DE2453575A1

DE2453575A1 - Pneumatischer antrieb

Info

Publication number: DE2453575A1
Application number: DE19742453575
Authority: DE
Inventors: Hans Engel; Klaus Weber
Original assignee: Honeywell GmbH
Current assignee: Honeywell GmbH
Priority date: 1974-11-12
Filing date: 1974-11-12
Publication date: 1976-05-13
Also published as: GB1481149A; FR2291386A1

Description

07-0311 Ge 9. November 1974

HONEYWELL GmbH 6000 Frankfurt am Main

Pneumatischer Antrieb

Die Erfindung betrifft einen pneumatischen Antrieb/ insbesondere Ventilantrieb,mit einem durch eine Membran in zwei Kammern unterteilten Gehäuse, wobei die Membran sich auf der einen Seite über in der einen Kammer angeordnete Federn gegen das Gehäuse abstützt und auf der anderen Seite von einem in die andere Kammer eingeleiteten Steuerdruck beaufschlagt ist.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 911 002 ist ein pneumatischer Antrieb für ein Ventil bekanntgeworden, der sich durch eine gedrungene Bauweise auszeichnet. Durch das Einsetzen einer oder mehrerer Federn zwischen einem Membranteller und dem Gehäuse wird der Federdruckberei ch bestimmt/ gege-ir^e&e von der anderen Seite des Membrantellers wirkende Steuerluft arbeiten muß. Im allgemeinen müssen neben dem Standardbereich von 0,2 bis 1,0 bar der notwendig ist, um den Nennhub des Antriebes zu durchfahren, Antriebe mit Bereichen von 0,4 bis 2,0 bar bzw. 0^.8 bis 2,4 bar lieferbar sein. Dies hängt damit zusammen, daß die meisten aller'Regelventile mit pneumatischem Antrieb revers betrieben werden. Dies bedeutet, daß bei Ausfall der Hilfsenergie, d.h. der Steuerluft,das Ventil selbsttätig in die Geschlossen-Steilung gehen muß. Da die Regel-

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ventile vorzugsweise von unten, d.h. gegen den Kegel und gegen die Schließkraft der Federn angeströmt werden, sollte die Vorspannkraft der Federn in der Geschlossen-Stellung des Ventils möglichst groß sein. Die Vorspannkraft kann überschlagsweise durch die Multiplikation von wirksamer Membranfläche χ Steuerdruck, bei dem das Ventil gerade vom Sitz abhebt, berechnet werden. Dieser Startpunkt revers arbeitender Ventile liegt üblicherweise zwischen 0,2 und 0,, 8 bar. Höhere Schließkräfte sind kaum zu verwirklichen, weil bei überdimensionierten Federn, d.h. Federn mit großer Federkonstante, der Steuerdruckbereich zu sehr nach oben verschoben wird. Andererseits ist es kaum möglich, Federn zu fertigen, die eine genügend hohe Vorspannung erzeugen, deren Federkonstante aber nur sehr gering ist. Solche Federn neigen zum Ausknicken und sie führen zudem zu einer großen Bauhöhe des Ventilantriebes .

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen pneumatischen Antrieb der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß ohne wesentliche Vergrößerung der Bauhöhe und ohne unzulässige Verschiebung des Steuerdruckbereiches nach oben die Schließkraft des Antriebs bei Ausfallen des Steuerdrucks wesentlich erhöht werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Figur 1 ein Schnittbild des erfindungsgemäßen pneumatischen Antriebes und

Figur 2 in einer Ansicht den erfindungsgemäßen Ventilantrieb in Zusammenarbeit mit einem Ventil.

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Gemäß Figur 1 besteht das Gehäuse des Ventilaiitriebes aus zwei symmetrisch angeordneten Hälften 1 und 2, welche zwischen sich eine Rollmembran 3 einspannen. Die Rollmembran 3 wird durch Verschrauben der beiden Gehäusehälften 1 und 2 an ihrem äußeren Flanschrand zuverlässig abgedichtet. Im Zentrum wird die Membran durch einen oberen Federteller 4 und einen unteren Federteller 5, die ebenfalls symmetrisch zueinander ausgebildet sind, auf einem Absatz 24 auf einer Antriebsstange 6 über eine Unterlegscheibe 7 und zwei flache Muttern 8 verspannt. Ein Anschlagende 27 der Antriebsstange 6 kann in Bezug auf diese verstellbar sein und dient als Anschlag,der bei einer Bewegung der Membran nach oben an der oberen Gehäusehälfte 1 zur Anlage gelangt. Konzentrisch zur Antriebsstange 6 angeordnete Federn 26a stützen sich einerseits an dem Federteller 4 und andererseits an der oberen Gehäusehälfte 1 ab. Über einen Gewindeanschluß 15a und ein in diesen eingeschraubtes Rückschlagventil 21 kann^x§ie durch die Membran 3 und die obere Gehäusehälfte 1 abgeschlossene Kammer 28a ein kompressiblas Gas eingefüllt werden. Als ein solches Gas eignet sich z.B. Stickstoff. In diesem .Fall wird in die durch die Membran 3 und die untere Gehäusehälfte 2 abgeschlossene untere Gehäusekammer 28b über einen Gewindeanschluß 15b der Steuerdruck zugeführt. Der Steuerdruck arbeitet somit sowohl gegen die Federn 26a als auch gegen das komprimierte Gas in der oberen Kammer 28a. Beim Ausfall der Steuerluft bringen die Federn 26a zusammen mit dem in der oberen Kammer 28a unter Druck stehenden Medium den Ventilantrieb in die Geschlossen-Stellung. Die Membran ist hierbei so auszubilden, daß eine zuverlässige Abdichtung an der Antriebsstange erreicht wird, so daß ein übertritt des Steuermediums von der einen auf die andere Seite der Membran mit Sicherheit vermieden wird. Zwei von unten in die untere Gehäusehälfte 2 hineinragende Gehäusestangen-9 bilden mit ihren vorderen Stirnflächen 29 einen Anschlag für den Federteller 5 bei der Bewegung der Membran nach -unten. Auch diese Anschläge 29 sind vorzugsweise einstellbar auszuführen. Die Antriebsstange 6 und eine Ventilstange 10 werden durch ein Klemmstück 11 verbunden. Ein an dem Klemmstück 11 angebrachter Hubzeiger

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gestattet in Verbindung mit einer Skala 13 an der Gehäusestange den Hub des Antriebes abzulesen. Die Verbindung des Ventilantriebes mit dem Gehäuse eines Ventiles 31 erfolgt gemäß Figur 2 über eine Traverse 30 und die beiden Gehäusestangen 9, die durch Muttern 14 gehalten werden» In der unteren Gehäusehälfte 2 ist ein Dichtungsträger 16 zur dichtenden Führung der Antriebsstange vorgesehen. Der Dichtungsträger 16 wird stangenseitig über einen O-Ring 17 und gegenüber dem Gehäuse durch einen weiteren O-Ring 18 abgedichtet. Ein Abstreifring 19 verhindert, daß Schmutz den O-Ring 17 beschädigen kann. Der Dichtungsträger 16 wird- im Gehäuse 2 durch einen Sicherungsring 20 gehalten.

Soweit der Ventilantrieb bisher beschrieben wurde, ist er für den reversen Betrieb eines Ventils vorgesehen, d.h., die Steuerluft in der unteren Kammer 28b dient der Öffnung des Ventils gegen die Federn 26a und das in der oberen Kammer 28a enthaltene Gaspolster. Beim Ausfall der Steuerluft wird das Ventil durch die Feder 26a und das in der oberen Kammer 28a enthaltene unter Druck stehende Gas geschlossen. Die auf diese Weise realisierte Schließkraft des Antriebes ist groß genug, um der durch das strömende Medium in dem Ventil auf den Ventilkegel ausgeübten Öffnungskraft entgegenzuwirken. Bei einer direkten Betriebsweise des Ventilantriebes werden Federn 26b zwischen dem unteren Federteller 5 und der unteren Gehäusehälfte 2 angeordnet, und die Steuerluft wird über den Gewindeanschluß 15a in der oberen Gehäusehälfte 1 zugeführt. In diesem Fall entfällt die Notwendigkeit, die untere Kammer 28b zusätzlich mit einem unter Druck stehenden Gas zu füllen.

Da eine absolute Dichtheit in der oberen Kammerhälfte meistens mit einem höheren Eertigungsaufwand verbunden ist, kann es zweckmäßig sein, das Rückschlagventil 21 ständig mit einer Hilfsenergiezuleitung zu verbinden, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. Ein Einstell- bzw. Druckminderventil 22 gestattet hierbei eine Regulierung

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des oberen Kammerdruckes. Die Luftleistang dieses Ventils ist so bemessen, daß mit Sicherheit nur die auftretenden Leckagen in der oberen Kammer ersetzt werden. In Verbindung mit einem Stellungsregler 23 ist somit eine genau proportionale Regelung des Ventilhubes möglich.

Aus dem vorstehend beschriebenen Aufbau des erfindungsgemäßen Ventilantriebes ergibt sich folgende Wirkungsweise: Wenn man davon ausgeht, daß in der Geschlossen-Stellung des Ventils, d.h., bei maximalem oberen Kammervolumen,ein eingesperrter Druckvon 1,0 bar herrscht, so muß dieser Druck beim Hochfahren der Antriebsstange durch die stattfindende Verdichtung zunehmen. Da die Antriebsbewegungen in der Praxis sehr langsam erfolgep_vkann man von isothermischen Verhältnissen ausgehen, d.h., das Produkt aus Druck und Volumen bleibt konstant. Um diese Verdichtung in der oberen Gehäusehälfte nicht zu groß werden zu lassen, muß ein gewisser Totraum übrigbleiben. Als ungefährer Richtwert kann ein " Verdichtungsverhältnis von ca. 1,5 bis 2:1 angenommen werden. Das bedeutet im ungünstigsten Fall, daß der Druck in der- oberen Membrankammerhälfte bis auf 2 bar steigt. Auf der unteren Membranseite ist darum zum Durchfahren des vollen Hubes ein Druck notwendig, der mindestens so groß ist wie die Summe aus dem komprimierten Druck auf der oberen SeiteP^^uäer Differenz aus dem Federbereich, z.B. 1,0 bar - 0,2 bar =0,8 bar^pluäer auftretenden Reibung . Zusammengerechnet ergibt dies einen Druck von ca. 3 bar. Für die gängigsten Stellungsregler beträgt der maximale Zuluftdruck 3,5 bis 4,0 bar, der Im Interesse einer hohen Luftleistung und einer guten Ansprechempfindlichkeit auch ausgenutzt wird. Das 'bedeutet, daß der erfindungsgemäße Antrieb unter ganz normalen Verhältnissen betrieben werden ka-nn, wobei beim Ausfall der Hilfsenergie Schließkräfte zu erreichen sind, wie sie bisher nit Antrieben üblicher Größe nicht realisiert werden konnten.

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Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß der pneumatische Antrieb gemäß der Erfindung gegenüber bisher bekannten pneumatischen Antrieben einige wesentliche Vorteile aufweist. So wird unter anderem nur ein Federtyp benötigt und die Anzahl der zu verwendenden Federn bleibt stets gleich. Gegenüber herkömmlichen Antrieben mit gleicher Schließkraft ergibt sich eine wesentliche Gewichtsersparnis. Für den gleichen Anwendungsfall kommt man somit gleichzeitig mit einem, kleineren und billigeren Antrieb aus. Der erfindungsgemäße Antrieb gestattet zudem eine beliebige Einstellung auf einen bestimmten Druck innerhalb gewisser Grenzen.

Etwaige nachteilige Eigenschaften des erfindungsgemäßen Ventilantriebes _#wie beispielsweise die Bereichsverschiebung für das Steuersignal und die Nichtlinearität zwischen Steuersignal und Antriebshub sind im Stand der Technik _aucwgegeben bzw. fallen nicht ins Gewicht. Die Bereichsverschiebung ergibt sich beispielsweise auch beim Einsetzen stärkerer Federn. Liegt der Endpunkt des Steuersignals, der zum Durchfahren des Hubes notwendig ist, über l,3bar, so muß in jedem Falle ein Stellungsregler mit höherem Zuluftdruck verwendet werden, da das Reglerausgangssignal nicht höher als ca. 1,3 bar liegt. Unter der Voraussetzung, daß ein Stellungsregler verwendet werden muß, spielt auch die Nichtlinearität keine Rolle mehr, da bei Verwendung eines Stellungsreglers die Abhängigkeit des Hubes vom Steuersignal alleine von der Charakteristik des Stellungsreglers bestimmt wird.

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Claims

Patentansprüche

/1·)Pneumatischer Antrieb, insbesondere Ventilantrieb, mit einem durch eine Membran in zwei Kammern unterteiltenGehäuse, wobei die Membran sich auf ' der einen Seite über in der einen

Kammer angeordnete Federn gegen das Gehäuse abstützt und auf der anderen Seite von einem in die andere Kammer eingeleiteten Steuerdruck beaufschlagt ist, dadurch . gekennzeichnet , daß die die Federn (26a) enthaltende Kammer (1) mit einem Gas unter definiertem Druck gefüllt ist.
2. Pneumatischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die das Gas unter definiertem Druck enthaltende Kammer (1) hermetisch abgeschlossen und mit Stickstoff gefüllt ist.
3. Pneumatischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (1) von der Zuluft über ein Druckminderventil (22) und ein Rückschlagventil (21) gespeist wird.
4. Pneumatischer Antrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anschläge (27,29) zur Begrenzung des Membranhubes .
5. Pneumatischer Antrieb nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Antriebsstange^6) mit ihrem vorderen Ende (27) einen ersten mit der oberen Gehäusekammer (].) zusammenwirkenden, den Weg der Membran (3) nach oben begrenzenden Anschlag und zwei von unten in die untere Gehäuse-

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kammer (2) hineinragenden Gehäusestangen (9) mit ihren Stirnflächen (29) einen zweiten den Weg der Membran (3) nach unten begrenzenden Anschlag bilden.
6. Pneumatischer Antrieb nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompressionsverhäitnis - gegeben durch das Volumen der Gehäusekammer (28a) in der unteren Endstellung der Membran (3) dividiert durch das Volumen der Gehäusekammer (28a) in der oberen Endstellung der Membran (3) - den Wert 2 nicht übersteigt.
7. Pneumatischer Antrieb nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Druck von ca. 1 bar des eingefüllten Mediums bei größtem Volumen der Gehäusekammer (2 8a).
8. Pneumatischer Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet t daß die Membran (3) zwischen zwei symmetrisch zueinander angeordneten Federtellern(4,5) eingespannt ist.

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