DE102007058007A1

DE102007058007A1 - Antriebsanordnung für Ventilvorrichtungen

Info

Publication number: DE102007058007A1
Application number: DE200710058007
Authority: DE
Inventors: Jens Folkmar Andersen; Karsten Schack Madsen; Kenneth Rehhoff
Original assignee: Alfa Laval Kolding AS
Current assignee: Alfa Laval Kolding AS
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2009-06-04
Also published as: CN101883943A; CN101883943B; WO2009071177A1; US8671989B2; EP2215389A1; US20100314563A1

Abstract

Um eine Antriebsanordnung (15) für Ventilvorrichtungen (1) mit einem Schließglied (3), umfassend ein bewegliches Antriebselement (6) zum Herstellen einer Wirkverbindung mit dem Schließglied (3), Vorspannmittel zum Ausüben einer Vorspannkraft auf das Antriebselement (6), um das Schließglied (3) entgegen auf das Schließglied (3) einwirkender Arbeitskräfte in einer Grundstellung, vorzugsweise Schließstellung, zu halten, sowie Antriebsmittel (17, 21), um das Antriebselement (6) entgegen der Vorspannkraft in Richtung der Arbeitskräfte aus der Grundstellung herauszubewegen, mit Blick auf die Nachteile bekannter Antriebsanordnungen zu verbessern, insbesondere, um das Gewicht zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass die Vorspannmittel ein in einem Vorspannbehälter (16) eingeschlossenes kompressibles Fluid, vorzugsweise Druckluft (21), mit einem statischen Druck zum Erzeugen der Vorspannkraft umfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für Ventilvorrichtungen mit einem Schließglied, umfassend ein bewegliches Antriebselement zum Herstellen einer Wirkverbindung mit dem Schließglied, Vorspannmittel zum Ausüben einer Vorspannkraft auf das Antriebselement, um das Schließglied entgegen auf das Schließglied einwirkende Arbeitskräfte in einer Grundstellung, vorzugsweise Schließstellung, zu halten, sowie Antriebsmittel, um das Antriebselement entgegen der Vorspannkraft in Richtung der Arbeitkräfte aus der Grundstellung heraus zu bewegen.
Antriebsanordnungen der vorgenannten Art sind in Form von Ventilantrieben bzw. Ventilaktuatoren das weit verbreitete und übliche Mittel zum Antreiben von Absperrventilen und ähnlichem. Üblicherweise ist als Antriebselement ein mit dem Ventilschaft in Wirkverbindung stehender Antriebskolben vorhanden, welcher innerhalb des meist zylindrischen Antriebsgehäuses in Längsrichtung des Schaftes bewegbar ist. Um im Falle von Schließventilen sicherzustellen, dass das Schließglied mit dem Ventilschaft mit ausreichender Kraft in den Ventilsitz gepresst wird im inaktiven Zustand des Ventils, wird der Antriebskolben herkömmlich durch eine Stahlfeder in der unteren, geschlossenen Stellung gehalten. Die genannte Situation liegt vor bei normalerweise geschlossenen (normally closed – NC) Ventilauslegungen. Bei normalerweise geöffneten (normally open – NO) Ventilauslegungen ist die mittels Federkraft festgehaltene inaktive Ventilstellung die geöffnete Stellung. Zum Öffnen des Ventils wird üblicherweise Druckluft verwendet. Die Druckluft wird in den Raum unterhalb des Aktuatorkolbens durch die Öffnung eines Magnetventils eingebracht. Hierdurch erhöht sich der statische Druck in diesem Raum, sodass der Kolben bei gleichzeitigem weiteren Zusammendrücken der Stahlfeder gehoben wird.
Um einen ausreichenden Sitz des Schließglieds im Ventilsitz sicherzustellen, werden im Stand der Technik schwere Stahlfedern eingesetzt, die vorgespannt und in dem Gehäuse eingefasst sein müssen. Die Einfassung der Feder im Aktuator ist erforderlich, da es anderenfalls schwierig und gefährlich wäre, den Aktuator zu Wartungszwecken zu öffnen.
Nachteilig an der Verwendung von Stahlfedern als Vorspannmittel ist insbesondere die große Masse der Stahlfeder und des erforderlichen Stahlgehäuses, welche zum Einfassen der Stahlfedern dienen. Hierdurch erhält der Ventilantrieb gemäß Stand der Technik eine unerwünscht große Masse. Ein weiterer Nachteil von Stahlfedern als Vorspannmittel gemäß Stand der Technik ist, dass ein Anpassen der Vorspannkraft nicht oder nur mit verhältnismäßig großem Aufwand möglich ist. Dies ist vor allem von Bedeutung mit Blick auf die Abnutzung im Ventilsitzbereich. Ohne die Möglichkeit einer Nachjustierung der Vorspannkraft muss im Stand der Technik die Stahlfeder im Neuzustand so gewählt werden, dass auch nach Abnutzung des Ventilsitzes noch eine ausreichende Anpresskraft erzielt wird.
Ein weiterer Nachteil beim Einsatz einer Stahlfeder als Vorspannelement in gattungsgemäßen Antriebsanordnungen ist, dass die Stahlfeder in dem am wenigsten zusammengedrückten Zustand die für die Anwendung erforderliche Maximalkraft aufbringen muss. Wird hingegen durch Einführung von Druckluft in den Raum unterhalb des Aktuatorkolbens der Kolben gegen die Federkraft geöffnet, erhöht sich, beispielsweise nach dem Hook'schen Gesetz, die Rückstellkraft der Stahlfeder weiter. Es ist somit mit Nachteil ein großer Energieaufwand zum Öffnen des Schließventils erforderlich. Demgegenüber wäre für den Öffnungsvorgang des Ventils idealerweise überhaupt keine Gegenkraft erforderlich, da diese ja dem Öffnungsvorgang entgegenwirkt. Es wird also bei den bekannten Ventilantrieben die kleinste Kraft durch die Stahlfeder vorgehalten, wenn eine große Kraft für die Anwendung erforderlich ist, und auf der anderen Seite die größte Kraft von der Feder geliefert, wenn überhaupt keine Kraft für die Anwendung benötigt würde. Man benötigt daher mit Nachteil ein großes Druckluftvolumen zum Öffnen des Ventils entgegen der Federkraft.
Aus der US 2003/0196615 A1 ist ein Ventilantrieb für ein Einspritzventil für Kfz-Motoren bekannt, bei dem zum Öffnen und Schließen des Ventiltellers eine Kombination aus Druckluft und von Spulen erzeugter Magnetkraft verwendet wird. Die Druckluft wirkt bei diesem Stand der Technik beiderseits der Antriebskolben derart, dass ein pneumatisch neutraler Zustand in einer Mittelstellung des Ventiltellers entsteht. Im geschlossenen Zustand des Ventils besteht hingegen eine pneumatische Rückstellkraft, welche bestrebt ist, das Ventil wieder zu öffnen. Diese Rückstellkraft muss durch die Schließspule magnetisch überwunden werden. Es handelt sich somit bei der bekannten Antriebsanordnung nicht um eine Antriebsanordnung, welche für Absperrorgane geeignet ist, bei denen es auf eine zuverlässige Schließung des Ventils im inaktiven Zustand ankommt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Antriebsanordnung mit Blick auf die Nachteile bekannter Antriebsanordnungen zu verbessern, insbesondere den Energieverbrauch während des Betriebs zu reduzieren, sowie einen optimalen Betrieb der Antriebsanordnung unabhängig von der Abnutzung zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Antriebsanordnung der eingangs genannten Art die Vorspannmittel ein in einem Vorspannbehälter eingeschlossenes kompressibles Fluid, vorzugsweise Druckluft, mit einem statischen Druck zum Erzeugen der Vorspannkraft umfassen.
Erfindungsgemäß kann die Antriebsanordnung auf diese Weise erheblich leichter gestaltet werden, da eine schwere Stahlfeder zum Erzeugen der Vorspannkraft entfällt. Zudem bereitet der Einsatz einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung in bestehenden Industrieanlagen keine Probleme, da Druckluft zum Betreiben der Ventilantriebe gemeinhin verfügbar ist. Im Unterschied zu herkömmlichen Ventilantrieben verwendet man erfindungsgemäß die Druckluftmenge nicht nur zum Bewegen der Ventile aus dem inaktiven (d. h., dem geschlossenen bei normalerweise geschlossene Auslegung des Ventils und dem geöffneten bei normalerweise geöffneter Auslegung des Ventils) Zustand, sondern auch zum permanenten Belassen des Ventils im inaktiven Zustand des Ventils. Die zum Halten des Ventils im inaktiven Schaltzustand verwendete Druckluft ist so zu wählen, dass deren statischer Druck ausreicht, um die benötigte Vorspannkraft des Schließglieds zu erzeugen. Somit wird erfindungsgemäß im Falle eines normalerweise geschlossenen Ventils Druckluft zusätzlich und abweichend vom Stand der Technik zum Halten des Ventils in dessen geschlossener Stellung verwendet. Auf der anderen Seite wird im Falle eines normalerweise geöffneten Ventils Druckluft zusätzlich und abweichend vom Stand der Technik zum Halten des Ventils in dessen geöffneter Stellung verwendet.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Antriebselement einen Zylinder und einen innerhalb des Zylinders um einen Hub bewegbaren Antriebskolben umfasst. Man verwendet also mit Vorteil zum Beispiel zum Geschlossenhalten des Schließglieds eines normalerweise geschlossenen Ventils mit einer vorgegebenen Vorspannkraft das gleiche Prinzip, welches herkömmlich bereits zum Öffnen von Absperrventilen gegen die Federkraft einer Stahlfeder eingesetzt wird. Umgekehrt wird erfindungsgemäß dasselbe Prinzip, welches im Stand der Technik bereits zum Schließen normalerweise geöffneter Ventile gegen die Federkraft einer Stahlfeder eingesetzt wird, mit Vorteil angewendet, um das Schließglied mit einer vorgegebenen Vorspannkraft geöffnet zu halten.
In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung beträgt das Volumen des Vorspannbehälters ein Vielfaches, vorzugsweise mindestens das Vierfache, des Hubvolumens des Antriebselementes. Im Falle eines normalerweise geschlossenen Ventils erreicht man hierdurch den wesentlichen Vorteil, dass die zum Öffnen des Absperrventils erforderliche Kraft im Wesentlichen konstant über den Öffnungshub des Ventils bleibt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Anteil, um den sich das Gesamtvolumens des Vorspannbehälters beim Anheben des Antriebskolbens um dessen Hub verringert, nur gering ist. Daher steigt auch der Gegendruck nur geringfügig über den zum Erzeugen der Vorspannkraft anliegenden Wert an. Somit ist die zum Öffnen des Ventils benötigte Kraft deutlich geringer als bei herkömmlichen, mit einer Stahlfeder vorgespannten Ventilantrieben. Im in der Praxis häufigsten Fall von Druckluft öffnenden Ventilen ergibt sich eine Reduzierung zum Öffnen benötigten Druckluftvolumens, was zu einer Energieeinsparung führt. Umgekehrt ergibt dieses Merkmal im Falle eines normalerweise geöffneten Ventils den wesentlichen Vorteil, daß die zum Schließen des Ventils erforderliche Kraft im wesentlichen konstant bleibt über den Schließzyklus des Ventils.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Vorspannbehälter als Abschnitts des Zylinders ausgestaltet. In diesem Falle entfällt mit Vorteil ein zusätzlich zu dem Ventilantrieb selber benötigter Behälter für die zum Aufbringen der Vorspannkraft erforderliche Druckluft bzw. das sonstige verwendete kompressible Fluid.
Wenn der Vorspannbehälter an einer dem Schließglied abgewandten Seite des Antriebskolbens Anschlussmittel zum Anschließen eines Erweiterungsvorspanngefäßes aufweist, lässt sich in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besonders günstig erreichen, dass das Volumen des Vorspannbehälters deutlich größer als das Hubvolumen des Antriebselementes ist. Dies hat, wie erwähnt, im Falle eines normalerweise geschlossenen Ventils den Vorteil, dass eine annähernd konstante Vorspannkraft beim Öffnen des Ventils erhalten bleibt. Umgekehrt hat dies im Falle eines normalerweise geöffneten Ventils den Vorteil, daß eine näherungsweise konstante Vorspannkraft während des Schließens des Ventils beibehalten wird.
Eine bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, dass die Anschlussmittel zum Anschließen an den Vorspannbehälter einer weiteren, gleichartigen Antriebsanordnung ausgestaltet sind. Hierdurch lassen sich mehrere Ventilantriebe zusammenschalten, wodurch das Gesamtvolumen der die Vorspannkraft erzeugenden Druckluft erhöht wird. Im Falle eines normalerweise geschlossenen Ventils fällt die anteilsmäßige Volumenverringerung durch den Öffnungshub eines einzigen Aktuators dann relativ zu dem Gesamtvolumen der gekoppelten Vorspannbehälter nur wenig ins Gewicht. Durch diese Maßnahme lässt sich besonders einfach die Wirkung einer annähernd konstant bleibenden Vorspannkraft, welche beim Öffnen überwunden werden muss, erzielen. Das Zusammenschalten mehrerer erfindungsgemäßer Antriebsanordnungen wird in der Praxis kaum Probleme bereiten, da in Anlagen gewöhnlich eine Vielzahl von Schließgliedern vorhanden ist. Umgekehrt ist im Falle eines normalerweise geöffneten Ventils die anteilsmäßige Volumenverringerung aufgrund des Schließzyklus eines einzelnen Aktuators im Verhältnis zum Gesamtvolumen der gekoppelten Vorspannbehälter in diesem Falle nur von geringer Bedeutung.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Antriebsmittel Druckluft umfassen. Druckluft ist das gewöhnlich in technischen Anlagen verfügbare pneumatische Antriebsmittel.
Wenn in Ausgestaltung der Erfindung der Vorspannbehälter mit einem Druckanschluss zum Anschließen an eine Druckfluidversorgung, vorzugsweise Druckluftreservoir und/oder -kompressor versehen ist, lässt sich vorteilhaft beispielsweise eine Druckluftmenge zur Erzielung eines gewünschten Vorspanndrucks in den Vorspannbehälter einleiten.
Zweckmäßigerweise ist in weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung der Druckanschluss mit einem Rückschlagventil versehen. Das Rückschlagventil stellt sicher, dass das System ständig unter Druck bleibt. Eine zusätzliche Zufuhr von Druckluft oder anderem unter Druck stehenden Fluid ist damit nur erforderlich, um das System wieder aufzufüllen. Dies ist im Falle eines normalerweise geschlossenen Ventils erforderlich im Falle von Fluidverlusten, bedingt zum Beispiel durch kleine Leckagen oder durch eine betriebsbedingte Öffnung eines Vorspannbehälters.
Wenn in einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Vorspannbehälter mit einem Überdruckventil kommunizierend ausgestaltet ist, kann bei mehreren zusammengeschalteten erfindungsgemäßen Antriebsanordnungen für den Fall, dass sämtliche Ventile gleichzeitig aus ihrer inaktiven Stellung herausbewegt werden müssen, der in diesem Fall auftretende erhebliche Druckanstieg durch die Volumenverringerung des Gesamtvorspannvolumens dieser Überdruck über das erfindungsgemäße Überdruckventil abgeführt werden. Anschließend muss beim Zurückfahren der einzelnen Ventile in diesem Fall selbstverständlich wieder Druckfluid zugeführt werden. Falls nur ein einziger erfindungsgemäßer Aktuator verwendet wird und falls das Volumen des Vorspannbehälters der gleichen Größenordnung wie das Hubvolumen des Antriebselementes ist, lässt sich anhand des Überdruckventils ebenfalls der gewünschte Effekt erzielen, dass eine annähernd konstante Vorspannkraft auch beim Schalten des Ventils aus dessen inaktiver Stellung heraus anliegt, indem beim Schaltvorgang über das entsprechend dimensionierte Überdruckventil Fluid aus dem Vorspannbehälter entweichen kann.
Um einen dem Vorspannbehälter zufließenden Durchfluss an Fluid zu bestimmen, sind in einer Variante der Erfindung Durchflussmessmittel vorgesehen. Hierdurch kann mit Vorteil ein Maß für die Abnutzung des Ventilsitzes oder anderer Fehler, welche eine Leckage hervorrufen, genommen werden.
Ein Druckluftzufuhrventil und ein Überdruckventil können in einem Block ausgeführt sein, um auf besonders einfache Weise eine Rückkopplung beider Ventile durch eine entsprechende Steuerung sicherzustellen. Die Rückkopplung lässt sich manuell, drahtlos oder automatisch auf Basis des Fluiddrucks, welcher in den Vorspannbehältern der Ventilantriebe gemessen wird, realisieren.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gleichermaßen gelöst durch ein Ensemble aus mindestens zwei Antriebsanordnungen nach einer der vorgenannten Arten, wobei die Vorspannbehälter mindestens zweier Antriebsordnungen miteinander kommunizierend ausgestaltet sind.
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
1: ein Schließventil mit einem Antrieb gemäß Stand der Technik in einer Schnittdarstellung
2: schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform bei der ein Ensemble von erfindungsgemäßen Ventilantrieben eingesetzt ist, und
3: ein Kraft-Volumen Diagramm zur Veranschaulichung der Vorteile und Wirkungsweise der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik.
Die 1 zeigt in einer vertikalen Schnittdarstellung ein normalerweise geschlossenes Absperrventil 1 mit einem herkömmlichen Antrieb 2 gemäß Stand der Technik. Das Absperrventil 1 verfügt über einen Ventilteller 3. Der Ventilteller 3 ist mit einem mehrteilig ausgebildeten Ventilschaft 4 verbunden. Der Ventilschaft 4 erstreckt sich durch das Ventilgehäuse 5 zu dem Antrieb 2.
Fest verschraubt mit dem oberen Abschnitt mit dem Ventilschaft 4 ist innerhalb des Antriebs 2 ein Arbeitskolben 6 vorhanden. Der Arbeitskolben 6 ist an der ventilabgewandten, in der Figur oberen Seite, durch eine Stahlfeder 7 nach unten gepresst mit einer Anpresskraft. Hierdurch wird der Ventilteller 3 fest in einen Ventilsitz 8 des Absperrventils 1 gedrückt, um eine feste Absperrung eines ersten Rohrabschnitts 9 von einem zweiten Rohrabschnitt 13 zu gewährleisten. Der Antrieb ist insgesamt als Hohlzylinder 10 ausgestaltet. An einer dem Abführventil 1 zugewandten Seite des Arbeitskolbens 6 befindet sich ein zusammenhängender, ringförmig um den Ventilschaft 4 angeordneter Druckraum 11. Der Druckraum 11 innerhalb des Hohlzylinders 10 ist mit einem Druckluftanschluss 12 versehen zum Befüllen des Druckraums 11 mit Druckluft, um den Arbeitskolben 6 gegen die Federkraft der Stahlfeder 7 nach oben zu bewegen, wodurch der Ventilteller 3 aus dem Ventilsitz 8 angehoben wird, um die Passage eines Fluids oder dergleichen vom ersten Rohrabschnitt 9 zum zweiten Rohrabschnitt 13 zu ermöglichen.
Bei dem herkömmlichen Ventilantrieb 2 ist die Stahlfeder 7 so stark vorgespannt, dass der Ventilteller 3 mit einer vorgegebenen Mindestkraft in den Ventilsitz 8 gepresst wird. Diese Vorspannkraft der Stahlfeder 7 macht es erforderlich, dass der Hohlzylinder 10, der das Gehäuse des Antriebs 2 bildet, aus schwerem Stahlmaterial gefertigt ist. Nachteilig ist beim Betrieb des herkömmlichen Absperrventils 1 über den herkömmlichen Antrieb 2, dass zum Öffnen des Absperrventils 1 der Ventilteller 3 über den Ventilschaft 4 und den damit verbundenen Arbeitskolben 6 gegen die Stahlfeder 7 bewegt werden muss. Hierbei baut sich, z. B. nach dem Hook'schen Gesetz in linearer Abhängigkeit von der Auslenkung eine zusätzliche Rückstellkraft der Stahlfeder 7 auf, welche größer ist als die zum Anpressen benötigte Vorspannung der Stahlfeder 7. Wenn die Gegenkraft so groß wird, dass ein entsprechender, größerer Gegendruck in den Druckraum 11 mit Druckluft nicht mehr aufgebaut werden kann, lässt sich das Ventil 1 gemäß Stand der Technik mit Nachteil nicht mehr vollständig öffnen. Hierdurch wird mit Nachteil im Stand der Technik eine übermäßig große Druckluftmenge im Druckraum 11 benötigt, um die entsprechende Kraft zum Bewegen des Arbeitskolbens gegen die Stahlfeder 7 aufzubringen.
Anhand der 2 wird nachstehend die Erfindung beschrieben. Die 2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform bei der vier Ventilantriebe verwendet werden. Der Fachmann wird erkennen, daß das Funktionsprinzip gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf diese spezielle Anzahl von Ventilantrieben beschränkt ist. Stattdessen ist jede andere Anzahl von Ventilantrieben geeignet. Die Erfindung funktioniert in der Tat besonders gut, wenn eine maximale Anzahl von Ventilantrieben verwendet wird.
Ein Ensemble 14 von vier Ventilantrieben 15a, 15b, 15c, 15d ist schematisch in 2 zu erkennen. Jeder Ventilantrieb 15a, 15b, 15c, 15d weist einen Arbeitskolben 6 auf. Der Arbeitskolben 6 ist, wie auch im Stand der Technik der Fall, fest verbunden mit einem nur schematisch dargestellten Ventilschaft 4. In der Darstellung nicht dargestellt sind die jedem Ventilantrieb 15a, 15b, 15c, 15d zugeordneten Absperrventile. Jeder Ventilantrieb 15a, 15b, 15c, 15d ist als Hohlzylinder 10 ausgestaltet. Im Unterschied zur Situation bei dem Ventilantrieb 2 gemäß Stand der Technik durchdringt der Ventilschaft 4 den Arbeitskolben 6 bei den erfindungsgemäßen Ventilantrieben 15a, 15b, 15c, 15d nicht. Der Arbeitskolben 6 unterteilt den Hohlzylinder 10 in einen ventilabgewandten Druckraum 16 und einen unteren ventilseitigen Druckraum 17.
Der ventilabgewandte Druckraum weist bei jedem Ventilantrieb 15a, 15b, 15c, 15d einen Absperrdruckanschluss 18 auf. Ferner weist der ventilabgewandte Druckraum 16 jedes Ventilantrieb 15a, 15b, 15c, 15d einen zusätzlichen Druckluftanschluss 19 auf.
Der ventilseitige Druckraum 17 weist einen Öffnungsdruckluftanschluss 20 auf. Jeder Öffnungsdruckanschluss 20 ist über ein nicht dargestelltes Magnetventil mit einem Druckluftreservoir bzw. einer Druckluftquelle 21 verbunden.
Der Ventilantrieb 15a ist über den Absperrdruckluftanschluss 18 im ventilabgewandten Druckraum 16 über ein Rückschlagventil 22 und ein stromaufwärts vom Rückschlagventil 22 angeordnetes Maximaldruckversorgungsventil 23 an eine Druckluftquelle 21 verbunden. Die Druckluftquelle 21 kann identisch oder verschieden sein von der Druckluftquelle 21, mit welcher der ventilseitige Druckraum 17 verbunden ist.
Der ventilabgewandte Druckraum 16 des Ventilantriebs 15a ist ferner über einen Überdruckanschluss 24 mit einem Überdruckventil 25 verbunden.
Die Ventilantriebe 15a, 15b, 15c, 15d sind zu einem Ensemble 14 zusammengeschaltet, indem der zusätzliche Druckluftanschluss 19 des ventilabgewandten Druckraums 16 des Ventilantriebs 15a an den Absperrdruckluftanschluss 18 des Ventilantriebs 15b, der zusätzliche Druckluftanschluss 19 des Ventilantriebs 15b an den Absperrdruckluftanschluss 18 des Ventilantriebs 15c sowie der zusätzliche Druckluftanschluss 19 des Ventilantriebs 15c an den Absperrdruckluftanschluss 18 des Ventilantriebs 15d angeschlossen ist. Auf diese Weise kommunizieren die ventilabgewandten Druckräume 16 der Ventilantriebe 15a, 15b, 15c, 15d miteinander, sodass ein Gesamtdruckraum mit dem kumulierten Volumen der vier einzelnen ventilabgewandten Druckräume 16 entsteht.
In der schematischen Darstellung der 2 befindet sich der Ventilantrieb 15a in einem geöffneten Zustand. Dies ist zu erkennen daran, dass der Arbeitskolben 6 gegenüber der Grundstellung gemäß den Ventilantrieben 15a, 15b, 15c, 15d nach oben ausgelenkt ist. Dadurch ist das Volumen des ventilabgewandten Druckraums 16 des Ventilantriebs 15a um den Betrag des Hubvolumens 26 verringert.
Das Ensemble 14 aus erfindungsgemäßen Ventilantrieben 15a, 15b, 15c, 15d wird wie folgt betrieben. Im geschlossenen Grundzustand befinden sich die Arbeitskolben 6 in der Grundstellung wie in der 2 bei den Antrieben 15b, 15c, 15d der Fall. In dieser geschlossenen Stellung werden die Antriebskolben 6 aufgrund des in dem Druckraum 16 herrschenden statischen Druckes, welcher auf den Arbeitskolben 6 einwirkt, gehalten. Der statische Druck im ventilabgewandten Druckraum 16 übernimmt somit erfindungsgemäß die Funktion der Stahlfeder 7 bei dem herkömmlichen Ventilantrieb 2 des Absperrventils 1 gemäß 1 nach Stand der Technik. Hierdurch kann das Gewicht der Ventilantriebe 15a, 15b, 15c, 15d gegenüber dem herkömmlichen Ventilantrieb 2 deutlich reduziert werden, unter anderem da die Stahlfeder 7 entfallen kann. Wenn nun durch Öffnen eines Magnetventils Druckluft in den ventilseitigen Druckraum 17 des Ventilantriebs 15a eingelassen wird, erhöht sich der statische Druck im Druckraum 17 solange, bis der Druck im ventilseitigen Druckraum 17 den statischen Druck, der in den zusammengeschalteten ventilabgewandten Druckräumen 16 des Ensembles 14 vorherrscht, übersteigt. In dieser Situation wird der Arbeitskolben 6 angehoben. Hierdurch öffnet sich über den verbundenen Ventilschaft 4 der in 2 nicht dargestellte Ventilteller 3 aus dem Ventilsitz B.
Durch das Zusammenschalten der Druckräume 16 der beispielhaft dargestellten vier Ventilantriebe 15a, 15b, 15c, 15d zum einen gemeinsamen kumulierten Druckraum ist das Hubvolumen 26, um welcher sich der Druckraum 16 des Ventilantriebs 15a verringert, klein im Verhältnis zu dem kumulierten Gesamtvolumen der vier Druckräume 16 der vier Ventilantriebe 15a, 15b, 15c, 15d. Dies hat den Vorteil, dass die „Auslenkung" der durch den Druckraum 16 gebildeten Luftfeder so gering ist, dass der statische Druck in den kommunizierenden Druckräumen 16 der Antriebe 15a, 15b, 15c, 15d im Wesentlichen unverändert bleibt. Dadurch muss lediglich eine verhältnismäßig kleine Druckluftmenge in den ventilseitigen Druckraum 17 des Ventilantriebs 15a eingebracht werden, um den Arbeitskolben 6 und damit den Ventilteller anzuheben. Der Betrieb eines auf diese Weise zusammengeschalteten Ensembles 14 aus erfindungsgemäßen Ventilantrieben 15a, 15b, 15c, 15d ist somit mit gegenüber dem Stand der Technik verminderten Kosten für Druckluft möglich.
Obwohl das oben beschriebene Ausführungsbeispiel sich auf die Verwendung eines erfindungsgemäßen Ventilantriebs in Verbindung mit einer normalerweise geschlossenen Ventilauslegung bezieht, wird der Fachmann erkennen, daß der Ventilantrieb gemäß der Erfindung gleichermaßen in Verbindung mit einer normalerweise geöffneten Ventilauslegung verwendet werden kann. In diesem Falle sind die Schaltzustände der in 2 gezeigten Ventile lediglich umgekehrt. Das heißt, wenn der erfindungsgemäße Ventilantrieb und wie in 2 dargestellt in Verbindung mit einer normalerweise geöffneten Ventilauslegung verwendet werden soll, befände sich der Ventilantrieb 15a in einer Stellung, um das zugehörige Ventil zu schließen, wohingegen die Ventilantriebe 15b, 15c, 15d sich in einer Stellung befänden, um das zugehörige Ventil zu öffnen. Im letzteren Falle würden die Ventilantriebe 15b, 15c, 15d durch die Luftfeder-Wirkung der verbundenen Druckkammern 16, welche die Stahlfeder herkömmlicher Auslegungen ersetzt, in deren geöffneter Stellung gehalten werden.
In der 3 sind die Druckverhältnisse beim Betrieb eines einzelnen erfindungsgemäßen Ventilantriebs idealisiert gegenübergestellt den Druckverhältnissen eines Ensembles aus mehreren erfindungsgemäßen Ventilantrieben, bei denen die ventilabgewandten Druckräume 16 über die Druckluftabschluss 18, 19 miteinander kommunizierend geschaltet sind.
In der 3 ist ein Diagramm mit einer Kraftachse 27, welche die im Druckraum 16 herrschenden Druckverhältnisse widerspiegelt, sowie eine Volumenachse 28 zu erkennen. Auf der Volumenachse 28 ist das Volumen V₀ des Druckraums 16 bei geschlossenem Ventil aufgetragen. Ebenfalls auf der Volumenachse 28 ist das Volumen V₁, welches der Druckraum 16 des Ventilantriebs 15a bei geöffnetem Ventil aufweist, aufgetragen. Die zu den Volumina V₀, V₁ gehörenden Kraftwerte sind auf der Kraftachse 27 aufgetragen. Die Wertepaare sind anhand der Kurven 29, 30, 31 aufgetragen.
Im Falle der Kurve 29 ist, abweichend von der in 2 dargestellten Situation, ein erfindungsgemäßer Ventilantrieb 15 in Alleinstellung betrieben. In diesem Falle ist über den zusätzlichen Druckluftanschluss 19 kein weiterer Ventilantrieb mit dem ventilabgewandten Druckraum 16 zusammengeschaltet. Kurve 29 entspricht einer Situation, bei der eine konstante Temperatur T1 in der Druckammer vorherrscht.
Bei dieser Betriebsart erhöht sich beim Verfahren des Arbeitskolbens 6 zum Öffnen des Ventils die auf den Arbeitskolben 6 wirkende Gegenkraft entsprechend der Kurve 29. Zu erkennen ist, dass im Grundzustand, zugehörend zu dem Volumen V₀, die Kurve 29 einen Kraftwert F₀ aufweist, welcher der im geschlossenen Zustand benötigten Anpresskraft des Ventiltellers in dem Ventilsitz entspricht.
Beim Öffnen des Ventils verringert sich das Volumen des Druckraums 16 von dem Wert V₀ entlang der Kurve 29 hin zu dem Volumenwert V₁. Dies führt zu einer Erhöhung des Kraftwertes bis zu dem Wert F₁, welcher auf den Arbeitskolben 6 wirkt aufgrund der Druckerhöhung, wenn der Arbeitskolben 6 sich in der obersten, geöffneten Stellung befindet. Zum Öffnen des Ventils muss daher in den ventilseitigen Druckraum 17 eine entsprechend große Menge Druckluft eingebracht werden, um die Kraft F₁ zu überwinden. Unvorteilhafterweise ist die Kraft F₁ größer als die Kraft F₀, obwohl die Kraft F₀ bereits den maximal erforderlichen Anpressdruck auf den Ventilteller sicherstellt.
In der Kurve 30 sind entsprechende Verhältnisse wie bei Kurve 29 aufgetragen. Abweichend von Kurve 29 herrscht jedoch bei Kurve 30 eine höhere Temperatur T2 der Druckluft im Druckraum 16. Dies führt im Falle der Kurve 30 dazu, dass zum vollständigen Öffnen des Ventils, entsprechend einem Volumen V₁ im Druckraum 6, nunmehr die Kraft F₂ aufgebracht werden muss. Die Kraft F₂ ist größer als die Kraft F₁, welche wie erläutert größer ist als die Kraft F₀.
Demgegenüber ist in der Kurve 31 die Situation dargestellt, die sich ergibt, wenn gemäß der Erfindung mehrere erfindungsgemäße Antriebe 15a, 15b, 15c, 15d zu einem Ensemble 14 über die entsprechenden Druckeinflüsse 18, 19 zusammengeschaltet sind. Es ist in dieser idealisierten Darstellung zu erkennen, dass die zu dem Volumenwert V₁ im geöffneten Zustand gehörende Gegenkraft F₀' nur geringfügig größer ist als die Grundgegenkraft F₀. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Hub, also die Differenz V₀ – V₁, im Verhältnis zu dem Gesamtvolumen von vier zusammengeschalteten Antrieben, entsprechend 4·V₀, sehr gering ist. Nach praktischem Ermessen ergibt sich somit ein annähernd konstanter Kraftwert, sodass die Gegenkraft bei V₁ sich nur unwesentlich von der Gegenkraft bei V₀ unterscheidet.
Somit ist gemäß der Erfindung ein verbesserter Antrieb insbesondere für Schließventile vorgeschlagen, welcher leichter gebaut werden kann als herkömmliche Ventilantriebe und welcher kostengünstig betrieben werden kann. Durch die Verwendung einer „Luftfeder" kann zudem die Federkraft im geschlossenen Zustand des Ventils an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst werden, um möglichst sparsam mit Druckluft umzugehen.

1: Absperrventil
2: Antrieb
3: Ventilteller
4: Ventilschaft
5: Ventilgehäuse
6: Arbeitskolben
7: Stahlfeder
8: Ventilsitz
9: erster Rohrabschnitts
10: Hohlzylinder
11: Druckraum
12: Druckluftanschluss
13: zweiter Rohrabschnitt
14: Ensemble
15a: erfindungsgemäßer Ventilantrieb
15b: erfindungsgemäßer Ventilantrieb
15c: erfindungsgemäßer Ventilantrieb
15d: erfindungsgemäßer Ventilantrieb
16: ventilabgewandter Druckraum
17: ventilseitiger Druckraum
18: Absperrdruckluftanschluss
19: zusätzlicher Druckluftanschluss
20: Öffnungsdruckluftanschluss
21: Druckluftquelle
22: Rückschlagventil
23: Maximaldruckversorgungsventil
24: Überdruckanschluss
25: Überdruckventil
26: Hubvolumen
27: Kraftachse
28: Volumenachse
29: Betriebskurve bei isoliertem Betrieb eines erfindungsgemäßen Antriebs bei Temperatur T1
30: Betriebskurve bei isoliertem Betrieb eines erfindungsgemäßen Antriebs bei Temperatur T2, mit T2 > T1
31: Betriebskurve (idealisiert) bei Betrieb eines Antriebsensembles aus gekoppelten erfindungsgemäßen Antrieben

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

- US 2003/0196615 A1 [0006]

Claims

Antriebsanordnung (15) für Ventilvorrichtungen (1) mit einem Schließglied (3), umfassend ein bewegliches Antriebselement (6) zum Herstellen einer Wirkverbindung mit dem Schließglied (3), Vorspannmittel zum Ausüben einer Vorspannkraft auf das Antriebselement (6), um das Schließglied (3) entgegen auf das Schließglied (3) einwirkender Arbeitskräfte in einer Grundstellung, vorzugsweise Schließstellung, zu halten, sowie Antriebsmittel (17, 21), um das Antriebselement (6) entgegen der Vorspannkraft in Richtung der Arbeitskräfte aus der Grundstellung herauszubewegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel ein in einem Vorspannbehälter (16) eingeschlossenes kompressibles Fluid, vorzugsweise Druckluft (21), mit einem statischen Druck zum Erzeugen der Vorspannkraft umfassen.
Antriebsanordnung (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (6) einen Zylinder (10) und einen innerhalb des Zylinders (10) um einen Hub (26) bewegbaren Antriebskolben (6) umfasst.
Antriebsanordnung (15) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Vorspannbehälters (16) ein Vielfaches, vorzugsweise mindestens das Vierfache, des Hubvolumens (26) des Antriebselements (6) beträgt.
Antriebsanordnung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorspannbehälter (16) als Abschnitt des Zylinders (10) ausgestaltet ist.
Antriebsanordnung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorspannbehälter (16) an einer dem Schließglied (3) abgewandten Seite des Antriebselements (6) Anschlussmittel (19) zum Anschließen eines Erweiterungsvorspanngefäßes aufweist.
Antriebsanordnung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Anschlussmittel (19) zum Anschließen an den Vorspannbehälter (16) einer weiteren, gleichartigen Antriebsanordnung (15) ausgestaltet sind.
Antriebsanordnung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmittel Druckluft umfassen.
Antriebsanordnung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorspannbehälter (16) mit einem Druckanschluss (18) zum Anschließen an eine Druckfluidversorgung (21), vorzugsweise Druckluftreservoir und/oder Kompressor, versehen ist.
Antriebsanordnung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckanschluss (18) mit einem Rückschlagventil (22) kommunizierend ausgestaltet ist.
Antriebsanordnung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorspannbehälter (16) mit einem Überdruckventil (25) kommunizierend ausgestaltet ist.
Antriebsanordnung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Durchflussmessmittel vorgesehen sind, um einen dem Vorspannbehälter (16) zufließenden Durchfluss an Fluid zu bestimmen.
Ensemble aus mindestens zwei Antriebsanordnungen (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannbehälter (16) mindestens zweier Antriebsanordnungen (15) miteinander kommunizierend ausgestaltet sind.