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Die Erfindung beschäftigt sich mit Stellantrieben mit im Wesentlichen vollständig geschlossenen Gehäusen.
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Ein Stellantrieb dient allgemein dazu ein Stellglied positionsgenau zu bewegen. Er weist einen motorischen Antrieb, beispielsweise einen Elektromotor und in der Regel ein Getriebe auf, um das Stellglied zu bewegen. Das Stellglied kann beispielsweise ein Ventil in einer Fluidleitung, eine Lüftungsklappe, eine beliebige andere Klappe, oder ein beliebiger Positionierantrieb, etwa ein Sitzversteller in einem Kraftfahrzeug, sein.
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Je nach Anwendung ist der Stellantrieb dabei rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Beispielsweise kann ein Ventilantrieb einer Pipeline dauerhaft sehr tiefen Temperaturen ausgesetzt sein.
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In anderen Einsatzgebieten können dauerhaft sehr hohe Temperaturen, bis zu mehreren 100°C vorherrschen. In Feuer- oder Explosionsgefährdeten Umgebungen können im Havariefall auch Temperaturen bis zu 1100°C auftreten. In solchen Fällen muss eine Funktion des Stellantriebs bis zu einer halben Stunde gewährleistet sein, um etwa dann noch den Zufluss oder Abfluss von potenziell gefährlichen und/oder schädlichen Stoffen zu unterbinden beziehungsweise zu ermöglichen.
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Bei dauerhaft sehr tiefen Temperaturen besteht zudem das Problem, dass ein Schmiermittel im Getriebe schwergängig werden kann oder sich festsetzt und somit der Stellantrieb nicht mehr bewegbar ist. Um ein solches Festsetzen zu verhindern, ist es bekannt, den Stellantrieb insgesamt zu beheizen, so dass er auch in sehr kalten Umgebungen eine möglichst konstante Arbeitstemperatur aufweist, beispielsweise über –40°C auch bei kälteren Außentemperaturen.
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Neben den extremen Temperaturen sind solche Stellantriebe in der Regel starken mechanischen und witterungsbedingten Beanspruchungen ausgesetzt. Das Gehäuse besteht daher in der Regel aus einem Metall. Allerdings besitzt Metall auch eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, so dass das Gehäuse nur schlecht isoliert und daher die Wärmeverluste einer Heizung sehr groß sind. Der Energieverbrauch ist daher bei solchen Stellantrieben sehr groß, und die Wärmeentwicklung im Antrieb selbst eventuell zu hoch, so dass innenliegende Bauteile, insbesondere die Elektronik, negativ beeinträchtigt werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Gehäuse für einen Stellantrieb, insbesondere für den Einsatz in extremen Temperaturen, zu schaffen, das insgesamt eine bessere Wärmeisolation aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gehäuse mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Das erfindungswesentliche ist dabei, dass das Gehäuse eine Isolierung aus Schaumstein aufweist.
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Schaumstein ist auch bekannt als Geopolymer oder anorganisches Polymer und besteht im Wesentlichen aus einem mineralischen Material, das eine poröse Beschaffenheit aufweist. Die mineralische Beschaffenheit sorgt für eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit, die über 1200°C hinaus reicht. Der Schaumstein ist daher auch für Anwendungen geeignet, in denen solche hohen Temperaturen auftreten können. Es ist dabei sichergestellt, dass die Isolierung ihre Form und ihre isolierenden Eigenschaften beibehält.
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In einer Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn der Schaumstein im Wesentlichen aus porösem Siliziumdioxid besteht. Ein Schaumstein aus Siliziumdioxid ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar, da die benötigten Rohstoffe und Ausgangsmaterialien einfach und günstig verfügbar sind.
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Aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2014 002 594 A1 ist ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines solchen Schaumsteins bekannt. Der Prozess läuft entweder exotherm oder temperaturgeführt endotherm ab. Das Aufschäumen des Schaumsteins erfolgt selbsttätig während der Reaktion. Ein mechanisches oder anderweitiges Aufschäumen ist daher nicht notwendig. Die Prozesstemperaturen liegen dabei in der Regel unter 200°C, weshalb die Anwendung unkritisch ist. Als Nebenprodukt der Reaktion fällt nur Sauerstoff ab, so dass keine besonderen Sicherheitsvorkehrungen vorhanden sein müssen. Der Aufschäumprozess kann in einer nahezu beliebigen Form stattfinden, die mehrfach wiederverwendbar ist. Aufgrund der niedrigen Temperaturen kann die Form auch aus Kunststoff, Silikon oder Metall bestehen. Durch eine einstellbare Schwindung von bis zu 5% kann der Schaumstein einfach entformt werden. Dies kann durch die Verwendung von Silikonöl zusätzlich erleichtert werden. Der so erzeugte Schaumstein ist sehr hart und kann mit allen gängigen Fertigungsverfahren bearbeitet werden.
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Durch geeignete Zusatzstoffe kann auch die Farbe des Schaumsteins oder andere Eigenschaften eingestellt werden, wie beispielsweise aus der
DE 10 2014 216 500 A1 bekannt.
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Prinzipiell kann der Schaumstein offene oder geschlossene Poren oder beides aufweisen.
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Wärmetransport in einem Material geschieht in der Regel auf drei Arten. Festkörperleitung, elektromagnetische Strahlung (Infrarot-Strahlung) und Konvektion. Das mineralische Material besitzt in der Regel eine sehr schlechte Wärmeleitung, so dass die Festkörperleitung praktisch eliminiert ist.
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Die poröse Struktur des Schaumsteins beinhaltet sehr viele kleine Luftkammern, die für Infrarotstrahlung eine wirkungsvolle Barriere darstellen. Der Wärmetransport durch Strahlung ist daher stark reduziert.
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Diese Wirkung kann verstärkt werden, indem der Schaumstein Mikro- oder Nanoporen aufweist, wodurch wesentlich mehr, dafür umso kleinere Luftkammern vorhanden sind. Die Porenanzahl und deren Beschaffenheit sind durch die Wahl der Ausgangsmaterialien und die Prozessführung in weiten Bereichen einstellbar.
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Aufgrund der porösen Struktur besteht zudem ausreichende Trennung der einzelnen Luftkammern, so dass auch praktisch keine Konvektion innerhalb des Schaumsteins auftritt.
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Die Konvektion kann weiter unterbunden werden, in dem der Schaumstein geschlossene Poren aufweist.
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Insgesamt besitzt der Schaumstein daher sehr gute Isolationseigenschaften, da alle drei Wärmeleitungsmechanismen unterdrückt werden.
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Neben der Temperaturbeständigkeit ist der Schaumstein auch beständig gegenüber praktisch allen Flüssigkeiten und Gasen. Die Isolierung ist daher direkt in jeglichen Umgebungen verwendbar, ohne dass sie zusätzlich oberflächlich geschützt werden muss.
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Darüber hinaus ist der Schaumstein aus kostengünstigen mineralischen Materialien einfach herstellbar. Ein Gehäuse mit einer erfindungsgemäßen Isolierung ist daher wesentlich einfacher und kostengünstiger herstellbar.
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Durch eine Variation der Bestandteile und der Prozessführung können die Eigenschaften des Schaumsteins in gewissem Maße beeinflusst werden, so dass beispielsweise je nach Anwendung eine spezielle Kälteisolierung und eine spezielle Wärmeisolierung herstellbar sind.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung besteht der Schaumstein im Wesentlichen aus Siliziumdioxid. Poröses Siliziumdioxid besitzt einen sehr hohen Schmelzpunkt, der bei über 1700°C liegt. Eine Isolierung aus diesem Schaumstein ist daher auch für extreme Temperaturen geeignet.
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Prinzipiell ist es möglich die Isolierung an der Außenseite des Gehäuses und/oder an der Innenseite des Gehäuses anzuordnen.
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Für die Isolationswirkung gegenüber Hitze ist es vorteilhaft, wenn die Isolation aus Schaumstein an der Außenseite des Gehäuses angeordnet ist. Dadurch schützt der Schaumstein auch das Gehäuse selbst vor thermischen und mechanischen Einflüssen.
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Gleichwohl kann es etwa zum Schutz vor kalten Außentemperaturen vorteilhaft sein, wenn die Isolation aus Schaumstein innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Dadurch kann beispielsweise ein zu heizendes Volumen innerhalb des Gehäuses stark reduziert werden und das Gehäuse selbst, meist aus Metall muss nicht mitaufgeheizt werden.
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Selbstverständlich kann die Isolation auch innen und außen angeordnet sein.
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Wird der Schaumstein innerhalb des Gehäuses angeordnet und offenporig ausgebildet, kann er hier auch zur Hemmung von eventuell auftretenden Explosionsdruckwellen dienen. Durch die poröse Struktur bietet der Schaumstein sehr viele und im Verhältnis lange Kanäle, in denen die Explosionsdruckwellen abgedämpft werden. Somit bietet der Schaumstein nicht nur eine hervorragende Wärmedämmung, er hilft auch, den Explosionsdruck in einem Gehäuse zu mindern. Des Weiteren können die Poren durch hohe Druckzellen aufbrechen, was ebenfalls zur Druckminderung im Gehäuse führt.
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Prinzipiell ist es möglich die Isolierung aus Schaumstein nur partiell am Gehäuse anzuordnen. Es ist aber vorteilhaft, wenn die Isolierung im Wesentlichen allseitig am Gehäuse angeordnet ist. Das bedeutet, dass die Isolierung die Innenwände des Gehäuses vollständig auskleidet und/oder die Außenwände vollständig bedeckt. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Schaumstein daher an die Kontur, je nach Lage an die Innenkontur oder an die Außenkontur, des Gehäuses angepasst ist.
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Dadurch werden Wärmebrücken wirkungsvoll und einfach vermieden.
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Selbstverständlich kann die Isolierung dabei noch Aussparungen für mechanische und/oder elektrische Anschlüsse aufweisen.
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Die Isolierung kann auf unterschiedliche Arten am Gehäuse angeordnet werden. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung besteht die Isolierung aus mindestens zwei Schaumsteinelementen, die am Gehäuse angeordnet sind.
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Um eine bessere Isolationswirkung zu erzielen können, ist es vorteilhaft, wenn die Schaumsteinelemente formschlüssig und/oder stoffschlüssig am Gehäuse angeordnet sind.
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Dazu können die Schaumsteinelemente beispielswiese formangepasst vorgefertigt sein. Eine Befestigung am Gehäuse kann dann beispielsweise durch Kleben oder Schrauben erfolgen.
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In einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung können die Schaumsteinelemente untereinander verbunden sein, um so eine geschlossene Isolierung zu schaffen. Da der Schaumstein eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit aufweist, kann die Verbindung beispielsweise über Kleben, Schrauben oder andere Mittel, etwa mechanische Mittel, erfolgen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Schaumstein direkt am Gehäuse hergestellt ist. Das bedeutet, dass der Schaumstein nicht nur formschlüssig sondern auch stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden ist. Eine zusätzliche Form zum Vorfertigen der Schaumsteinelemente ist daher nicht notwendig. Darüber hinaus bietet der Stoffschluss des Schaumsteins zum Gehäuse eine hervorragende mechanische Stabilität. Der Schaumstein ist dadurch dauerhaft fest mit dem Gehäuse verbunden.
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Wie bereits erwähnt, kann der Schaumstein offenporig oder geschlossenporig sein. Ist der Schaumstein an der Außenseite des Gehäuses angeordnet, kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn zumindest die an der Außenseite der Isolierung liegenden Poren geschlossen ausgebildet sind. Die Isolierung besitzt dadurch eine dichte und geschlossene Oberfläche, wodurch das Eindringen von Flüssigkeit und/oder Feuchtigkeit in die Poren verhindert wird. Die Isolationswirkung wird dadurch wesentlich verbessert. Schaumstein kann hierbei je nach Anwendung hydrophob oder hydrophil ausgebildet werden. Durch eine hydrophobe Ausbildung kann Eindringen von Wasser verhindert werden.
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Ebenfalls kann dadurch das Eindringen von anderen korrosiven Fluiden verhindert werden, die das darunter liegende Gehäuse angreifen können, wie beispielsweise Säuren oder Laugen.
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Die Erfindung umfasst weiterhin einen Stellantrieb mit einem erfindungsgemäßen Gehäuse mit einer Schaumstein-Isolierung, sowie eine Isolierung für einen Stellantrieb mit einem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung wenigstens zwei Schaumsteinelemente aufweist, die am Gehäuse anordenbar sind.
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Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Isolierung eines Gehäuses bei dem ein Grundstoff für Schaumstein auf dem Gehäuse aufgebracht wird und der Grundstoff dann zu Schaumstein aufgeschäumt wird, so dass eine form- und stoffschlüssige Verbindung zwischen Gehäuse und Schaumstein entsteht.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1: Eine Isolierung für einen Stellantrieb aus mehreren Schaumsteinelementen,
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2: eine Seitenansicht eines Gehäuses für einen Stellantrieb mit einer formschlüssigen Isolierung aus mehreren Schaumsteinelementen, die zusammengefügt sind,
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3: eine Draufsicht des Gehäuses der 2,
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4: eine Seitenansicht eines Gehäuses für einen Stellantrieb mit einer formschlüssigen Isolierung aus mehreren Schaumsteinelementen, die zusammengefügt sind
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Die 1 zeigt schematisch einen Stellantrieb mit einem Gehäuse 1, das im Bild vereinfacht als Zylinder dargestellt ist.
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Die Art des Stellantriebs spielt für die Erfindung keine Rolle, weshalb hier keine weiteren Einzelheiten gezeigt sind. Die Erfindung ist prinzipiell für alle Stellantriebe geeignet.
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Das Gehäuse 1 weist eine erfindungsgemäße Isolierung 2 auf, die in dieser Ausführung aus sechs im Wesentlichen quadratischen Schaumsteinelementen 3 gebildet ist. Die Schaumsteinelemente 3 sind zu einem Würfel zusammengesetzt, in dessen Innenraum das Gehäuse allseitig umschlossen ist. Für Anschlüsse und Antriebe sind in den Schaumsteinelementen 3 entsprechende Aussparungen oder Öffnungen vorgesehen, die hier jedoch nicht gezeigt sind. Die quadratischen Schaumsteinelemente 3 können beispielsweise miteinander verklebt oder durch Schrauben miteinander verbunden sein.
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Diese Art der Isolierung 2 ist praktisch für jedes Gehäuse 1 geeignet. Die Schaumsteinplatten 3 sind in jeder Größe herstellbar, so dass beliebige Formen bildbar sind. Neben der gezeigten Würfelform kann die Isolierung 2 auch quaderförmig, trapezförmig, kugelförmig oder in beliebiger anderer Form aus beliebig vielen, jedoch mindestens zwei, Schaumsteinelementen 3 zusammengesetzt sein.
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Die 2 zeigt schematisch ein im Wesentlichen topfförmiges Gehäuse 4 für einen Stellantrieb. Das Gehäuse 4 weist einen hohlzylinderförmigen Gehäusekörper 5 mit einem verschraubten Boden 6 und einem verschraubten Deckel 7 auf. Im Gehäuse 4 ist beispielsweise ein Stellantrieb mit einem Elektromotor und eventuell einem Getriebe (beides nicht gezeigt) angeordnet.
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Am Deckel 7 ist eine Antriebswelle 8 nach außen geführt. Ein Schwenkantrieb (nicht dargestellt) kann an der Antriebswelle 8 angeschlossen werden, um den Normalbetrieb zu realisieren. Somit drehen Antriebswelle 8 und Abtrieb 9 um ca. 90°. Bei einer Notfahrt steht die Antriebswelle 8 still, und nur der Abtrieb 9 dreht. Am Boden 6 ist der Abtrieb 9 zum Anschließen an ein Stellglied nach außen geführt.
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Das Gehäuse 4 weist eine erfindungsgemäße Isolierung 2 aus Schaumstein auf, deren Außenkontur 10 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Die Außenkontur 10 ist in diesem Beispiel im Wesentlichen grob an die Außenkontur des Gehäuses 4 angepasst, so dass die Isolierung 2 entlang des Gehäuses 4 im Wesentlichen dieselbe Dicke aufweist. Die Isolierung 2 ist zudem formschlüssig am Gehäuse 4 angeordnet. Das bedeutet, dass die Isolierung 2 flächig außen am Gehäuse 4 aufliegt. Eventuell kann auch Luft zwischen der Isolierung 2 und dem Gehäuse 4 auftreten, was nicht zu einer Funktionseinschränkung führt, weil die eingeschlossene Luft als guter Isolator wirkt. Am Deckel 7 und am Boden 6 weist die Isolierung 2 entsprechende Öffnungen für die Antriebswelle 8 beziehungsweise den Abtrieb 9 auf.
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Die Isolierung besteht in diesem Beispiel aus zwei Schaumsteinelementen, die als symmetrische Halbschalen 11 ausgebildet sind. Die Halbschalen 11 sind in radialer Richtung auf das Gehäuse 4 aufgeschoben und durch mehrere Schrauben 12 in radialer Richtung miteinander verbunden, wie in 3 erkennbar ist.
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Es hat sich gezeigt, dass der Schaumstein neben seinen thermischen Eigenschaften auch eine hervorragende mechanische Stabilität aufweist, durch die eine solche Schraubverbindung problemlos möglich ist.
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Die 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Erfindung, bei der das Gehäuse 4 für einen Stellantrieb identisch zur 2 ist. Die Isolierung 2 ist hier jedoch durch zwei in axialer Richtung zusammengefügte Schaumsteinelemente gebildet. Ein unteres Schaumsteinelement 13 umschließt hier den Gehäusekörper 5 mit dem Boden 6. Ein oberes Schaumsteinelement 14 umschließt den Deckel 7. Diese beiden Schaumsteinelemente 13, 14 können in axialer Richtung durch Schrauben 12 miteinander verbunden sein. Es sind jedoch auch andere Verbindungen möglich.
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Zusätzlich könnte ein drittes Schaumsteinelement am Boden angeordnet sein, so dass der Deckel und der Boden ohne Entfernen der Isolierung am Gehäusekörper geöffnet werden kann.
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Die Schaumsteinelemente können in allen Ausführungsvarianten vorgeformt sein, so dass sie auf das Gehäuse 4 montierbar sind.
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Es besteht jedoch auch die Möglichkeit den Schaumstein direkt auf dem Gehäuse 4 aufzuschäumen. Dazu kann das Ausgangsmaterial für den Schaumstein direkt auf dem Gehäuse 4 aufgebracht werden. Anschließend erfolgt das Aufschäumen.
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Der Schaumstein kann dabei das Gehäuse 4 vollständig umschließen, so dass es nicht mehr geöffnet werden kann.
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Es kann aber auch eine Trennung 16 zwischen dem Deckel 7 und dem Gehäusekörper erzeugt werden, so dass auch hier der Deckel 7 geöffnet werden kann. Der Vorteil bei diesem Verfahren besteht dabei, dass auch formschlüssige und/oder stoffschlüssige Isolierungen bei Gehäusen mit Hinterschnitten erzeugbar sind, auf die sonst kein Schaumsteinelement formschlüssig aufsetzbar wäre.
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Zudem wird durch dieses direkte Aufschäumen des Schaumsteins ein Stoffschluss zum Gehäuse 4 bewirkt, wodurch die Isolierung 2 dauerhaft mit dem Gehäuse verbunden ist.
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Die Erfindung beschreibt ein Gehäuse 4 für einen Stellantrieb aufweisend einen Gehäusekörper 5, der einen Gehäuseinnenraum umfasst und einen Gehäusedeckel 7 zum verschließen des Gehäuseinnenraums und das eine Isolierung 2 aus Schaumstein besitzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Isolierung aus Schaumstein
- 3
- Schaumsteinplatten
- 4
- Gehäuse
- 5
- Gehäusekörper
- 6
- Boden
- 7
- Deckel
- 8
- Antriebswelle
- 9
- Abtrieb
- 10
- Außenkontur der Isolierung
- 11
- Halbschalen
- 12
- Schrauben
- 13
- unteres Schaumsteinelement
- 14
- oberes Schaumsteinelement
- 15
- Trennung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014002594 A1 [0011]
- DE 102014216500 A1 [0012]
