DE7437685U - Pneumatischer Antrieb - Google Patents

Description

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C7-O311 Ge 9. November 1974

HONEYWELL GmbH 6000 Frankfurt am Main

Pneumatischer Antrieb

Die Neuerung 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 Federdruckbereich bestimmt, gegeAiSie 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-Hz /Kö.

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ventile vorzugsweise von unten, d.h. gegen den Kegel und gegen die Schließkraft der Federn angeströmt werden, sollte die Vorr.pannkraft 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 O.>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 Neuerung 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 Neuerung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Neuerung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

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

Figur 1 ein Schnittbild des neuerungsgemäßen pneumatischen Antriebes und

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

Gemäß Figur 1 besteht das Gehäuse des Ventilantriebes 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 Föderteller 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 äie durch die Membran 3 und die obere Gehäusehälfte 1 abgeschlossene Kammer 28a ein kompressibles 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 Gehäi sehälfte 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-Steilung. Die Membran ist hierbei so auszubilden, daß eine zuverlässige Abdichtung an der Antriebsstange erreicht wird, so daß ein Übertritt des Steuemediums von der einen auf die andere Seite der Membran mit Sicherheit vermieden wird. Zwei von unten in die untere Gehäusehälfte 2 hineinragende Gehäusestangai 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 12

gestattet in Verbindung mit einer Skala 13 an der Gehäu^estange 9 den Hub des Antriebes abzulesen. Die Verbindung des Ventilantriebes mit dem Gehäuse eines Ventiles 31 erfolgt gemäß Figur λ 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 6 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 c*or 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 anter Druck stehenden Gas zu füllen.

Da eine aßsolute 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 Kammerdruck.es. Die Luftleistung 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 neuerungsgemäßen Ventilantriebes ergibt sich folgende Wirkungsweise:

Wenn man davon ausgeht, daß in der Geschlossen-Stellung des Ventils, d.h., bei maximalem oberen Kaitunervolumen,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 erfolgen^kann 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 v/erden 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 not- wendig, 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 kann, wobei beim Ausfall der Hilfsenergie Schließkräfte zu erreichen sind, wie sie bisher idt Antrieben üblicher Größe nicht realisiert werden konnten.

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Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß der pneumatische Antrieb gemäß der Neuerung 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 neuerungsgemäßen Ventilantriebes _fwie beispielsweise die Bereichsverschiebung für das Steuersignal und die Nichtlinearität zwischen Steuersignal und Antriebshub sind im Stand der Technik _auct|g3geben 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 FaI₁Ie 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 (6)

4t99«f · · · · IKI 11 « · ·«» < · Schutzansprüche

1. Pneumatischer Antrieb, insbesondere Ventilantrieb, mit einem durch eine Membran 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 ^st, dadurch gekennzeichnet, daß die die Federn (26a;26b) enthaltende Kammer (28a;28b) luftdicht abgesch ossen ist.

2. Pneumatischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die die Federn (26a;26b) entnaltende Kammer (28a;28b) über ein Druckminderventil (22) und ein Rückschlagventil (21) an die Zuluft angeschlossen ist.

3. Pneumatischer Antrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anschläge (27,29) zur Begrenzung des Membranhube?.

4. Pneumatischer Antrieb nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsstange (6) mit ihrem vorderen Ende (27) einen ersten mit der oberen Gehäusehälfte (1) zusammenwirkenden, den Weg der Membran ,(3) nach oben begrenzenden Anschlag und zwei von unten in die untere Gehäusehälfte (2) hineinragenden Gehäusestangen (9) n t ihren Stirnflächen (29) einen zweiten Weg der Membran (3) nach unten begrenzenden Anschlag bilden.

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5. Pneumatischer Antrieb nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompressionsverhältnis - 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.

6. Pneumatischer Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (3) zwischen zwei symmetrisch zueinander angeordneten Federtellern (4,5) eingespannt ist.

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