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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Strömungsumleitelemente zum Umleiten
eines Fluidstroms. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf instabile Klappenventile, die elektrisch gesteuerte Verriegelungsmechanismen
besitzen.
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Viele
Anwendungen erfordern ein Umleiten von kleinen Volumina einer Fluidströ mung. Zum
Beispiel werden mit Ventil versehene Kanalsysteme weit verbreitet
bei der chemischen Verarbeitung unter hohem Druck, bei Fluidinjektionssystemen,
bei der Aerosol-Abgabe oder bei Objekt-Tragesystemen mit einem Bett
aus einem gasförmigen
Fluid verwendet. Der Fluidstrom mit hoher Geschwindigkeit kann intern
(zum Beispiel ein umschaltendes Kanalsystem) oder extern (zum Beispiel
ein Turbulenz-Reduktionssystem, das ein Öffnen oder Schließen von
Mikroklappen in einem Luftebenen-Flügel oder -Körper erfordert) sein.
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Traditionell
ist die Steuerung solcher Systeme mit geringer Energie aufgrund
der wesentlichen Energie, die erforderlich ist, um der Strömung während des
Ventilschließens
entgegenzuwirken oder diese umzuleiten, schwierig. Elektrostatische
Ventilsysteme mit geringer Leistung waren, während sie oftmals ausreichend
für Ventilanordnungen
unter niedriger Geschwindigkeit sind, nicht ausreichend leistungsfähig zur
Verwendung in Verbindung mit bestimmten Strömungssystemen.
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Die
DE-A-11 37 679 offenbart ein Klappenventil zum Kontrollieren einer
Fluidströmung
zwischen einem Einlass und einem Paar von Auslässen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist ein Ventil zum Umleiten eines Fluidstroms auf:
eine
Ventilkammer, die Fluidstrom ermöglicht,
wobei die Ventilkammer einen Einlass, einen ersten Auslass und einen
zweiten Auslass aufweist,
einen Klappenträger,
ein Klappenelement
mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende an
dem Klappenträger
angebracht ist und sich das zweite Ende wenigstens teilweise durch
die Ventilkammer erstreckt und das Klappenelement so bewegt werden kann,
dass es alternativ den ersten Auslass und den zweiten Auslass sperrt,
ein
erster und ein zweiter Arretiermechanismus, die einander gegenüberliegen
und das Klappenelement gesteuert fixieren, um den ersten Auslass
bzw. den zweiten Auslass zu sperren, wobei der erste und der zweite
Arretiermechanismus einen deaktivierten Zustand zum Freigeben des
Klappenelements und einen aktivierten Zustand zum Halten des Klappenelements
haben, und
einen Impulsmechanismus, der das Klappenelement von
dem ersten oder dem zweiten Arretiermechanismus weg in die Ventilkammer
hinein stößt, nachdem der
erste oder der zweite Arretiermechanismus gesteuert in den deaktivierten
Zustand gebracht worden ist, wobei Fluidströme das Klappenelement in seinem aktivierten
Zustand in den Arretierbereich des ersten oder des zweiten Arretiermechanismus
bringen können.
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Die
vorliegende Erfindung umgeht die Erfordernisse einer höheren Leistung
für ein
direktes Entgegenwirken einer Fluidströmung durch Vorsehen eines kostengünstigen
und praktischen Mechanismus zum Aufnehmen eines Teils der Energie
der Fluidströmung,
was eine konsistente und zuverlässige Umleitung
eines Fluidstroms ermöglicht.
Während die
vorliegende Erfindung noch die Verwendung einer elektromagnetischen
oder mechanischen Ventilkontrolle ermöglicht, ermöglicht sie auch die Verwendung
einer elektrostatischen oder elektromagnetischen Steuerung mit niedriger
Leistung. Die vorliegende Erfindung umfasst ein Ventil zum Umleiten
eines Fluidstroms, mit einer Ventilkammer, die einen Fluidstrom
ermöglicht,
wobei die Ventilkammer einen Einlass, einen ersten Auslass und einen
zweiten Auslass besitzt. Die Ventilkammer kann geschlossen sein
(z. B. eine Rohrleitungs-Strömungs-Umleiteinrichtung
oder einen -Verteiler) oder kann teilweise offen sein (z. B. für externe
Anwendungen, wie beispielsweise eine Luftströmungsumleitung auf einer Tragefläche eines
Flugzeugs). Das Klappenelement, gehalten (durch einen Klappenträger) zumindest
teilweise in der Ventilkammer, besitzt ein erstes und ein zweites
Ende, wobei das erste Ende an dem Klappenträger befestigt ist und sich
das zweite Ende in die Ventilkammer hinein erstreckt. Das Klappenelement
ist so bewegbar, um alternativ den ersten Auslass und den zweiten
Auslass (oder zusätzliche
Auslässe,
falls vorhanden), zu blockieren.
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In
der oder unmittelbar angrenzend an die Ventilkammer sind gegenüberliegende
erste und zweite Arretiermechanismen zum kontrollierbaren Verriegeln
des Klappenelements vorhanden, um jeweils den ersten Auslass und
den zweiten Auslass zu blockieren. Der erste und der zweite Arretiermechanismus
besitzen jeweils einen gesperrten Zustand und einen aktivierten
Zustand für
ein Halten und ein Freigeben des Klappenelements. Wenn einmal der erste
und oder der zweite Arretiermechanismus gesperrt sind, ist das Klappenelement
frei, sich zu einer anderen Position zu bewegen. Die vorliegende
Erfindung schafft einen Impulsmechanismus, um das Klappenelement
in die Ventilkammer hinein von einem des ersten und des zweiten
Arretiermechanismus hineinzustoßen,
nachdem entweder der erste oder der zweite Arretiermechanismus kontrolliert
in einen gesperrten Zustand gebracht ist. Da das Klappenelement
instabil ist, wenn es während
typischer Fluidstrom-Zustände
verriegelt ist, werden Oszillationen des Klappenelements in der
Fluidströmung schließlich das
Klappenelement in einen Arretierbereich entweder des ersten oder
des zweiten Arretiermechanismus in einen aktivierten Zustand bringen. Der
Impulsmechanismus kann aufgrund von Bernoulli-Kräften, ausgeübt auf ein flexibles Klappenelement,
entstehen, das flatternde Oszillationen induziert, die die Klappe
anheben, oder kann mechanische, elektromechanische oder elektromagnetische Kräfte umfassen,
wie beispielsweise solche, die durch elektrisch aktivierte Formspeicher-
bzw. Memory-Metalle,
piezoreaktive Keramiken oder magnetische Materialien aufgebracht
werden.
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Der
Arretiermechanismus kann eine erste, elektrostatische Platte, getrennt
von dem Plattenelement durch ein erstes Dielektrikum, umfassen,
wobei eine elektrische Ladeeinheit an mindestens entweder dem Klappenelement
oder der elektrostatischen Platte verbunden ist, um ein Spannungsdifferenzial
für ein
elektrostatisches Anziehen und Halten des Klappenelements aufzubringen,
um den ersten Auslass in dem aktivierten Zustand zu blockieren.
Alternativ kann ein Elektromagnet, befestigt an irgendeinem (oder
beiden) der Ventilkammer oder des Klappenelements, um elektromagnetisch
das Klappenelement so zu halten, um den ersten Auslass in dem aktivierten
Zustand zu blockieren, verwendet werden, wie dies eine lösbare, elektromechanische
Verriegelung, befestigt an irgendeinem (oder beiden) der Ventilkammer
und des Klappenelements sein kann, um mechanisch das Klappenelement
so zu halten, um den ersten Auslass in dem aktivierten Zustand zu
blockieren, und kann ein Lösen
zulassen, wenn es gesperrt ist.
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In
bestimmten Ausführungsformen
ist das Klappenelement im Wesentlichen entlang seiner Länge flexibel.
Ein solches flexibles Klappenelement kann an dem Klappenträger durch
ein Reed-Teil eines Musikinstruments befestigt sein, so dass es
(in Bezug auf eine ankommende Fluidströmung) das zweite Ende, das
sich in die Ventilkammer erstreckt, führt. Alternativ kann das zweite
Ende, das sich in die Ventilkammer hinein erstreckt, so angeordnet
sein, um das erste Ende, befestigt an dem Klappenträger, zu
führen,
so dass es ähnlich
einer Fahne in Bezug auf den ankommenden Fluidstrom flattert.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist das Klappenelement an dem Klappenträger befestigt. Das Klappenelement
besitzt auch eine gelenkige Klappe, ein Ruder oder ein anderes, vorschiebbares
Element, befestigt darin mit einer Gelenkverbindung, wobei die gelenkig
aufgehängte Klappe
in den Fluidstrom hinein durch den Impulsmechanismus bewegbar ist.
Wenn die gelenkig aufgehängte
Klappe gering in den Fluidstrom hinein angehoben ist, verwendet
sie die Energie des Fluidstroms, um sich selbst in den Fluidstrom
hinein anzuheben, was schließlich
zu einem Erfassen des entgegenwirkenden Arretiermechanismus führt (und
zu einer Umleitung des Fluidstroms).
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Da
die vorliegende Erfindung auf der Verwendung eines instabilen Verschlusselements
beruht (wie beispielsweise das vorstehend angegebene, flexible Klappenelement),
um einen Fluidstrom in zwei oder mehr Richtungen umzuleiten, kann
es sehr energieeffizient sein, und zwar mit sehr kleinen Anfangskräften, die
durch den Fluidstrom zu großen
Bewegungen des Klappenelements verstärkt werden. Wie ersichtlich
werden wird, können,
mit geeigneten Modifikationen, Ventile gemäß der vorliegenden Erfindung
im Wesentlichen flache Klappenelemente, vorstehende Klappen oder
Flügel,
dreidimensionale (z. B. Tragflächengeometrien),
zylindrisch befestigte Klappen, Schrauben, Drehflügel oder
irgendwelche anderen, geeignete Formen, geeignet zum kontrollierbaren
Umleiten eines Luftstroms, verwenden. Wie unter Berücksichtigung
der vorliegenden Offenbarung ersichtlich werden wird, erfordert
ein Umleiten von Fluid keine geschlossenen Kanäle oder Kammern, sondern kann
in Verbindung mit teilweise offenen Kammern durchgeführt werden,
die Klappen, die externen Luftströmen über Flugzeugflügel oder
andere Strukturen, die Fluidströmungen
mit hoher Geschwindigkeit ausgesetzt sind, haben.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schafft Ventile, eingebettet oder befestigt
unmittelbar angrenzend an Kanäle,
Durchgangswege oder Öffnungen,
definiert in dem oder gehalten durch das Laminat. Groß dimensionierte
Feldanordnungen von Ventilen zum Kontrollieren eines Fluidstroms
können
leicht mit zentral angeordneten oder verteilten Steuereinrichtungen
durch die fotolithografisch gebildeten, metallischen, elektrischen
Verbindungen verbunden werden. In Verbindung mit geeigneten Sensoren
bzw. Fühlern
und Fluiddruckquellen können
diese Feldanordnungen dazu verwendet werden, präzise einen Fluidstrom zu steuern,
für eine
dynamische Kontrolle von Fluid-Instabilitäten und zum Unterstützen von bewegbaren
Objekten, wie beispielsweise Papier, oder zum Injizieren einer elektrischen
Ladung, von Farbstoffen, von Farben oder Chemikalien in Kammern
oder Kanalsystemen.
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Wie
durch Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden
wird, haben große
Feldanordnungen von Ventilen gemäß der vorliegenden Erfindung
einen besonderen Nutzen in Verbindung mit einer Objekt-Transportvorrichtung
oder einem anderen Materialverarbeitungssystem, das präzise eine Position
und eine Geschwindigkeit von Papier oder anderen Objekten, die sich
durch das System bewegen, steuern bzw. kontrollieren muss. Ein solches System
ist, zum Beispiel, in dem US-Patent 5,634,636, übertragen auf die Xerox Corp.,
offenbart. Während
die Verwendung von Luftstrahlmechanismen zum Unterstützen von
festen Objekten allgemein unkompliziert ist, ist ein genaues Unterstützen von
flexiblen Objekten, wie beispielsweise fortlaufende Rollen aus Papier,
Papierblättern,
extrudierten Kunststoffen, metallischen Folien, Drähten oder
optischen Fasern, viel schwieriger. In solchen Systemen können die
Auslenkmoden zu einem komplexen Objektverhalten führen, das
eine konstante Hochgeschwindigkeitsumschaltung von zahlreichen,
mit Ventil versehenen Hochgeschwindigkeitsluftstrahlen erfordern
kann. Im Gegensatz zu festen Objekten sind flexible Objekte dynamisch
instabil, wenn sie durch Luftstrahlen getragen werden, mit einer
damit verbundenen Kantenwellung, einem Flattern oder anderen, nicht
erwünschten,
dynamischen Bewegungen, die kontinuierlich während einer Unterstützung und
eines Transports auftreten. Solche nicht erwünschten Bewegungen der flexiblen
Objekte können
zu einer Fehlpositionierung, zu einem Transportfehler oder zu sogar
einer Beschädigung
der Kontaktoberfläche
zwischen dem flexiblen Objekt und einer Luftstrahl-Fördereinrichtung führen.
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Dementsprechend
schafft die vorliegende Erfindung neuartige Ventilstrukturen zur
Verwendung in Fluidtransportvorrichtungen. Die Ventile der vorliegenden
Erfindung können
effektiv in Verbindung mit irgendwelchen fortlaufenden oder diskreten,
flexiblen Objekten zusammenarbeiten, die sich durch ein Materialverarbeitungssystem
bewegen. In einer bevorzugtesten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung fallen Papier oder ein anderes, grafisch markierbares
Material unter die flexiblen Objekte, geeignet dazu, durch ein Feld
von instabilen Klappenventilen gemäß der vorliegenden Erfindung
kontrolliert zu werden. Ein Papierhandhabungssystem umfasst eine
Vielzahl von mit Ventil versehenen Luftstrahlen, eingestellt für einen
Transport von Papier, wobei mindestens ein Teil der Vielzahl der
Luftstrahlen individuell kontrollierbar ist. Ein Fühlerfeld
bestimmt kontinuierlich (oder intermittierend) eine Papierposition,
und eine Luftstrahlsteuereinheit, verbunden mit dem Fühlerfeld,
ist so konfiguriert, um eine Papierlaufbahn in Abhängigkeit
von Informationen, empfangen von dem Fühlerfeld, zu modifizieren.
In Abhängigkeit
der berechneten Position modifiziert die Luftstrahlsteuereinheit
eine Papierbewegung oder -orientierung (zum Beispiel durch selektives
Erhöhen
oder Verringern einer Luftströmung
von Luftstrahlen, die eine Momentenkraft auf definierte Unterbereiche
des Papiers aufbringen), um nahezu augenblicklich Diskrepanzen in dem
Bewegungszustand des Papiers, umfassend seine Position, Orientierung,
Laufbahn, Geschwindigkeit, Auslenkung oder Krümmung, zu korrigieren. In bevorzugten
Ausführungsformen
kann die Vielzahl der mit Ventil versehenen Luftstrahlen dazu verwendet
werden, Zug- oder Druckkräfte
aufzubringen, um Papier abzuflachen, und die Luftstrahlsteuereinheit kann
dazu verwendet werden, das Papier in seiner abgeflachten Position
während
des Transports beizubehalten. Natürlich können andere Positionen (zusätzlich zu
flach) auch mit, zum Beispiel, der Vielzahl von gegenüberliegenden
Luftstrahlen, die dazu verwendet werden, eine ausreichende Kraft
zu erzeugen, um ausgewählte
Unterbereiche des Papiers zu krümmen,
beibehalten werden.
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Einige
Beispiele von Ventilen gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 zeigt eine schematische,
teilweise aufgebrochene Ansicht eines instabilen Klappenventils;
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2 zeigt eine schematische
Seitenansicht eines Klappenelements ähnlich zu demjenigen, das in 1 dargestellt ist, und zwar
in einer instabilen, nicht blockierenden Position;
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3 zeigt eine schematische
Seitenansicht des Klappenelements der 2,
wobei das Klappenelement so bewegt ist, um einen ersten Auslass
zu blockieren, und an Ort und Stelle durch einen ersten, elektrischen
Arretiermechanismus gehalten ist;
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4 zeigt eine schematische
Seitenansicht des Klappenelements der 2,
wobei sich das Klappenelement in einer flatternden Oszillation in
Abhängigkeit
einer Fluidströmung
nach einer kontrollierten Freigabe des ersten, elektrischen Arretiermechanismus
befindet;
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5 zeigt eine schematische
Seitenansicht des Klappenelements der 2,
wobei das Klappenelement durch eine Fluidströmung in einen Arretierbereich
hinein eines zweiten, elektrischen Arretiermechanismus bewegt ist,
um den zweiten Auslass zu blockieren;
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6 zeigt eine schematische,
teilweise aufgebrochene Ansicht eines instabilen Klappenventils mit
einem Klappenelement durch eine voranführende Kante unterstützt, um
in der Fluidströmung
zu laufen;
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7 zeigt eine schematische
Seitenansicht des Klappenventils der 6; 8 zeigt eine schematische,
teilweise aufgebrochene Ansicht des U-förmigen, instabilen Klappenventils
mit einem Klappenelement durch eine voranführende Kante getragen;
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9 zeigt eine schematische
Seitenansicht des Klappenventils der 8;
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10 zeigt eine schematische
Seitenansicht eines instabilen Klappenventils, das ein gelenkiges
Klappenelement besitzt;
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11 zeigt eine schematische
Seitenansicht des Klappenelements der 10,
wobei sich das gelenkig aufgehängte
Klappenelement um ein Gelenk herum dreht;
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12 zeigt eine schematische
Ansicht des gelenkig aufgehängten,
instabilen Klappenventils der 10 nach
einer Bewegung zu der gegenüberliegenden
Seite;
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13 zeigt eine schematische
Draufsicht auf ein Gelenk;
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14 zeigt eine schematische
Seitenansicht von verschiedenen, an einem Ventilgehäuse befestigten
Impulsmechanismen;
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15 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines Strömungsumleitungsklappenelements
zur Verwendung in Verbindung mit einer Tragfläche;
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16 zeigt eine andere, eine äußere Strömung umleitende
Klappe für
eine Tragfläche;
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17 zeigt eine schematische
Seitenansicht eines Dual-Klappensystems in einer offenen Position;
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18 zeigt eine schematische
Seitenansicht eines Dual-Klappensystems der 17 in einer geschlossenen Position;
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19 zeigt eine perspektivische
Explosionsansicht eines Klappenventils ähnlich zu demjenigen, das in
den 17 und 18 dargestellt ist, aufgebaut
unter Verwendung von dielektrischen Laminaten;
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20 zeigt eine perspektivische
Explosionsansicht eines Klappenventils, aufgebaut unter Verwendung
von dielektrischen Laminaten;
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21 zeigt eine perspektivische
Explosionsansicht einer Klappenventilanordnung, aufgebaut unter
Verwendung von dielektrischen Laminaten;
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22 zeigt eine Ansicht eines
zusammengebauten Zustands der Klappenventilanordnung der 21; und
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23 zeigt eine Anordnung
eines Luftstrahl-Papierfördersystems
mit Ausstoßventilen,
um Papier zu markieren.
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1 zeigt eine schematische,
teilweise aufgebrochene Ansicht eines instabilen Klappenventilsystems 10 zum
Umleiten einer Fluidströmung.
Das Ventilsystem 10 umfasst einen Ventilkörper bzw.
ein -gehäuse 12,
gebildet so, um einen Einlass 25 zu definieren, um ein
Fluid, in eine Ventilkammer 16, angeordnet zwischen Ventilwänden 20 und 22,
hineinströmen
zu lassen (angezeigt durch einen Strömungspfeil 40). Ein
Fluidableitelement 14 ist gegenüberliegend dem Einlass 25 zwischen
Ventilwänden 20 und 22 positioniert,
um einen jeweiligen ersten Auslass 26 und einen zweiten
Auslass 28 von der Ventilkammer 16 zu definieren.
Ein Klappenelement 24 ist fest an einem Trageende 27 mit
einem Fluidableitelement 14 befestigt, wobei ein freies
Ende 29 des Klappenelements 24 so gerichtet wird,
um sich bewegbar zumindest teilweise in die Ventilkammer 16 hinein
zu erstrecken. Das Klappenelement 24 ist so bewegbar, um
alternierend den ersten Auslass 26 und den zweiten Auslass 28 zu
blockieren. Positioniert unmittelbar angrenzend an die Ventilkammer 16 sind
gegenüberliegende
erste und zweite elektrisch verbundene Platten 34 und 36.
Die elektrisch verbundenen Platten 34 und 36 können entweder
elektrostatische oder elektromagnetische Kräfte erzeugen, und arbeiten als
ein Arretiermechanismus, um kontrollierbar das Klappenelement 24 zu
verriegeln, um alternativ die Fluidströmung durch entweder den ersten
Auslass 26 oder den zweiten Auslass 28 zu blockieren.
Eine elektrische Steuerung wird durch Steuerleitungen 38, elektrisch
verbunden zwischen den Platten 34 und 36, und
eine Steuereinheit 32 vorgenommen. In 1 ist die Platte 34 eine aufgeladene,
elektrostatische Platte, getrennt von dem freien Ende 29 des Klappenelements 24,
durch ein isolierendes Dielektrikum, was effektiv das freie Ende 29 angrenzend
an die Platte 34 mit elektrostatischen Kräften niedriger Energie
blockiert.
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Wie
für Fachleute
auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden wird, können verschiedene
Materialien und Techniken verwendet werden, um ein Ventilsystem 10 mit
instabiler Klappe aufzubauen. Zum Beispiel kann der Ventilkörper 12 aus gegossenen,
extrudierten, geätzten,
geschnittenen, gestanzten, geformten, gedrehten, geschliffenen oder
gebohrten Kunststoff- oder anderen Metallteilen aufgebaut werden.
In bestimmten Ausführungsformen
der Erfindung wird der Aufbau aus verschiedenen gebohrten oder geätzten Laminaten
vorgenommen. Dieses kann Faserglas oder imprägnierte Epoxidharze umfassen,
wie beispielsweise solche, die bei der herkömmlichen Herstellung von gedruckten Schaltungsleiterplatten
verwendet werden. Zusätzlich
liegt ein einteiliger Aufbau der mehreren, beschriebenen Elemente
in dem vorstehenden Ventilsystem (z. B. einteilige Seitenwände oder
Extrusionsklappen) innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
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In
einer geeigneten Modifikation können Ventile
so aufgebaut werden, um mehrere Einlässe, mehrere Auslässe zu haben,
oder können
sogar komplexe Verteiler definieren. Mehrere Klappenelemente können optional
verwendet werden, um mehrere Auslässe abzudecken, wobei Strömungsvolumina
präzise
durch die Verwendung von mehrfachen Auslässen (dies lässt zu,
dass eine größere oder
geringere Anzahl von Auslässen
selektiv blockiert werden kann) gesteuert bzw. kontrolliert werden,
die zurück
in einen einzelnen Endauslass führen.
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Eine
große
Vielzahl von Designs von Klappenelementen ist auch möglich, wobei
einige Klappenelemente im Wesentlichen entlang deren Länge flexibel
sein können,
eine verringerte Flexibilität
haben können,
einige besonders flexibel über
einen bestimmten Bereich deren Länge
sein können,
oder auch einige alternative feste und flexible Segmente haben können. In
bestimmten Ausführungsformen kann
das Klappenelement im Wesentlichen fest für zumindest einen Bereich seiner
Länge sein,
mit optionalen Gelenkverbindungen, die eine begrenzte Flexibilität zulassen.
Kunststoffe, Laminate oder elastische Metalle können zum Aufbau der Klappenelemente
verwendet werden. Das Klappenelement kann von einem einteiligen
Aufbau sein (z. B. ein homogenes, rechtwinkliges Kunststoffband
mit konstanter Dicke), oder kann gelenkig sein, verstiftet sein
oder kann aus verschiedenen, unterschiedlichen Materialien aufgebaut
sein. In bestimmten Ausführungsformen
können
ferroelektrische Materialien, innen befindliche, ebene, elektromagnetische
Spulen, oder ein anderer Mechanismus zum Induzieren oder Erzeugen
von elektromagnetischen Kräften,
um einen Arretiermechanismus zu unterstützen, in Verbindung mit der
Klappe verwendet werden. Klappen sind nicht auf einen dünnen, rechtwinkligen,
ebenen Aufbau mit sich nicht variierenden Dimensionen beschränkt, wie dies
in 1 dargestellt ist,
sondern können
verschiedene polygonale, gebogene, ovale oder unregelmäßige Formen
haben, wie dies erforderlich ist. Zusätzlich muss die Dicke oder
muss der Querschnitt der Klappe nicht konstant sein, sondern kann
optional dreieckförmige,
diamantartige, unregelmäßige oder
andere, geeignete Querschnitte haben. Solche komplexen Klappenelemente,
die mehrere Fluidblockierflächen
haben, können
speziell in Verbindung mit einem komplexeren Design von einem Verteilerventil
verwendet werden.
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Elektromagnetische
oder elektrostatische Steuerungen werden allgemein verwendet, um
die Klappe in einer geschlossenen (oder offenen) Position zu arretieren.
Der Arretiermechanismus umfasst allgemein eine elektrostatische
Platte, getrennt von dem Klappenelement durch ein erstes Dielektrikum oder
einen Isolator (wie beispielsweise ein Epoxidharzlaminat, eine Kunststoffbeschichtung
oder ein isolierendes Element), wobei eine elektrische Aufladungseinheit
mit entweder dem Klappenelement oder der elektrostatischen Platte
verbunden ist, um ein Spannungsdifferenzial für ein elektrostatisches Anziehen
und Halten anzulegen. Alternativ kann ein Elektromagnet, befestigt
an irgendeinem (oder beiden) der Ventilkammer oder des Klappenelements, um
elektromagnetisch das Klappenelement so zu halten, um den ersten
Auslass in dem aktivierten Zustand zu blockieren, verwendet werden,
wie beispielsweise lösbare,
elektromagnetische Verriegelungen, befestigt an irgendeinem (oder
beiden) der Ventilkammer oder des Klappenelements, um mechanisch
das Klappenelement zu halten, um den ersten Auslass in dem aktivierten
Zustand zu blockieren, und eine Sperrung zu ermöglichen, wenn gesperrt ist. In
bestimmten Ausführungsformen
können
Fluiddruckdifferenziale auch dazu verwendet werden, beim Verstiften
bzw. Anheften (durch Saugen) eines Klappenelements an einer Seitenwand
zu unterstützen.
Wie ersichtlich werden wird, können
solche verschiedenen mechanische, Druck-, elektrostatische oder
elektromagnetische Arretiermechanismen, geeignet zur Verwendung
in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung, alleine oder in Kombination
verwendet werden.
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Die
Steuereinheit 32 modifiziert typischerweise eine Spannung,
zugeführt
zu den Platten 34 und 36. Spannungsänderungen
können
irgendeinen vorgesehenen elektrostatischen, elektromagnetischen
oder elektromechanischen Arretiermechanismus freigeben oder sperren.
In bestimmten Ausführungsformen
kann die Steuereinheit mit dem Ventil 12 integriert werden,
oder kann alternativ an einer entfernten Stelle angeordnet werden.
Obwohl eine einzelne Steuereinheit 32 in 1 angegeben ist, wird verständlich werden,
dass mehrere Steuereinheiten verwendet werden können. Zusätzlich ist, während Steuereinheiten
herkömmliche,
systemspezifische eingebaute analoge oder digitale Steuerein heiten
sein können,
vorgesehen, Sensor/Steuereinheit-Systeme, geleitet durch digitale
Computer für
allgemeine Zwecke, zu verwenden. Eine Steuerung mittels programmierbarem
Computer von großen Feldern
aus Drucksensoren und individuellen Spannungssteuereinheiten ist
mit besonderem Nutzen in Verbindung mit Luftbett-Systemen oder Fluideinspritzsystemen
vorgesehen (z. B. wie viele solche, die zum Zuführen von chemischen Additiven
oder zum Versorgen von Farb/Toner-Druckern).
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Wie
ersichtlich werden wird, umfasst eine Kontrolle oder eine Umleitung
eines Fluidstroms gemäß der vorliegenden
Erfindung eine breite Vielfalt von Fluiden, Fluidstromsystemen,
und Fluidmischungen, Additiven oder Suspensionen. Ein Fluid kann gasförmig oder
flüssig
sein (z. B. Luft, Stickstoff, Kohlendioxid sind ein geeignetes Gas
oder Gasmischungen, während
Wasser oder Petroleumderivate übliche
Flüssigkeiten
sind), und kann suspendierte oder eingeschlossene, feste Partikel,
Blasen, Micellen oder andere, nicht-homogene oder in der Phase unterteilte
Additive zu einer Flüssigkeit
oder einem Gas umfassen. Dementsprechend ermöglicht, zusätzlich zu reinen Flüssigkeiten
oder Gasen, die vorliegende Erfindung, dass Schlämme, Aerosole oder sogar eine
elektrische Ladung tragende Elemente mittels Ventil gesteuert oder
umgeleitet werden. Wie ersichtlich werden wird, können verschiedene
Fluid-Reservoire, die sich mit Ventilen gemäß der vorliegenden Erfindung
verbinden, umfassend Druckkammern, Kompressoren, Pumpen oder andere,
ein Fluid enthaltende Vorrichtungen, die für Fachleute auf dem betreffenden
Fachgebiet bekannt sind, eingesetzt werden.
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Ventile
gemäß der vorliegenden
Erfindung können
dazu verwendet werden, um einen Fluidstrom sowohl intern umzuleiten,
zu blockieren oder zu begrenzen, als auch einen externen Fluidstrom um
ein Objekt herum, eingetaucht oder gehalten in einem Fluidmedium,
umzuleiten. Zum Beispiel können
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung Anwendungen als Hochgeschwindigkeits-Luft-
oder Fluid-Ventile für
die chemische oder petrochemische Industrie haben, als mit Ventil
versehene Injektoren für
suspendierte Tröpfchen
oder Feststoffe in einer Flüssigkeit
oder einem Gas, oder sogar für
eine Drucksteuerung von elektromechanischen Systemen, wie beispielsweise
fühlbare
Aktuatoren für
eine Benutzer-Rückführung, verwendet
werden. Anwendungen für
eine Umleitung eines externen Fluidstroms sind ähnlich breit, und können eine
Fluidstromumleitung in der Raumfahrt, bei der Marine haben, oder
können
extern angeordnete, mikroelektrochemische Vorrichtungen sein.
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Die
Betriebsweise eines instabilen Klappenventilsystems, geeignet für verschiedene
Anwendungen, wird am besten unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 dargestellt. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht
eines Ventilsystems 110 mit instabiler Klappe ähnlich dem
System 10, das in der perspektivischen Ansicht in 1 dargestellt ist. Wie in 2 zu sehen ist, ist ein
Klappenelement 124 (getragen durch eine Fluid-Umleiteinrichtung 114)
in einer instabilen, nicht blockierenden Position in einem Ventilkörper 112 positioniert,
wobei sich das freie Ende 129 des Klappenelements 124 in
die Ventilkammer 116 hinein erstreckt. Das Klappenelement 124 ist
aus einem im Wesentlichen flachen, flexiblen Kunststoffmaterial
aufgebaut, um alternativ so bewegt zu werden, um einen ersten Auslass 126 und
einen zweiten Auslass 128 zu blockieren. Gegenüberliegende
erste und zweite, elektrisch verbundene Platten 134 und 136 sind
so konfiguriert, um kontrollierbar elektrostatische Kräfte in Abhängigkeit
einer angelegten Spannung zu erzeugen, und arbeiten als ein Arretiermechanismus,
um kontrollierbar das Klappenelement 124 zu verriegeln,
um alternativ einen Fluidfluss durch entweder den ersten Auslass 126 oder
den zweiten Auslass 128 zu blockieren. Im Betrieb besitzen
die erste und die zweite Platte 134 und 136 jeweils
einen gesperrten Zustand und einen aktivierten Zustand zum Halten
und einer Freigabe des freien Endes 129 des Klappenelements 124.
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In 3 befindet sich die Platte 134 in
einem freigegebenen Zustand, um eine elektrostatische Kraft zu liefern,
die ausreichend ist, um das Klappenelement 124 zu verriegeln
bzw. zu verbinden, während
sich die Platte 136 in entweder einem freigegebenen Zustand
oder einem gesperrten Zustand befinden kann (wobei die elektrostatische
Kraft ausreichend ist, um das Klappenelement 124 von seiner Position
angrenzend an die Platte 134 in jedem Fall zu ziehen).
Wie durch Betrachten der 3 gesehen werden
kann, wird der Fluidstrom 140 durch den Auslass 126 durch
das Klappenelement 124 blockiert, anstelle davon, dass
er durch den Auslass 128 strömt, angezeigt durch die Fluidströmungspfeile 141.
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Um
einen Fluidstrom von dem Auslass 128 zu einem alternativen
Auslass 126 umzuschalten, erfordert dies einfach ein Verringern
oder Beseitigen einer elektrostatischen Anziehung zwischen dem freien
Ende 129 des Klappenelements 124 und der Platte 134 (die
Platte 134 ist in einen gesperrten Zustand versetzt). Wie
in 4 zu sehen ist, unterliegt
das freie Ende 129 eines Klappenelements 124 einer klappenden
Oszillation aufgrund von Bernoulli-Kräften, induziert durch den Fluidstrom 140.
Das Klappenelement 124 wird von seiner Position angrenzend an
die Platte 134 weggezogen oder weggedrückt, und aufgrund von durch
ein Klappen erzeugte Zug- und Druckkräfte, in Verbindung mit Fluidkräften von dem
Fluidstrom 140, wird sie sich schließlich zu der Platte 136 hin
bewegen. Wenn die Platte 136 so freigegeben wird, um elektrostatisch
angezogen zu werden, kann das Klappenelement angrenzend an die Platte 136 gehalten
werden, wie dies in 5 zu
sehen ist. Wie ersichtlich werden wird, wird ein Sperren der Platte 136 durch
Verringern einer elektrostatischen Anziehung dem Klappenelement 124 ermöglichen,
sich zurück
zu der Platte 134 hin zu bewegen.
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In
dem vorstehenden Beispiel führt
der Aufbau des Klappenelements, das ein flexibles, freies Ende 129 besitzt,
zu einem Impulsmechanismus, um das Klappenelement von entweder der
ersten oder der zweiten Platte 134 und 136 wegzustoßen, nachdem
entweder die erste oder die zweite Platte 134 und 136 kontrolliert
in den gesperrten Zustand gebracht ist. Da das Klappenelement instabil
ist, werden Oszillationen des Klappenelements in dem Fluidstrom
schließlich
das Klappenelement in irgendeinem Arretierbereich entweder der ersten
oder der zweiten Platte 134 und 136 in einen aktivierten
Zustand bringen. Wie für
Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden wird,
kann der Impulsmechanismus aus Bernoulli-Kräften entstehen, die auf ein
flexibles Klappenelement ausgeübt
werden, die flatternde Oszillationen induzieren, die die Klappe
anheben (wie in 4 zu
sehen ist), oder kann mechanische, elektromechanische oder elektromagnetische
Kräfte
umfassen, wie später
in Verbindung mit 14 diskutiert
wird, die, zum Beispiel, durch elektrisch aktivierte Formspeichermetalle,
piezoreaktive Keramiken oder magnetische Materialien aufgebracht
werden können.
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Vorteilhafterweise
besitzen die Ventile gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Hochgeschwindigkeits-Umschaltvorgang in einer Vielzahl von
Strömungsbereichen.
Im Gegensatz zu vielen herkömmlichen
Ventil-Designs, die unter Bedingungen von hohen Fluidströmungsgeschwindigkeiten nicht
arbeiten oder langsam sind, werden die instabilen Ventile gemäß der vorliegenden
Erfindung allgemein schneller umschalten als sich die Fluidströmungsgeschwindigkeit
erhöht.
Dies erfolgt aufgrund der Unterstützung des Fluidstroms, das
Ventil zu bewegen (umzuschalten), so dass sich dann, wenn sich der
Fluidstrom erhöht,
die verfügbare
Energie, um das Klappenelement zu bewegen, erhöht.
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Bestimmte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ermöglichen
andere Klappenbefestigungsanordnungen, wie dies in den 6 und 7 dargestellt ist. Zum Beispiel kann
ein flexibles Klappenelement 224 an dem Klappenträger 214 so
befestigt werden, dass er (in Bezug auf den ankommenden Fluidstrom 240)
ein freies Ende 229, das sich in die Ventilkammer 216 hinein
erstreckt, führt.
In vorteilhafter Weise kann ein solches Klappenelement 224 hoch
flexibel sein, da ein Krümmen
aufgrund eines Fluidstroms viel unwahrscheinlicher auftritt als
bei solchen Ausführungsformen,
bei denen eine voranführende
Kante eines Klappenelements in einen Fluidstrom hineinweist. Wie
in den 6 und 7 dargestellt ist, umfasst
das Ventilsystem 210 einen Ventilkörper 212, gebildet
so, um einen Einlass 225 zu definieren, damit Fluid in
eine Ventilkammer 216 hineinfließen kann (angegeben durch einen
Strömungspfeil 240).
Das flexible Klappenelement 224 ist fest an einem schmaleren
Trageende 227 an einem Klappenträger 214 befestigt,
wobei das freie Ende 229 des Klappenelements 224 so
bewegbar ist, um alternativ einen ersten Auslass 226 und
einen zweiten Auslass 228 zu blockieren. Positioniert unmittelbar
angrenzend an die erste Ventilkammer 216 (jeweils einen ersten
Auslass 226 und einen zweiten Auslass 228 umgebend)
sind gegenüberliegende
erste und zweite elektrisch verbundene Platten 234 und 246 vorhanden. Ähnlich der
Ausführungsform
der Erfindung, die in Verbindung mit 1 beschrieben
ist, können
die elektrisch verbundenen Platten 234 und 236 entweder
elektrostatische oder elektromagnetische Kräfte erzeugen, und arbeiten
als ein Arretiermechanismus zum kontrollierbaren Verriegeln des
Klappenelements 224, um alternativ einen Fluidstrom durch
entweder den ersten Auslass 226 oder den zweiten Auslass 228 zu
blockieren. Im Betrieb klappt das Klappenelement 224 oder
flattert (ähnlich
einer Fahne in starken Winden), so dass es zwischen einer Position angrenzend
an den ersten Auslass 226 und den zweiten Auslass 228 hin-
und herspringt. Falls entweder die Platte 234 oder 236 elektrisch
freigegeben wird, wird das freie Ende 229 eingefangen und
elektrisch verriegelt, um einen Fluidstrom dort hindurch zu blockieren,
zumindest bis die entsprechende Platte 234 oder 236 gesperrt
wird und Bernoulli- oder
andere Kräfte
das freie Ende 224 zurück
zu einem oszillierenden Klappen bzw. Flattern in der Strömung 240 stoßen.
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Eine
noch andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in Bezug auf die 8 und 9 dargestellt,
die jeweils eine Oberseitenansicht und einen Querschnitt (entlang
der Linie 9-9 in 8)
eines im Wesentlichen U-förmigen
Ventilsystems 310 darstellen, das ein U-förmiges Ventilgehäuse 312 mit
einem einzelnen Einlass 325, einem ersten Auslass 326 und
einem zweiten Auslass 328 haben. Das Gehäuse enthält weiterhin ein
U-förmiges
Verbund-Klappenelement 324, das ein flexibles Segment 331 umfasst,
das einen Arm der U-Form definiert, ein festes Segment 329,
das einen Verbindungsabschnitt definiert, und ein festes bzw. steifes Segment 327,
das einen anderen Arm der U-Form definiert. Das steife Element 324 ist
so dimensioniert, um im Wesentlichen eine vertikale Strömung in
dem Gehäuse
zu blockieren, was nur einen horizontalen Fluidstrom in entweder
den Auslass 326 oder 328 zulässt. In den 8 und 9 wird
die Strömung
durch den Auslass 326 durch die Position des steifen Segments 327 blockiert.
Um zu bestimmen, welches Auslass-Fluid herausfließt, werden
die gegenüberliegende
erste und zweite elektrisch verbundene Platte 334 und 336 in
dem Ventilgehäuse 312 so
positioniert, um jeweils das steife Segment 329 anzuziehen. Ähnlich der
Ausführungsform
der Erfindung, wie sie in Verbindung mit 1 beschrieben ist, können die elektrisch verbundenen
Platten 334 und 336 entweder elektrostatische
oder elektromagnetische Kräfte erzeugen,
und arbeiten als ein Arretiermechanismus zum kontrollierbaren Verriegeln
des Klappenelements 324, um alternativ einen Fluidstrom
durch entweder den ersten Auslass 326 oder den zweiten
Auslass 328 zu blockieren. Im Betrieb klappt das flexible Segment 331 des
Klappenelements 324 hin und her oder flattert, was ermöglicht,
dass das steife Segment 329 durch entweder die Platte 334 oder 336 eingefangen
wird. Die Strömung
wird durch die Position des steifen Segments 327 (durch
die verbundenen Segmente 329 und 331 nach oben
oder nach unten gezogen) in entweder den Auslass 326 oder 328 hinein
gerichtet. Wenn die jeweilige Platte 334 oder 336 gesperrt
ist und Bernoulli- oder andere Kräfte das flexible Segment 331 zurück in ein
oszillierendes Hin- und Herklappen in der Strömung 340 stoßen, wird
eine Strömung
durch beide Auslässe 326 und 328 zugelassen,
zumindest bis die eine oder die andere Verriegelungsplatte 334 und 336 freigegeben wird.
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Ein
alternativer Klappmechanismus, der nicht notwendigerweise Klappenelemente
für eine Freigabe
eines freien Endes der Klappe erfordert, wird unter Bezugnahme auf
die schematischen Seitenansichten der 10, 11 und 12 dargestellt, die ein Ventil ähnlich zu
demjenigen darstellen, das in Verbindung mit 1, und den 2–5, beschrieben ist. Wie in 10 zu sehen ist, besitzt
ein instabiles Klappenventilsystem 410 ein im Wesentlichen steifes
Klappenelement 424 (gehalten durch eine Fluidaufteilungseinrichtung 414),
das in dem Ventilkörper 412 positioniert
ist, wobei das freie Ende 429 der Klappe durch ein Gelenk 427 verbunden
ist, um eine begrenzte Flexibilität zuzulassen. Das Gelenk kann
integral definiert sein (wie in Verbindung mit 13 diskutiert ist), oder kann Stifte,
Haken oder andere, geeignete Verbindungselemente umfassen, die eine
Drehbewegung zulassen. Das Klappenelement 424 ist so bewegbar,
um alternativ einen ersten Auslass 426 und einen zweiten
Auslass 428 zu blockieren. Gegenüberliegende erste und zweite
elektrisch verbundene Platten 434 und 436 sind
so konfiguriert, um kontrollierbar elektrostatische Kräfte in Abhängigkeit
einer angelegten Spannung zu erzeugen, und arbeiten als ein Arretiermechanismus
zum kontrollierbaren Verriegeln des Klappenelements 424,
um alternativ einen Fluidstrom durch entweder den ersten Auslass 426 oder
den zweiten Auslass 428 zu blockieren. In 10 befindet sich die Platte 434 in
einem freigegebenen Zustand, um eine elektrostatische Kraft zu erzielen,
die ausreichend ist, um das Klappenelement 424 festzuhalten.
Der Fluidstrom 440 durch den Auslass 426 wird
durch das Klappenelement 424 blockiert, anstelle davon,
durch den Auslass 428 zu fließen, wie dies durch Fluidstrompfeile 441 angezeigt
ist.
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Um
einen Fluidstrom von dem Auslass 428 zu dem Auslass 426 umzuschalten,
erfordert dies einfach nur ein Verringern oder Beseitigen einer
elektrostatischen Anziehung zwischen dem freien Ende 429 des
Klappenelements 424 und der Platte 434 (die Platte 434 ist
in einen gesperrten Zustand versetzt). Wie in 11 zu sehen ist, kann sich das freie Ende 429 des
Klappenelements 424 um das Gelenk 427 herum drehen,
was eine Lippe ergibt, gegen die der Fluidstrom drücken kann,
um das Klappenelement 424 von der Platte 434 wegzudrehen.
Wenn die Platte 436 freigegeben ist, um elektrostatisch
anziehbar zu sein, kann das Klappenelement angrenzend an der Platte 436 gehalten
werden, wie in 12 zu sehen
ist. Wie ersichtlich werden wird, wird ein Sperren der Platte 436 durch
Verringern einer elektrostatischen Anziehung dem Klappenelement 424 ermöglichen,
sich zurück
zu der Platte 434 zu bewegen.
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In
dem vorstehenden Beispiel liefert ein Aufbau des Klappenelements
so, um ein gelenkig aufgehängtes,
freies Ende 429 zu haben, einen Impulsmechanismus, um das
Klappenelement entweder von der ersten oder der zweiten Platte 434 und 436 wegzudrücken, nachdem
entweder die erste oder die zweite Platte 434 und 436 kontrollierbar
in den gesperrten Zustand gebracht ist. Wie für Fachleute auf dem betreffenden
Fachgebiet ersichtlich werden wird, kann der Impulsmechanismus aufgrund
von Bernoulli-Kräften,
ausgeübt
auf ein gelenkig aufgehängtes
Klappenelement, entstehen, oder kann mechanische, elektromechanische
oder elektromagnetische Kräfte
umfassen, wie nachfolgend in Verbindung mit 14 diskutiert wird, die durch elektrisch aktivierte
Formspeichermetal le, piezoreaktive Keramiken, induzierte Druckdifferenziale,
ein Widerstandsheizen von Fluiden, durch thermisches Aktivieren
von expandierenden Materialien oder bimorphen Aktuatoren, oder magnetischen
Materialien, aufgebracht werden können.
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13 stellt einen möglichen
Gelenkmechanismus dar, der zur Verwendung in Verbindung mit dem
gelenkig aufgehängten
Plattenelement 424 geeignet ist, wie dieses in Verbindung
mit den 10, 11 und 12 beschrieben ist. Ein Doppelgelenk
ist durch Entfernen eines zentralen Bereichs 433 des Klappenelements 424 definiert,
was zwei hoch flexible Verbindungsgelenkteile 427 ergibt,
die ein freies Ende 429 des Rests des Klappenelements 424 befestigen.
Das Klappenelement 424 ist mit Impulsmechanismen zum Initiieren
einer Drehung des freien Endes 429 relativ zu dem Rest
des Klappenelements 424 versehen. Zum Beispiel können Formspeicherlegierungen 452 und 453 elektrisch
induziert werden, um durch Bewegen von einer flachen zu einer gekrümmten Form
anzusprechen, was eine Drehung des freien Endes 429 um
das Gelenk 427 herum bewirkt. Alternativ kann ein Elektromagnet 450 (definiert
durch eine spiralförmig
gemusterte, leitende Spule in dem Klappenelement 424) konstruiert
werden. Eine elektromagnetische Wechselwirkung mit einem Permanentmagneten
(oder einem anderen Elektromagneten) in einem Ventilgehäuse (nicht
dargestellt) kann dazu verwendet werden, eine Drehung des freien
Endes 429 um das Gelenk 427 herum zu induzieren.
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Wie
ersichtlich werden wird, sind Impulsmechanismen für ein anfängliches
Wegstoßen
eines Klappenelements von einer anziehenden Platte weg in einen
Fluidstrom hinein nicht erforderlich dahingehend, dass sie nur in
der Klappe vorhanden sind. Wie in 14 dargestellt
ist, können
verschiedene, optionale Impulsmechanismen vollständig oder teilweise in dem
Ventilgehäuse 422 angrenzend
an das Klappenelement 424 angeordnet werden. Zum Beispiel können induktiv
bewegbare Stifte 460, elektrisch aktivierte Formspeichermetalle 462,
piezoreaktive Keramiken 464, die sich ausdehnen und zusammenziehen,
oder magnetische Materialien 466 (elektromagnetisch gegen ähnlich gepolte
Klappenelemente 424 reaktiv), induzierte Druckdifferenziale
(z. B. durch einen mit Ventil versehenen Fluidkanal 470),
ein Widerstandsheizen von Fluiden (z. B. thermisches Beheizen einer
Flüssigkeit
in einer Tasche 468, um einen expansiven Gasdruck zu erzeugen)
oder irgendein anderer, herkömmlicher
Impulsmechanismus alleine oder in Verbindung mit anderen Impulsmechanismen verwendet
werden, um das Klappenelement 424 zu bewegen. Typischerweise
werden einer oder mehrere dieser Impulsmechanismus (Impulsme chanismen) durch
eine Steuereinheit 32 (nicht dargestellt), kontrolliert,
wie dies in Verbindung mit 1 diskutiert ist,
um in Verbindung mit einer Deaktivierung von Platten oder anderen
das Plattenelement verriegelnden Mechanismen zu wirken.
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Verschiedene
Ausführungsformen
der Erfindung, geeignet zum Kontrollieren oder Umleiten mindestens
eines Teils einer externen Luftströmung 551, werden unter
Bezugnahme auf die 15 und 16 beschrieben. Wie in 15 dargestellt ist, besitzt
eine Tragfläche 550 einen
Einlass 552, einen ersten Auslass 554 und einen
zweiten Auslass 556. Ein Klappenelement 560, befestigt
an einem Träger 562,
erstreckt sich zu dem Einlass 552 hin. Eine Betriebsweise
des Klappenelements 560 ist ähnlich zu derjenigen, die in
Verbindung mit 1 und
den 2–5 diskutiert ist, wobei das
instabile Klappenelement dazu in der Lage ist, sich so zu bewegen,
um alternativ einen Fluidstrom 553 durch den Auslass 554 oder 556 zu
blockieren. Ähnlich
solcher Klappenelemente, die zuvor diskutiert sind, wird das Klappenelement 560 an
seiner Stelle durch elektrische Verriegelungsmechanismen 564 und 566 gehalten.
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16 stellt ein Klappenelement 582 dar, das
außerhalb
einer Tragfläche 580 so
führt,
um eine Außenluftströmung 551 umzuleiten.
Das Klappenelement 582 wird an seiner Stelle durch elektrische
Verriegelungsmechanismen 584 und 586 gehalten,
und wird zwischen alternativen Positionen (wie durch eine durchgezogene
Linie und eine unterbrochene Linie 582 in 16 angezeigt ist) mit der Hilfe der Außenluftströmung 551 und
Wirbeln 555, die eine Oszillation des nicht verriegelten
Klappenelements verursachen, bewegt. Diese besondere Anwendung ist
von besonderem Nutzen für
Anwendungen in der Luftfahrt und der Marine, allerdings könnten andere Objekte,
positioniert in Hochgeschwindigkeits-Fluidströmungen, ähnliche Fluidumleitungssysteme
verwenden.
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Zusätzlich zu
Systemen mit einer einzelnen Klappe, die ein einzelnes, bewegbares,
einen Fluidstrom blockierendes Element haben, sieht die vorliegende
Erfindung auch die Verwendung von Mehrfachklappen oder Mehrfach-Bewegungselementsystemen
vor, die zwei oder mehr zusammenarbeitende Steuerelemente für eine bewegbare
Strömung
haben. Zum Beispiel stellen die 16 und 17 ein Doppelklappensystem 610 dar,
das eine kontinuierliche oder pulsierende Kontrolle eines Fluidstroms 640 ermöglichen,
der flüssige
oder feste Teilchen 655 mit sich führt. Die Teilchen 655 können flüssige Farbe oder
fester Toner sein, zugeführt
von einem Reservoir für
ein Markiermittel (wie beispielsweise die Ventilkammer oder irgendeine
extern verbundene Kammer), und können
dazu verwendet werden, ein Substrat zu beschichten, zu bedrucken
oder zu markieren, wie beispielsweise markierbare Medien 650 (z. B.
Papier), angeordnet nahe dem Ventilauslass. Das Ventilsystem 610 umfasst
einen Ventilkörper 612,
der so gebildet ist, um einen Einlass 625 zu definieren, damit
Fluid (angezeigt durch einen Strömungspfeil 640)
in eine Ventilkammer 616, vorhanden zwischen Ventilwänden 620 und 622,
fließt.
Das Doppelklappenelement 624 umfasst ein erstes Klappenelement 627 und
ein passendes, zweites Klappenelement 629. Unmittelbar
angrenzend an die Doppelklappenelemente in der Ventilkammer 616 positioniert
sind sich gegenüberliegende
erste und zweite elektrisch verbundene Platten 634 und 636.
Die elektrisch verbundenen Platten 634 und 636 können entweder elektrostatische
oder elektromagnetische Kräfte
erzeugen, und arbeiten als ein Arretiermechanismus zum kontrollierbaren
Verriegeln jeder Platte 627 und 629 des Klappenelements 624 in
einer offenen Position, wie dies in 17 zu
sehen ist, oder in einer geschlossenen Position, wie dies in 18 zu sehen ist. Eine elektrische
Steuerung wird über
eine Steuerleitung 638, elektrisch verbunden zwischen den
Platten 634 und 636 und einer Steuereinheit 632,
erreicht. In den 17 und 18 ist die Platte 634 eine aufgeladene,
elektrostatische Platte, separiert durch isolierende, dielektrische
Platten 635 und 637. Wie ersichtlich werden wird,
können
alternative Arretiermechanismen, wie sie in Verbindung mit den vorstehenden
Figuren diskutiert sind, alternativ eingesetzt werden, und zwar
mit elektromagnetischen Arretierungen, die elektromagnetische Schaltungen
verwenden, die spiralförmig
in die Klappen hineingelegt oder darauf gemustert sind, und Permanentmagnete, eingesetzt
in den Ventilkörper 612,
sind bevorzugt.
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Jede
Klappe kann optional verschiedene, piezoelektrische Segmente, Rippen
oder Segmente aus Formspeicherlegierungen, oder einen elektromagnetischen
oder elektrostatischen, aktiven Bereich haben, um eine Versteifung,
ein Lösen
bzw. Lockern oder ein in sonstiger Weise kontrollierbares Modifizieren
der Flexibilität
der Klappen zu ermöglichen.
In vorteilhafter Weise ermöglicht
dies einen fein abgestimmten Betrieb der Oszillationsparameter der
Klappen.
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In
einem bevorzugten Betriebsmode kann ein Doppelventilsystem 610 in
einem pulsierenden Mode betrieben werden, der auf einer komplexen Wechselwirkung
zwischen einem Druck in der Kammer 616 und den Klappen 627 und 629 beruht.
Wenn die Klappen 627 und 629 aneinander so befestigt sind,
um nur einen schmalen Spalt zu belassen, wie dies in 17 dargestellt ist, wird
Fluid, das durch den Spalt strömt,
einen Druck zwi schen den Platten verringern, was ein Verschließen der
Klappen hervorruft, wie dies in 18 zu
sehen ist. Dies wiederum beseitigt eine Strömung des Fluidstroms 640 und
ermöglicht,
dass die Eigenelastizität
der Klappen die Klappen zu einer offenen Stellung federn lässt, was einen
schmalen Spalt belässt,
und initiiert eine Wiederholung des Öffnungs/Schließ-Zyklus.
Wie ersichtlich werden wird, kann der Pulsierzyklus intermittierend
durch Einfangen bzw. Arretieren der Klappen in einer offenen Position
(mit einem Arretiermechanismus zwischen jeder Klappe und den Seitenwänden 620 und 622 des
Ventilkörpers 612)
oder in einer geschlossenen Position (mit einem Arretiermechanismus
zwischen den Klappen) gestoppt werden. In vorteilhafter Weise ermöglicht die
zyklische Art der Oszillationen diskrete Zeitpunkte zum Öffnen oder Schließen, sogar
dann, wenn ein akkurates Steuerschema nicht vorhanden ist, da die
Klappen allgemein nur in einer geschlossenen Position verriegelt werden,
wenn die Klappen zu deren normaler, geschlossener Position oszilliert
wurden (oder voneinander weg zu Seitenwänden 620 und 622 für den offenen
Zustand bewegt wurden). Wie ersichtlich werden wird, ist der vorstehende,
zyklische Betrieb nur bei bestimmten Strömungsdrücken möglich, wobei niedrigere Drücke nicht
ausreichend sind, um eine pulsierende Strömung aufrechtzuerhalten, und
höhere
Drücke
bewirken, dass die Klappen geschlossen beim Nichtvorhandensein einer äußeren Rückstellkraft
verbleiben (wie dies beispielsweise durch eine elektromagnetische
Betätigung
der Fall sein kann).
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Der
Aufbau eines oszillierenden Ventils erfordert nicht immer ein Doppelklappensystem.
Zum Beispiel kann, wie in 19 zu
sehen ist, ein System mit einer einzelnen, oszillierenden Klappe
unter Verwendung einer Metallklappe 624, befestigt an einem Träger 660 und
sandwichartig in einem Laminat zwischen einem Kammerabstandsteil 662 zwischengefügt, und
einer oberen und einer unteren, elektrostatischen Platte 634 und 636 aufgebaut
sein. In einem solchen System wirkt die untere, elektrostatische Platte 636 effektiv
als eine steife, passende Klappe, die in Verbindung mit einer flexiblen
Klappe 624 arbeitet. In vorteilhafter Weise ermöglicht dieses
Verfahren eines Aufbauens eine Herstellung in Chargen einer großen Anzahl
von pulsierenden Klappenventilen unter Verwendung einer Stanz-, Ätz- oder
anderen ein Muster bildenden Techniken, die auch zum Modifizieren
von gedruckten Schaltungsleiterplatten geeignet sind. Verschiedene
Steuer- und Aufbautechniken, geeignet für die vorliegende Erfindung, sind
in der US-A-5839722 diskutiert.
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Laminat-Aufbau-Techniken
mit einer chargenweisen Verarbeitung, geeignet zum Herstellen von
Elementen für
die vorstehenden Ventilsysteme, werden auch in Verbindung mit 20 dargestellt. Wie in 20 zu sehen ist, kann ein
Ventil 710 durch Zusammenlaminieren einer leitfähigen, oberen Schicht 712,
von Abstandsteilen 714 und 715, um dabei zu helfen,
eine Ventilkammer zu definieren, einem dielektrischen, beschichteten
Klappenträger 716 mit einer
mittels dielektrischem Metall beschichteten Klappe 717,
weiteren Abstandsteilen 718 und 719, und einer
unteren, leitfähigen
Schicht 720 aufgebaut sein. Wenn diese Teile montiert sind,
werden ein einzelner Einlass und zwei alternativ blockierbare Auslässe definiert,
und zwar mit einer elektrostatischen Anziehung zwischen der Klappe 717 und
entweder der oberen Schicht 712 oder der unteren Schicht 720, die
als ein Arretiermechanismus arbeiten, um das Ventil 710 zu
steuern.
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Wie
ersichtlich werden wird, können
Chargen-Aufbau-Techniken einfach so erweitert werden, um die Erzeugung
von großen
Ventilfeldanordnungen 730 zu ermöglichen, wie dies in den 21 und 22 zu sehen ist. Wie in diesen Figuren
zu sehen ist, können
eine leitfähige,
obere Schicht 732 mit integralen Abstandselementen, ein
dielektrischer, beschichteter Klappenträger 734 mit mehreren,
dielektrischen, mit Metall beschichteten Klappen, und einer leitfähigen, unteren
Schicht 720 mit integralen Abstandsteilen kombiniert werden,
um ein großes
Feld aus instabilen Klappenventilen gemäß der vorliegenden Erfindung
zu bilden.
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In
bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
Ventile gemäß der vorliegenden
Erfindung zumindest teilweise aus einem dielektrischen Material,
das ein Laminat bildet, aufgebaut werden. Das Ventil ist typischerweise
innerhalb von mehreren Laminatschichten eingebettet, wobei elektrische
Verbindungen, elektrostatische oder elektromagnetische Steuerstrukturen
innerhalb oder zwischen Laminatschichten eingeschlossen werden. Das
Dielektrikum kann ein fasriges, gewebtes bzw. gewirktes, extrudiertes
oder niedergeschlagenes Polymer; eine Keramik oder ein anderes dielektrisches Material,
sein. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst
die Laminatschicht ein dielektrisches Basismaterial und ein imprägniertes
Bindeharz, wie dies zum Beispiel üblicherweise in dem Aufbau
einer herkömmlichen,
gedruckten Schaltungsleiterplatte eingesetzt wird. Das instabile
Ventil kann in dem Laminat eingebettet sein und kann mit mindestens
einer elektrischen Verbindung verbunden sein, um dem Ventil zu ermöglichen,
elektrisch angetrieben und kontrolliert zu werden (unter Verwendung,
zum Beispiel, von elek trostatischen Platten oder elektromagnetischen
Spulen). Wenn eine dimensionsmäßige Stabilität oder eine
akkurate Beabstandungen von großen
Feldanordnungen aus Ventilen wichtig ist, kann das Laminat fest
bzw. steif aus einem gewebten Glas und Harzen mit hoher Bindefestigkeit,
wie beispielsweise Epoxidharzen oder Polyimiden, aufgebaut werden.
Umgekehrt kann, falls eine Flexibilität oder weiche Kurven in einer
bestimmten Anwendung benötigt
werden (z. B. in einem Feld aus mit Mikroventilen versehenen Luftstrahlen
zum Tragen von Objekten, die in einem eng gekrümmten Durchgangsweg bewegt
werden), ein flexibles Laminat, aufgebaut teilweise aus Polyimid,
Polyethylenterephthalat, Aramid oder dielektrischen Polyesterfilmen, und
flexible Polyesterharze geeignet sein.
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Das
vorstehende, in einem Laminat eingebettete Ventil kann in großer Anzahl
von ein-, zwei- oder dreidimensionalen Feldern aus aktiv oder passiv
adressierbaren Feldern gruppiert werden. Da solche Felder eine Positionierung,
Befestigung und Energieversorgungs- und Steueradressierleitungen
zu einigen zehntausend von Ventilen erfordern, werden kostengünstige und
zuverlässige
Steuersysteme benötigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
können Ventile
miteinander verbunden sein (passive Adressierung) oder können individuell
(aktive Adressierung) mit Energie- und Steuerleitungen durch fotolithografisch
definierte und geätzte
Leitungen verbunden sein. Herkömmliche
Aufbautechniken für
gedruckte Schaltungsleiterplatten können verwendet werden, und
zwar mit galvanisch niedergeschlagenen Metallen (z. B. Kupfer, Blei,
Gold oder verschiedenen Standardlegierungen), adhäsiv befestigt
und gemustert als Teil eines fotochemischen Ätzprozesses, was elektrische
Verbindungen für
eine Energieversorgung, ein Steuern oder ein Empfangen von erfassten
Informationen von den Ventilen liefert. Wie ersichtlich werden wird,
können,
wenn umfangreiche, elektrische Verbindungen erforderlich sind, fotolithografisch
geätzte
Mehrschicht-Leiterplatten vorteilhaft verwendet werden. Zusätzlich zu
einem Stanzschneiden, einem Bohren oder Stanztechniken können bewegbare
oder teilweise nicht unterstützte Komponenten
(wie beispielsweise eine Klappe) durch Opferätztechniken oder andere, geeignete Chargenverarbeitungstechniken
zum Unterschneiden oder dreidimensionalen Formen von Komponenten
bzw. Bauelementen definiert werden. Die Verwendung solcher Opferätztechniken
in Verbindung mit Laminaten aus gedruckten Schaltungsleiterplatten
ermöglicht
in vorteilhafter Weise einen kostengünstigen Aufbau von Ventilen,
Sensoren und Kanalsystemen mit großer Anzahl. Alternativ können klein dimensionierte
Ventile durch verschiedene, herkömmliche,
mikroelektromechanische Techniken, umfassend, allerdings nicht darauf
eingeschränkt, Oberflächen- oder
Massenätzen,
Mikromaschinenbearbeitung, Techniken basierend auf LIGA, oder irgendwelche
anderen, bekannten Techniken für
eine Herstellung unter kleinem Maßstab erzeugt werden.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung führt
zu Ventilen, eingebettet in oder befestigt unmittelbar angrenzend an
Kanäle,
Durchgangswege oder Öffnungen,
definiert in dem Laminat oder getragen durch dieses. Groß dimensionierte
Felder aus Ventilen zum Kontrollieren eines Fluidstroms können einfach
mit zentralisierten oder verteilten Steuereinheiten durch fotolithografisch
gebildete, metallische, elektrische Verbindungen verbunden werden.
In Verbindung mit geeigneten Sensoren und Fluiddruckquellen können diese
Felder dazu verwendet werden, präzise
einen Fluidstrom zu steuern, können
für eine
dynamische Kontrolle von Fluid-Instabilitäten, zum Unterstützen von
bewegbaren Objekten, wie beispielsweise Papier, oder zum Injizieren
einer elektrischen Ladung, von Farbstoffen, von Farben oder Chemikalien
in Kammern oder Kanalsystemen, verwendet werden.
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Wie
für Fachleute
auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden wird, können verschiedene
Ventilsysteme für
eine erwünschte
Anwendung kombiniert werden. Zum Beispiel offenbart 23 ein Druckersystem 810 zum
Markieren von Papier 815. Das Papier 815 kann
durch zahlreiche Luftstrahlen, abgegeben durch eine Vielzahl von
aktiv oder passiv adressierten Ventilen 820, gemäß der vorliegenden
Erfindung, unterstützt
und bewegt werden, die zusammen eine Luftstrahl-Fördereinrichtung 812 definieren.
Eine Papierbewegung und ein Ventilbetrieb auf der Fördereinrichtung 812 können durch
ein eingebettetes Sensorfeld 816 (das verschiedene optische,
mechanische oder thermische Sensoren umfassen kann, verteilt innerhalb
der Luftstrahl-Fördereinrichtung 812 oder
in der Nähe
davon) und einer Ventilbetätigung,
gesteuert durch eine Sensor/Steuereinheit 832 (verbunden
durch Sensor/Steuerleitungen 838 mit dem Sensorfeld 816 und
Ventilen in der Luftstrahl-Fördereinrichtung 812)
geleitet werden. Wie für
Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden wird,
besitzen große
Felder von Ventilen gemäß der vorliegenden
Erfindung einen besonderen Nutzen in Verbindung mit einer Objekt-Transportvorrichtung
oder einem anderen Materialverarbeitungssystem, das präzise eine
Position und eine Geschwindigkeit von Papier oder anderen Objekten,
die sich durch das System bewegen, steuern muss. Ein solches System
ist, zum Beispiel, in dem US-Patent 5,634,636 offenbart.
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Die
vorliegende Erfindung einer durch einen Sensor freigegebenen Luftstrahl-Fördereinrichtung 812 ist
dazu geeignet, akkurat flexible Objekte, wie beispielsweise fortlaufende
Rollen aus Papier, Papierblätter,
extrudierte Kunststoffe, metallische Folien, Drähte oder optische Fasern, zu
unterstützen.
In solchen Systemen können
die Auslenkmoden zu einem komplexen Objektverhalten führen, was
eine konstante Hochgeschwindigkeitsumschaltung von zahlreichen mit
Ventil versehenen Hochgeschwindigkeitsluftstrahlen gemäß der vorliegenden
Erfindung erfordern kann. Im Gegensatz zu steifen Objekten sind
flexible Objekte dynamisch instabil, wenn sie durch Luftstrahlen
getragen werden, mit einer Kantenwellung, einem Flattern oder anderen,
nicht erwünschten,
dynamischen Bewegungen, die kontinuierlich während eines Unterstützens und
eines Transports auftreten. Im Betrieb bestimmt das Fühlerfeld kontinuierlich
(oder intermittierend) eine Papierposition, und die Sensor/Steuereinheit 832,
verbunden mit dem Fühlerfeld 816,
ist so konfiguriert, um eine Papierlaufbahn (d. h. den dreidimensionalen
Laufweg des Papiers als Ganzes, einschließlich der verschiedenen Unterbereiche
des Papiers, wie beispielsweise einer nach oben gewellten Kante
oder einer nach unten umgebogenen Ecke) in Abhängigkeit von Informationen,
empfangen von dem Fühlerfeld 816,
zu modifizieren. Auf die berechnete Papierlaufbahn hin modifiziert
die Luftstrahl-Sensor/Steuereinheit 832 eine Papierbewegung
oder -orientierung (zum Beispiel durch selektives Erhöhen oder
Verringern einer Luftströmung
von den Luftstrahlen, die ein Moment auf definierte Unterbereiche
des Papiers aufbringen), um nahezu augenblicklich die Unzulänglichkeiten
in dem Bewegungszustand des Papiers, einschließlich dessen Position, Orientierung,
Laufbahn, Geschwindigkeit, Auslenkung oder Krümmung, zu korrigieren. In bevorzugten
Ausführungsformen
kann die Vielzahl von mit Ventil versehenen Luftstrahlen dazu verwendet
werden, Zug- oder Druckkräfte
aufzubringen, um Papier abzuflachen (z. B. zu entwellen), und die
Luftstrahl-Sensor/Steuereinheit 832 kann dazu verwendet
werden, Papier in dieser abgeflachten Position während des Transports zu halten.
Natürlich
können andere
Papierpositionen (zusätzlich
zu flach) auch mit, zum Beispiel, der Vielzahl von gegenüberliegenden
Luftstrahlen beibehalten werden, die dazu verwendet werden, eine
ausreichende Kraft zu erzeugen, um ausgewählte Unterbereiche des Papiers
zu krümmen.
Weitere Details, die zu der Ventilsteuerung und dem entsprechenden
Betrieb in einem auf Luft basierenden Papierfördersystem in Bezug stehen, sind
in dem US-Patent 5,634,636 offenbart.
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Zusätzlich können pulsierende
Ventile, wie beispielsweise solche, die in Verbindung mit den 17 bis 19 offenbart sind, oder andere Ventil-Designs
gemäß der vorliegenden
Erfindung, in Verbindung mit Markiermitteln, um Papier zu markieren, verwendet
werden, wie dies durch Ausstoßventile 824 in 23 angegeben ist. Markierungen
können durch
Ausstoßen
von diskreten Tröpfchen
aus schwebender Farbe durch die Ausstoßventile 824 gemäß der vorliegenden
Erfindung oder durch Ausstoßen
von festen Tonerteilchen, die dazu geeignet sind, später auf
Papier aufgeschmolzen zu werden, gebildet werden. Obwohl verschiedene
Ausstoßventil-Arten
geeignet sind, umfassen, in einer bevorzugten Ausführungsform,
Ausstoßventile 824 oszillierende
Dual-(oder Einzel-)Klappenventile, die so konfiguriert sind, um
Farb- oder Tonerteilchen auszustoßen, wie dies zuvor in Verbindung
mit den 17, 18 und 19 beschrieben ist.