile untereinander fest und dicht verbunden: Obere steife Verstärkungsplatte 6, mit oberer Deckplatte 2, obere Deckplatte 2 mit Dichtung 4 und Trägerplatte 1, Trägerplatte 1 mit unterer Deckplatte 3, untere Deckplatte 3 mit unterer steifer Deckplatte 7.
Klebemittel ist in Fig. 3 mit Punkten angedeutet.
Abschnitt B zeigt einen erfindungsgemässen Fluidik-Bauteil der im Aufbau einfacher ist. Die Dichtung 4 ist in der Vertiefung 10 fest mit der Basisebene 11 verklebt. Die untere Deckplatte 3, mit Verbindungsbzw. Anschlusskanälen 51, 52, ist mit der entsprechenden Ebene der Trägerplatte 1 z. B. ebenfalls verklebt.
Obere und untere steife Verstärkerplatte 6, 7 und obere Deckplatte 2 sind nicht vorhanden.
Im Abschnitt C ist eine weitere Möglichkeit des Aufbaus eines erfindungsgemässen Fluidik-Bauteils dargestellt. Zwischen Dichtung 4 und Basisebene 11 ist zusätzlich eine in transversaler Richtung (Pfeil) für das Klebemittel, bzw. Verbindungsmittel, poröse nicht elastische Folie 41 eingefügt. Obere und untere Deckplatte 2, 3 sind wie in Abschnitt A angeordnet. Bei genügender Steifheit der Deckplatte 2, 3 kann aber auf die beiden steifen Verstärkungsplatten 6, 7 verzichtet werden.
Fig. 4 zeigt schematisch zerlegt einen weiteren erfindungsgemäss aufgebauten Fluidik-Bauteil. Der Einfachheit halber wird teilweise auf die Darstellung der Anschluss- und Verbiungskanäle 51, 52 verzichtet. Die Kanäle 120 der Schaltzone der logischen Fluidik-Elemente 12 sind nur angedeutet. Der vorliegende Fluidik-Bauteil zeigt eine Trägerplatte 1 mit beidseitig in Vertiefungen 10 angeordneten Schaltzonen logischer Fluidik-Elemente 12 und dazugehörigen Dichtung 4.
Eine zweite Trägerplatte 1', die von der anderen Trägerplatte 1 durch eine Zwischenschicht 8 getrennt ist, enthält nur einseitig Schaltzonen logischer Fluidik-Elemente 12 in Vertiefungen 101. Weiter enthält der dargestellte Fluidik-Bauteil die obere und untere Deckplatte 2, 3.
In Fig. 5 ist ein erfindungsgemässes, nur ein einziges logisches Element enthaltendes Fluidik-Bauteil zerlegt gezeigt, bei dem die Basisebene 11 der Schaltzone des logischen Elementes 12 erhöht über der Trägerplatte 1 liegt. In der Deckplatte 2 ist eine Ausnehmung 12' vorhanden, die zur Aufnahme der erhöht angeordneten Basisebene der Schaltzone des logischen Elementes 12 und der Dichtung 4 ausgebildet ist. Die Anschlusskanäle 52 liegen beispielsweise ganz in der Trägerplatte 1.
Ein besonders einfaches Ausführungsbeispiel eines Fluidik-Bauteils, der nur ein einziges logisches Element 12 enthält, ist in Fig. 6 zerlegt dargestellt. In die Vertiefung 10 mit der Basisebene 11 der Schaltzone des logischen Fluidik-Elementes 12 mit Kanälen 120, ist die Dichtung 4 beispielsweise eingeklebt. Die Dichtung 4 ist also ein Teil einer Deckplatte 2. Die Anschlussbzw. Verbindungskanäle 52 befinden sich in der Trägerplatte 1.
Zur Herstellung von Fluidik-Bauteilen der beschriebenen Art eignen sich beispielsweise folgende Stoffe: Epoxy-Harze, Thermoplaste, z. B. Plexiglas , Duroplast, Hartgummi usw., aber auch Metalle. Als Dichtungsorgane eignen sich neben anderen elastischen Materialien z. B. Gummi, Silikongummi, elastische Epoxy-Harze usw.
Es ist auch möglich, mehrschichtige Dichtungsorgane zu verwenden. Wobei die einzelnen Schichten teils elastisch, teils unelastisch sein können, z. B. mit Metall beschichtete Thermoplaste, Metall-Gummi Dichtungen usw. Auch Dichtungen die aus mehreren Kunststoffschichten aufgebaut sind, sind verwendbar.
Metallisch beschichtete Dichtungen ermöglichen die Verwendung von Hochfrequenz-Heizmethoden zur Verbindung von beispielsweise der Dichtung mit der Basisebene der Schaltzone der logischen Fluidik-Elemente. Als Verbindungsmittel für die Einzelteile der Fluidik-Bauteile eignen sich z. B. Klebemittel, Epoxy Harze, Thermoplaste, Druck-Kleber, Leim usw. Es können aber auch Verbindungselemente wie Nieten, Schrauben usw. angewendet werden.
Beim Verkleben von zwei Flächen kann es vorteilhaft sein, zwischen diesen Flächen eine beispielsweise poröse unelastische Folie 41-wie in Fig. 3c gezeigteinzufügen und mit zu verkleben. Wird diese Folie 41 z. B. nur auf der Seite, die dem Dichtungsorgan zugekehrt ist, mit Klebemittel beschichtet, so gelangt Klebemittel durch die Poren auf die Rückseite. Klebemit- tel tritt aber vor allem an jenen Stellen aus den Poren, wo Berührung mit der mit der Rückseite zu verklebenden Fläche eintritt. Über den Kanälen 120 der Schaltzone eines logischen Fluidik-Elementes tritt praktisch kein Klebemittel aus den Poren der Folie 41. Die Gefahr, dass überflüssiges störendes Klebemittel in die Kanäle 120 gelangt, ist dadurch weitgehend beseitigt.
Als Folie eignen sich Stoffe wie Papier, Glasfasermatte, usw.
Fluidics component
The present invention relates to a fluidic component, consisting of at least one carrier plate and at least one cover plate placed tightly on it, and containing at least one logical fluidic element with a switching zone as well as connecting and connecting channels.
Fluidic components are also known under the term flow amplifier. These are devices with which so-called logical circuits can be implemented pneumatically and hydraulically.
Fluidics components contain one or more logical fluidics elements. If several logical fluidic elements with switching zones are contained in a fluidic component, one speaks of integrated fluidic circuits. The logical fluidic elements with switching zones of a fluidic component that contains several such fluidic elements are connected to one another with connecting channels and to the outside with input and output channels, so-called connection channels. The logical switching process takes place in the switching zone of the logical fluidic elements. In this switching zone, the fluid flow of a main nozzle is controlled by the fluid flow of one or more control nozzles in different signal channels. There are ventilation openings for venting individual channels in the switching zone.
In addition to others, the following fluidic elements are known to perform logical functions:
Flip-Flop, AND gates, OR gates, EITHER OR gates.
The dimensions of the channels of the logical fluidic elements are often very narrow at the actual switching location of the switching zone and have a wall distance of the order of 10-t mm.
Damage and unevenness in the canals are particularly annoying in this narrow area. The switching properties of a logical fluidic element can thereby be changed to the point of being unusable.
Particular care must therefore be taken when manufacturing the fluidic components. If one takes into account that in a fluidic component that contains a large number of logical fluidic elements, the non-functioning of a single one of these logical fluidic elements leads to the unusability of the entire fluidic component, so one sees that the structure of a fluidic -Component is of the greatest importance for achieving favorable production results with few rejects.
In known fluidic components, in which the cover plate and carrier plate are glued together, the greatest difficulty is to avoid that superfluous adhesive gets into the critical narrow channels of the logical fluidic elements. Adhesive residues are not disruptive for wide exit, entrance and connecting channels. Among other things, z. B. in known fluidics components, the channels are filled with paraffin or some other filler. This filler must then be removed again in some way.
The new solution proposed here for the construction of a fluidic component is characterized according to the invention in that the base plane of the switching zone of the logical fluidic elements is not in the connecting plane of the carrier plate and cover plate, and that there are corresponding sealing elements which are on the base planes of the switching zones of the logical fluidic elements lie tightly, are boundary surfaces of the channels of the logical fluidic elements and seal the channels of the switching zone of these logical fluidic elements against each other.
This solution can be implemented in a variety of ways. So the base plane, i.e. H. the level to which the channels of the switching zones of the logical fluidic elements are related, lie on an elevation of the carrier plate above the connecting plane of cover plate and carrier plate. In this case, the cover plate contains corresponding recesses for receiving the logical fluidic elements and sealing elements. Another particularly advantageous solution is that the base plane of the switching zone of the individual logical fluidic elements lie in depressions in the carrier plate, which have the shape of a straight truncated circular cone. The sealing members can be shaped so that they fill the recess and are held in place by the cover plate, which is firmly connected to the carrier plate.
This solution has the following advantages: a) It becomes possible to guide channels in the cover plate via logical fluidic elements of the carrier plate, which is important with regard to a desired miniaturization.
b) If no adhesive is used between the base plane and the sealing element, the risk of excess adhesive getting into the narrow channels of the switching zone of the logical fluidic elements during production is largely eliminated.
c) Sealing elements and the base planes of the switching zones in the carrier plate can be glued to one another without risk in a special process. If desired, a different connection technique can be used to connect the cover plate and carrier plate.
Various exemplary embodiments of fluidic components according to the invention and parts thereof are shown in the drawings.
Show it:
1 shows a plan view of a fluidic component which contains three logical fluidic elements with a switching zone.
FIG. 2 shows a side view of the fluidic component shown in FIG. 1 along the section line II-II.
3 disassembles a fluidic component to illustrate possible arrangements of the cover plate, the switching zone of the logical fluidic elements, the sealing elements and the connecting means.
Fig. 4-6 schematically, disassembled fluidic components.
As FIGS. 1 and 2 show, a fluidic component according to the invention comprises a carrier plate 1. The base planes 11 of the switching zone of the logical fluidic elements 12 are located in depressions 10 in the carrier plate 1.
These base planes 11 of the switching zones of the various logical fluidic elements in a carrier plate 1 do not need to lie in a common plane, as shown in the drawings. A logical fluidic element 12 is formed by a number of channels 120, some of which are very narrow. In each of the truncated circular recesses 10 of the carrier plate 1 there is a seal 4, which is held by the upper cover plate 2 on the base plane 11 so that the various channels 120 of the switching zone of each logical fluidic element 12 are sealed against one another and to the outside.
The channels of the various logical fluidic elements 12 are connected by connecting channels 51, which can be located at the top in the carrier plate 1, at the bottom in the carrier plate 1, in the upper cover plate 2 or in the lower cover plate 3. The connection of the various connection or connection channels 51, which lie in different planes, is preferably done with connection or connection channels 52 that are perpendicular thereto. A connection or connection channel 51 located in the upper cover plate 2 leads, for example, over the seal 4 the switching zone of a logical fluidic element 12.
Fig. 3 shows a fluidic component according to the invention disassembled. The representation is divided into sections A, B and C horizontally. In the various sections, the structure of a fluidic component that is possible, for example, is illustrated.
Section A shows the structure of a fluidic component in which the seal 4 is held in the recess 10 by the cover plate 2 on the base plane 11. If, for example, the seal 4, the upper cover plate 2 and the lower cover plate 3 are made of a plastic material, it may be necessary to attach an upper rigid reinforcement plate 6 and a lower rigid reinforcement plate 7 for reasons of reliability, durability and dimensional stability.
In a fluidics component constructed according to scheme A, for example, the following parts are firmly and tightly connected to one another on the corresponding surfaces: upper rigid reinforcement plate 6 with upper cover plate 2, upper cover plate 2 with seal 4 and carrier plate 1, carrier plate 1 with lower cover plate 3 , lower cover plate 3 with lower rigid cover plate 7.
Adhesive is indicated in Fig. 3 with dots.
Section B shows a fluidic component according to the invention which is simpler in structure. The seal 4 is firmly glued to the base plane 11 in the recess 10. The lower cover plate 3, with connection or. Connection channels 51, 52, is with the corresponding plane of the carrier plate 1 z. B. also glued.
Upper and lower rigid reinforcement plates 6, 7 and upper cover plate 2 are not available.
In section C, a further possibility for the construction of a fluidic component according to the invention is shown. In addition, a non-elastic film 41, which is porous in the transverse direction (arrow) for the adhesive or connecting means, is inserted between the seal 4 and the base plane 11. Upper and lower cover plates 2, 3 are arranged as in section A. If the cover plate 2, 3 is sufficiently rigid, the two rigid reinforcement plates 6, 7 can be dispensed with.
Fig. 4 shows schematically disassembled a further fluidic component constructed according to the invention. For the sake of simplicity, the connection and connection channels 51, 52 are partially omitted. The channels 120 of the switching zone of the logical fluidic elements 12 are only indicated. The present fluidic component shows a carrier plate 1 with switching zones of logical fluidic elements 12, arranged in depressions 10 on both sides, and the associated seal 4.
A second carrier plate 1 ', which is separated from the other carrier plate 1 by an intermediate layer 8, contains switching zones of logical fluidic elements 12 in depressions 101 only on one side. The fluidic component shown also contains the upper and lower cover plates 2, 3.
In FIG. 5, a fluidic component according to the invention, containing only a single logical element, is shown disassembled, in which the base plane 11 of the switching zone of the logical element 12 is elevated above the carrier plate 1. In the cover plate 2 there is a recess 12 ′ which is designed to accommodate the raised base plane of the switching zone of the logic element 12 and the seal 4. The connection channels 52 lie entirely in the carrier plate 1, for example.
A particularly simple exemplary embodiment of a fluidic component that contains only a single logic element 12 is shown broken down in FIG. 6. In the recess 10 with the base plane 11 of the switching zone of the logical fluidic element 12 with channels 120, the seal 4 is glued, for example. The seal 4 is therefore part of a cover plate 2. The connection or. Connection channels 52 are located in the carrier plate 1.
The following substances, for example, are suitable for the production of fluidic components of the type described: epoxy resins, thermoplastics, e.g. B. Plexiglas, thermosetting plastic, hard rubber, etc., but also metals. As sealing organs, in addition to other elastic materials such. B. Rubber, silicone rubber, elastic epoxy resins, etc.
It is also possible to use multilayer sealing members. The individual layers can be partly elastic, partly inelastic, e.g. B. with metal-coated thermoplastics, metal-rubber seals, etc. Seals that are composed of several plastic layers can also be used.
Metallic coated seals enable the use of high-frequency heating methods to connect, for example, the seal to the base plane of the switching zone of the logical fluidic elements. As a connecting means for the individual parts of the fluidic components are such. B. adhesives, epoxy resins, thermoplastics, pressure adhesives, glue, etc. However, fasteners such as rivets, screws, etc. can also be used.
When gluing two surfaces, it can be advantageous to insert a, for example, porous, inelastic film 41 between these surfaces, as shown in FIG. 3c, and to glue it together. If this film 41 z. B. coated with adhesive only on the side facing the sealing member, so adhesive gets through the pores on the back. However, adhesive mainly emerges from the pores at those points where it comes into contact with the surface to be glued to the back. Practically no adhesive emerges from the pores of the film 41 via the channels 120 of the switching zone of a logical fluidic element. The risk of superfluous disruptive adhesive getting into the channels 120 is thereby largely eliminated.
Materials such as paper, glass fiber mat, etc. are suitable as a film.