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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventilantrieb für ein Ventil, vorzugsweise ein Gasventil. Der Ventilantrieb weist ein Ventilschließmittel auf, das ein Ventilverschlussglied mit einer Schließkraft in Richtung eines Ventilsitzes beaufschlagt. Der Ventilantrieb dient. zur Bewegung des Ventilverschlussglieds gegen die Schließkraft des Ventilschließmittels vom Ventilsitz weg, um das Ventil teilweise oder vollständig zu öffnen und eine Fluidströmung, insbesondere eine Gasströmung zu ermöglichen. Die Schließbewegung und die Schließkraft werden vorzugsweise ausschließlich durch das Ventilschließmittel aufgebracht, das beispielsweise von einer Federanordnung, insbesondere wenigstens einer Schraubenfeder gebildet sein kann. Der Ventilantrieb weist einen Antriebsmotor auf, der das Ventilverschlussglied über ein Getriebe beaufschlagen und bewegen kann.
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Ein Ventil in Form eines Gasventils mit einem Ventilantrieb ist beispielsweise aus der
EP 2 228 573 A1 bekannt. Dort sind verschiedene Ausführungsformen von Ventilen dargestellt, die jeweils eine Freilaufeinrichtung aufweisen. Die Freilaufeinrichtung dient dazu, beim schnellen Schließen des Ventils keine Schließkraft auf das Ventilschlussglied auszuüben, die unzulässig groß ist und das Ventilverschlussglied oder den Ventilsitz beschädigen und damit die Dichtheit des Ventils beeinträchtigen könnte. Wird der Antriebmotor in Schließrichtung des Ventils betätigt führt die Freilaufeinrichtung des Ventils dazu, dass sich der Antriebsmotor und die anderen bewegten Teile auch nach dem Aufsetzen des Ventilverschlussgliedes auf dem Ventilsitz weiter bewegen können, ohne eine zusätzliche Kraft auf das Ventilverschlussglied zu übertragen. Die bewegten Teile, beispielsweise der Rotor eines Elektromotors, können daher auslaufen und langsam abgebremst werden, ohne dass ein Schaden oder ein erhöhter Verschleiß am Ventilverschlussglied oder am Ventilsitz zu befürchten sind. Die EP 2 228 573 A1 offenbart verschiedene Ausführungsformen von Freiläufen, wobei das Ventilgetriebe z. B. eine Rollenkette oder eine Getriebelose aufweisen kann. Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt ein Spindelgetriebe mit einer Gewindespindel und einer Spindelmutter, wobei die Gewindespindel an einem das Ventilverschlussglied tragenden Ventilstößel in axialer Richtung anliegt und somit zwar eine Druckkraft entgegen der Schließkraft des Ventilschließmittels ausüben kann, sich jedoch in entgegengesetzter Richtung zur Bildung des Freilaufs vom Ventilstößel abheben kann, sobald das Ventilverschlussglied am Ventilsitz anliegt.
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Problematisch ist hierbei, dass beschriebenen Freiläufe dazu führen, dass der Ventilantrieb nach dem Schließen des Ventils in einer nicht definierten Stellung zum Stillstand kommt. Beim erneuten Öffnen des Ventils ist daher zunächst ein Leerweg zu überwinden, bevor die Öffnungsbewegung des Ventilantriebs auch tatsächlich zum Abheben des Ventilverschlussgliedes vom Ventilsitz führt. Das Öffnen erfolgt daher zeitverzögert, wenn eine Ventilöffnung angefordert wird. Es hat sich gezeigt, dass dies bei Brennstoffventilen, insbesondere Gasventilen, zu Schwierigkeiten mit den nachgeschalteten Brennern führen kann. Für eine gewisse Zeit werden im Brenner Zündversuche durchgeführt. Kommt innerhalb dieser Zeitspanne kein zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer an, werden die Zündversuche mit einer Fehlermeldung abgebrochen. Ein verzögertes öffnen des Brennstoffventils kann daher dazuführen, dass das Zünden und damit der Start der Verbrennung nicht erfolgreich verläuft.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung das bekannte Ventil zu verbessern, und insbesondere die Reaktionszeit des Ventils zu verringern, wenn eine Anforderung zum Öffnen des Ventils vorliegt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Ventil mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 oder durch ein Ventil mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Ventilantrieb weist einen Antriebsmotor auf, der vorzugsweise als Elektromotor und insbesondere als Schrittmotor ausgebildet ist. Über den Antriebsmotor wird ein Abtriebsteil eines Ventilgetriebes bewegt, das bei der ersten erfindungsgemäßen Lösung Bestandteil eines Spindelgetriebes ist. Beispielsweise dient als Antriebsteil eine Gewindespindel. Der Antriebsmotor treibt ein Antriebsteil des Ventilgetriebes an, insbesondere die Spindelmutter. Zwischen dem Antriebsmotor und dem Antriebsteil ist bei der ersten erfindungsgemäßen Lösung eine Freilaufkupplung angeordnet, die insbesondere als Hülsenfreilauf ausgeführt ist. Die Freilaufkupplung ist vorzugsweise koaxial zwischen Spindelmutter und Rotor des Elektromotors angeordnet. Die Freilaufkupplung lässt lediglich eine Drehmomentübertragung in einer Drehrichtung zu, wenn der Antriebsmotor zum Öffnen des Ventils das Ventilverschlussglied gegen die Schließkraft des Ventilschließmittels beaufschlagt. Bei einer Drehung des Antriebsmotors in die entgegengesetzte Richtung erfolgt über die Freilaufkupplung keine Drehmomentübertragung auf das Antriebsteil des Spindelgetriebes. Das Schließen des Ventilverschlussgliedes erfolgt ausschließlich mit Hilfe des Ventilschließmittels.
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Eine solche Freilaufkupplung hat den Vorteil, dass das Abtriebsteil des Spindelgetriebes, das den Ventilstößel mit dem Ventilverschlussglied beaufschlagt, in jeder Stellung des Ventilverschlussgliedes mit dem Ventilstößel in Kontakt sein kann oder dass zumindest der Abstand zwischen Ventilstößel und Ventilverschlussglied begrenzt werden kann. Es ist auch möglich den Ventilstößel und das Abtriebsteil fest miteinander zu verbinden bzw. als gemeinsames Bauteil auszuführen. Der nach dem Erreichen der Schließstellung des Ventilverschlussgliedes zur Vermeidung einer unerwünscht hohen Schließkraft erforderliche Freilauf wird durch die Freilaufkupplung zwischen Antriebmotor und Spindelgetriebe erreicht. Die Freilaufkupplung arbeitet vorzugsweise stufenlos. Wird nach dem Schließen des Ventils mit einem von der Freilaufkupplung bewirkten Freilauf des Abtriebsteils der Antriebsmotor zum erneuten Öffnen des Ventils betätigt, erfolgt die Drehmomentübertragung durch die Freilaufkupplung sofort ohne merklichen Leerweg. Dadurch wird nahezu verzögerungsfrei eine Bewegung des Abtriebsteils bewirkt, die unmittelbar in eine Bewegung des des Ventilverschlussgliedes umgesetzt. Große Leerwege und damit verbundene Zeitverzögerungen beim Öffnen des Ventils entfallen. Fehlerhafte Zündversuche in einer Brennkammer eines Brenners können auf diese Weise vermieden werden.
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Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung wird auf die Freilaufkupplung zwischen dem Elektromotor und dem Ventilgetriebe verzichtet. Dort wird der Freilauf dadurch realisiert, dass sich das Abtriebsteil nach dem Erreichen der Schließstellung des Ventilverschlussgliedes von dem Ventilstößel entfernen kann. Um beim Öffnen nicht zuerst einen großen Leerweg zurücklegen zu müssen, kann das Abtriebsteil nach dem Stillstand des Elektromotors in eine Ausgangsstellung zurückbewegt werden, in der es am Ventilverschlussglied anliegt oder lediglich einen geringen Abstand aufweist, der kleiner ist als ein vorgegebener Maximalabstand. Hierfür ist dem Elektromotor ein wiederaufladbarer Energiespeicher, insbesondere ein Kondensator zugeordnet. Während der Schließbewegung des Ventils kann der Elektromotor zumindest zeitweise im Generatorbetrieb betrieben und dadurch den Energiespeicher aufladen. Das Laden des Energiespeichers kann auch über eine Spannungs- oder Stromquelle erfolgen. Die Kapazität des Energiespeichers ist so gewählt, dass das Zurückbewegen des Abtriebsteils in die gewünschte Ausgangsstellung möglich ist. Über den Kondensator wird somit eine begrenzte Energiemenge bereit gestellt, mit der nur eine begrenzte Arbeit verrichtet werden kann. Der Strom im Elektromotor steigt steil an, wenn das Abtriebsteil am Ventilverschlussglied anliegt. Dies führt dazu, dass die Ladung des Energiespeichers stark abnimmt. Aufgrund der begrenzten Ladung des Energiespeichers reicht diese nicht aus, das Ventilverschlussglied gegen die Schließkraft des Ventilschließmittels zu bewegen. Die Kapazität des Energiespeichers ist derart begrenzt, dass der Stromanstieg im Elektromotor zu einer vollständigen Entladung führt, bevor das Drehmoment des Elektromotors betragsmäßig ausreicht, um die Schließkraft der Schließfeder zu überwinden.
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Bei beiden erfindungsgemäßen Lösungen ist es vermieden, dass das Abtriebsteil zur Beaufschlagung des Ventilverschlussgliedes einen großen Leerweg überbrücken muss, nachdem die Anforderung zum Öffnen des Ventils vorliegt. In beiden Fällen befindet sich das Abtriebsteil bereits vor der Anforderung zur Öffnung des Ventils in einer Ausgangsstellung, die ein öffnen des Ventils ohne große Zeitverzögerung ermöglicht.
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Es ist vorteilhaft, wenn ein Betätigungsende des Abtriebsteils einer Stößelendfläche des Ventilstößels zugeordnet ist, wobei der maximale Abstand zwischen dem Betätigungsende und der Stößelendfläche durch ein Blockiermittel begrenzt ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch nach dem Erreichen der Schließstellung des Ventilverschlussmittels der Abstand zwischen Abtriebsteil und Ventilstößel den vorgegebenen maximalen Abstand nicht überschreitet. Der maximale Abstand beträgt z. B. ein bis zwei Zehntel Millimeter. Vorzugsweise ist das Blockiermittel einem dem Betätigungsende entgegengesetzten Ende des Abtriebsteils zugeordnet.
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Die Freilaufkupplung kann als Hülsenfreilauf ausgeführt sein, der eine Hülse mit zylindrischer Außenfläche aufweist, wobei Nadelkörper, beispielsweise Rollen, an der Innenfläche der Hülse anliegen. Die Nadelkörper liegen weiterhin auf der Außenfläche des Antriebsteils an, beispielsweise auf der Spindelmutter. Klemmrampen an der Innenfläche der Hülse dienen dazu, dass bei der Drehung der Hülse in die eine Drehrichtung die Nadelkörper eine Klemmfunktion erfüllen und somit eine Drehmomentübertragung möglich ist, während in der entgegengesetzten Drehrichtung keine Drehverbindung zwischen den Antriebsteil des Ventilgetriebes und dem Rotor des Elektromotors hergestellt ist und sich das Antriebsteil gegenüber der Hülse frei drehen kann. Ein derartiger Hülsenfreilauf benötigt wenig Bauraum und ermöglicht eine platzsparende und kompakte Konstruktion des Ventils. Außerdem verursacht er eine lediglich geringe Reibung, und vorzugsweise keine Gleitreibung, wenn er in die Drehrichtung ohne Drehmomentübertragung gedreht wird.
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Bei dem Antriebmotor handelt es sich vorzugsweise um einen Elektromotor, der als Innenläufermotor ausgeführt ist, wobei der Stator den Rotor koaxial umschließt. Auf diese Weise kann eine insbesondere radial um die Drehachse des Elektromotors gesehen wenig Bauraum erfordernde Ausführung des Ventilantriebs erreicht werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung. Die Beschreibung offenbart vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung und beschränkt sich dabei auf deren wesentliche Merkmale. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ventilantriebs in längsgeschnittener schematischer Darstellung,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel des Ventilantriebs in längsgeschnittener schematischer Darstellung,
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3 ein Blockschaltbild der einen elektrischen Energiespeicher aufweisenden elektrischen Schaltung, die mit dem Elektromotor des Ventilantriebs nach 2 verbunden ist und
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4 eine schematische teilgeschnittene Darstellung eines Hülsenfreilaufs des Ventilantriebs nach 1.
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1 zeigt ein Ventil 10, das beispielsweise als Gasventil ausgeführt ist, mit einem ersten Ausführungsbeispiels eines Ventilantriebs 11, der zum Beaufschlagen oder Bewegen eines Ventilverschlussgliedes 12 gegen die Schließkraft eines Ventilschließmittels 13 dient. Das Ventilschließmittel 13 ist beispielsgemäß durch eine Schraubenfeder gebildet. Es beaufschlagt das Ventilverschlussglied 12 in eine Schließrichtung S zu einem Ventilsitz 14 hin. Die Schließbewegung in Schließrichtung S wird beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ausschließlich durch das Ventilschließmittel 13 bewirkt.
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Das Ventilverschlussglied 12 ist beispielsgemäß durch eine mit einer Ventildichtung 15 versehenen Scheibe gebildet, die von einem Ventilstößel 16 getragen wird. Der Ventilstößel 16 ist stabförmig ausgeführt und erstreckt sich entlang einer Achse A durch eine vom Ventilsitz 14 ringförmig umschlossene Ventilöffnung 17 hindurch. In einem Ventilgehäuse 18 des Ventils 10 ist auf beiden Seiten der Ventilöffnung 17 ein Brennstoffkanalabschnitt 19 bzw. 20 vorhanden. Der Ventilstößel 16 durchsetzt im Anschluss an die Ventilöffnung 17 den einen Brennstoffkanalabschnitt 19 und eine Stößelöffnung 21 der Wand dieses Brennstoffkanalabschnitts 19. An der Stößelöffnung 21 ist der Ventilstößel 16 fluiddicht und beispielsgemäß gasdicht von einer Stößeldichtung 22 umschlossen.
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Der Ventilstößel 16 weist an seinem dem Ventilverschlussglied 12 entgegengesetzten Ende eine Stößelendfläche 23 auf, die zur Betätigung des Ventilverschlussgliedes 12 durch den Ventilantrieb 11 beaufschlagt werden kann.
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Der Ventilantrieb 11 weist ein Antriebsgehäuse 26 auf, in dem ein Antriebsmotor 27 angeordnet ist, der beim Ausführungsbeispiel als Elektromotor 28 mit einem Stator 29 und einem Rotor 30 ausgeführt ist. Der Elektromotor 28 ist als Innenläufermotor realisiert, so dass der Stator 29 den Rotor 30 ringförmig koaxial zur Achse A umschließt.
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Der Ventilantrieb 11 verfügt außerdem über ein Ventilgetriebe 31, das beispielsgemäß von einem Spindelgetriebe 32 gebildet ist. Das Spindelgetriebe 32 umfasst eine Gewindespindel 33 mit einem Außengewinde und eine Spindelmutter 34 mit einem Innengewinde, die auf dem Außengewinde der Gewindespindel 33 sitzt. Die Gewindespindel 33 und die Spindelmutter 34 sind koaxial zur Achse A angeordnet.
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Die Spindelmutter 34 ist über eine Freilaufkupplung 35 mit dem Rotor 30 des Elektromotors verbunden. Die Freilaufkupplung 35 erlaubt lediglich in eine Drehrichtung die Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Rotor 30 und der Spindelmutter 34, während in der entgegengesetzten Drehrichtung eine freie Relativdrehung zwischen Rotor 30 und Spindelmutter 34 zugelassen ist. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Freilaufkupplung 35 als Hülsenfreilauf 40 ausgeführt, der in 4 dargestellt ist. Der Hülsenfreilauf 40 weist eine Hülse 41 mit zylindrischer Außenfläche 42 auf. An seiner Innenfläche 43 liegen über den Umfang verteilt mehrere Nadelkörper 44 an, die insbesondere in einem nicht näher dargestellten Käfig gelagert sind. Als Nadelkörper 44 können beispielsweise zylindrische Wälzkörper dienen, deren Längsachsen sich parallel zur Längsachse der Hülse 41 erstrecken. An ihren beiden axialen Enden weist die Hülse 41 über die Innenfläche 43 radial nach innen vorspringende Flansche 45 auf. Der Rotor 30 ist drehfest mit der Außenfläche 42 der Hülse 41 verbunden.
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Die Innenfläche 43 weist mehrere Klemmrampen 46 auf, wobei jedem Nadelkörper 44 eine Klemmrampe 46 zugeordnet ist. Die Klemmrampe 46 verläuft ausgehend von einer Ausgangsstelle 47 schräg zur Außenfläche 41, derart, dass die Wandstärke der Hülse 41 in Umfangsrichtung ausgehend von der Ausgangsstelle 47 im Bereich der Klemmrampe 46 zunimmt. Rollt der Nadelkörper 44 ausgehend von der Ausgangsstelle 47 entlang der Klemmrampe 46 ab, so bewegt er sich dabei gleichzeitig radial nach innen. Radial innerhalb der Hülse 41 befindet sich ein Antriebsteil 50 des Ventilgetriebes, beispielsgemäß die Spindelmutter 34. Wird die Hülse 41 durch den Antriebsmotor 27 in eine erste Drehrichtung D1 angetrieben, so bewegen sich die Klemmkörper 44 entlang der Klemmrampen 46, bis die Hülse 41 mit der Spindelmutter 34 drehfest verklemmt ist, so dass der Hülsenfreilauf 40 ein Drehmoment vom Antriebsmotor 31 auf die das Antriebsteil 50 überträgt. Wird die Hülse 41 in eine entgegengesetzte zweite Drehrichtung D2 angetrieben, so verbleiben die Nadelkörper 44 im Bereich der Ausgangsstellung 47, wo der Abstand zwischen der Innenfläche 43 der Hülse 41 und dem Antriebsteil 50 so groß ist, dass die Nadelkörper 44 keine Klemmung und mithin keine Drehmomentübertragung zwischen der Hülse 41 und dem Antriebsteil 50 bzw. der Spindelmutter 34 bewirken können. Die Ausgangsstellung der Nadelkörper 44 im Bereich der Ausgangsstelle 47 ist in 4 gestrichelt dargestellt.
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Bei dem hier beispielsgemäß verwendeten Spindelgetriebe 32 dient die Spindelmutter 34 als Antriebsteil 50 des Ventilgetriebes 31 und die Gewindespindel 33 als Abtriebsteil 51 des Ventilgetriebes 31. In Richtung der Achse A ist das Antriebsteil 50 unbeweglich im Antriebsgehäuse 26 gelagert. Das Antriebsteil 51 ist entlang der Achse A verschiebbar gelagert. Das Antriebsteil 50, die Freilaufkupplung 35 sowie der Rotor 30 bilden eine drehbar um die Achse A gelagerte Antriebseinheit, die über eine Lageranordnung aus Radial- und/oder Axiallagern 52 am Antriebsgehäuse 26 gelagert ist.
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Die das Abtriebsteil 51 bildende Gewindespindel 33 weist außerdem eine Verdrehsicherung 55 auf. Zu der Verdrehsicherung 55 gehört ein drehfest mit der Gewindespindel 33 verbundenes Sicherungselement 56, das wenigstens einen Sicherungsvorsprung 57 aufweist. Der Sicherungsvorsprung 57 ragt radial von der Achse A weg in eine Sicherungsausnehmung 58 hinein, die beim Ausführungsbeispiel im Ventilgehäuse 18 vorgesehen ist. Alternativ hierzu könnte die Sicherungsausnehmung 58 auch im Antriebsgehäuse 26 vorgesehen sein. Die Sicherungsausnehmung 58 ist als parallel zur Achse A verlaufender Schlitz ausgeführt. Der Sicherungsvorsprung 57 kann somit in Richtung der Achse A in der Sicherungsausnehmung 58 verschoben werden. Eine Drehung um die Achse A ist allerdings verhindert. Dadurch wird bewirkt, dass die als Abtriebsteil 51 dienende Gewindespindel 33 beim Antreiben der Spindelmutter 34 nicht um die Achse A rotiert, sondern sich entlang der Achse A verschiebt. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel weist das Sicherungselement 56 zwei diametral entgegengesetzte Sicherungsvorsprünge 57 auf. Entsprechend sind auch Sicherungsausnehmungen 58 vorhanden. Die Anzahl und Anordnung der Sicherungsvorsprünge 57 bzw. der Sicherungsausnehmungen 58 kann variieren.
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Das Abtriebsteil 51 weist ein dem Ventilstößel 16 zugeordnetes Betätigungsende 60 auf. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Betätigungsende 60 an einem Abschlussteil 61 vorgesehen. Das Abschlussteil 61 sitzt an der Gewindespindel 33 und trägt beispielsgemäß auch das Sicherungselement 56. Das Betätigungsende 60 kann zur Beaufschlagung des Ventilverschlussgliedes 12 mit dem Ventilstößel 16 an dessen Stößelendfläche 23 zur Anlage gebracht werden und das Ventilverschlussglied 12 gegen die Schließkraft in einer Öffnungsrichtung O verschieben.
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Dem Abtriebsteil 51 – beispielsgemäß der Gewindespindel 33 – ist ein Blockiermittel 63 zugeordnet. Das Blockiermittel 63 kann beispielsweise durch einen Anschlag gebildet sein, an dem das Abtriebsteil 51 anschlagen kann. Beispielsgemäß ist das Blockiermittel 63 dem dem Betätigungsende 60 entgegengesetzten freien Ende 62 des Abtriebsteils 51 zugeordnet. Der Abstand zwischen dem Abtriebsteil 51 und und dem Blockiermittel 63 wird als zweiter Abstand Z2 bezeichnet. Der Abstand zwischen dem Ventilverschlussglied 12 und dem Ventilsitz 14 wird als erster Abstand Z1 bezeichnet. Bei ganz oder teilweise geöffnetem Ventil ist der erste Abstand Z1 kleiner als der zweite Abstand Z2.
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Das erste Ausführungsbeispiel des Ventils 10 arbeitet wie folgt:
Zum Öffnen des Ventils wird der Elektromotor 28 in die erste Drehrichtung D1 betrieben, so dass über die Freilaufkupplung 35 ein Drehmoment auf das Antriebsteil 50 übertragen werden kann, das beispielsgemäß von der Spindelmutter 34 gebildet ist. Dadurch wird das Abtriebsteil 51 in Öffnungsrichtung O entlang der Achse A bewegt. Beispielsgemäß erfolgt dies über die Gewindeverbindung zwischen der Spindelmutter 34 und der Gewindespindel 33. Das von der Gewindespindel 33 gebildete Antriebsteil 51 liegt mit dem Betätigungsende 60 an der Stößelendfläche 23 an und verschiebt den Ventilstößel 16 gemeinsam mit dem Ventilverschlussglied 12 vom Ventilsitz 14 weg entgegen der Schließkraft des Ventilschließmittels 13. Diese Stellung ist in 1 gezeigt.
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Soll das Ventil 10 nunmehr geschlossen werden, wird der Elektromotor 28 entweder einfach nicht bestromt oder aktiv in die zweite Drehrichtung D2 gedreht. In dieser zweiten Drehrichtung D2 kann die Freilaufkupplung 35 kein Drehmoment übertragen. Die Schließbewegung in Schließrichtung S des Ventilverschlussgliedes 12 erfolgt durch die Schließkraft des Ventilschließmittels 13. Dieses verschiebt auch das Abtriebsteil 51 und beispielsgemäß die Gewindespindel 33 in Schließrichtung S, wobei sich die Spindelmutter 34 dreht. Wird der Rotor 30 in zweiter Drehrichtung D2 schneller betrieben, als sich die Spindelmutter 34 dreht, so muss die Schließkraft des Ventilschließmittels 13 den Rotor 30 des Elektromotors 28 nicht mitdrehen, was die Schließgeschwindigkeit des Ventils erhöht. Die freie Drehung der Spindelmutter 34 gegenüber dem Rotor 30 wird dabei durch die Freilaufkupplung sichergestellt. Es versteht sich, dass das Ventilgetriebe 31 und beispielsgemäß das Spindelgetriebe 32 selbsthemmungsfrei ausgeführt ist.
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Da in der teilweise oder vollständigen Offenstellung des Ventils der erste Abstand Z1 kleiner ist als der zweite Abstand Z2 erreicht das Ventilverschlussglied 12 den Ventilsitz 14, bevor das freie Ende 62 der Gewindespindel 34 am Blockiermittel 63 anschlägt. Das Ventil wird zunächst vollständig geschlossen. Anschließend kann der Elektromotor 28 bis zum Stillstand auslaufen oder alternativ abgebremst werden. Um zu verhindern, dass sich das von der Gewindespindel 33 gebildete Abtriebsteil 51 weit vom Ventilstößel 16 entfernt, ist das Blockiermittel 63 vorhanden. Nach dem Erreichen der Schließstellung des Ventils kann sich die Gewindespindel 33 nur noch um einen vorgegebenen Weg ΔZ = Z2 – Z1 von beispielsweise einem oder zwei Zehntel Millimetern vom Ventilstößel 16 entfernen, bevor es vom Blockiermittel 33 an einer weiteren axialen Bewegung gehindert wird. Dieser Weg ΔZ = Z2 – Z1 stellt mithin den maximalen Abstand zwischen Abtriebsteil 51 und Ventilstößel dar. Das Ventil 10 muss beim erneuten Öffnen nur einen sehr geringen Leerweg zurücklegen, und das Ventil 10 kann ohne nennenswerte Zeitverzögerung öffnen, sobald der Elektromotor 28 wieder in die erste Drehrichtung D1 angetrieben wird.
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Auch wenn das von der Gewindespindel 33 gebildete Abtriebsteil 51 durch das Blockiermittel 63 an einer weiteren axialen Bewegung gehindert ist, kann sich der Rotor 30 des Elektromotors 28 wegen der Freilaufkupplung 35 frei drehen, bis er den Stillstand erreicht hat. Ein plötzliches, schlagartiges Abbremsen des Rotors erfolgt nicht. Dies würde zu einer großen Belastung der Bauteile des Ventilantriebs 11 führen und ist durch die Freilaufkupplung 35 vermieden. Dennoch befindet sich das von der Gewindespindel 33 gebildete Abtriebsteil 51 in einer definierten Ausgangsstellung.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils 10 veranschaulicht. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist das zweite Ausführungsbeispiel keine Freilaufkupplung 35 zwischen Antriebsmotor 27 und Ventilgetriebe 31 auf. Das zweite Ausführungsbeispiel des Ventils 10 weist auch kein Blockiermittel 63 auf. Ansonsten entspricht der Aufbau dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist der Elektromotor 28 und beispielsgemäß der Stator 29 mit einer elektrischen Schaltung 70 verbunden, deren Blockschaltbild in 3 gezeigt ist. Die elektrische Schaltung 70 weist eine Schalteinrichtung 71 auf, die elektrisch mit dem Stator 29 verbunden ist. Die Schalteinrichtung 21 ist außerdem mit einer Spannungs- oder Stromquelle 72 und mit einem wiederaufladbaren Energiespeicher verbunden, der beim Ausführungsbeispiel von einem Kondensator 73 oder alternativ auch einer Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren gebildet ist.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel kann sich das von der Gewindespindel 33 gebildete Abtriebsteil 51 in Schließrichtung S entlang der Achse A ungehindert bewegen, wenn das Ventil 10 die Schließstellung erreicht hat, in der das Ventilverschlussglied 12 am Ventilsitz 14 anliegt und die Strömung zwischen den beiden Brennstoffkanalabschnitten 19, 20 unterbindet. Dabei hebt das Betätigungsende 60 von der Stößelendfläche 23 ab und entfernt sich in Schließrichtung S. Nachdem der Rotor 30 ausgelaufen ist, ist der Abstand zwischen dem Betätigungsende 60 und der Stößelendfläche 23 unbekannt. Dies würde bei einem erneuten öffnen des Ventils 10 dazu führen, dass zunächst ein unbekannt großer Leerweg überwunden werden müsste, bevor das Abtriebsteil 51 am Ventilstößel 16 anliegt und eine erneute Öffnungsbewegung des Ventilverschlussgliedes 12 veranlasst. Um dies zu vermeiden, verursacht die Schalteinrichtung 71 während der Schließbewegung des Ventilverschlussgliedes 12 zumindest zeitweise eine elektrische Verbindung zwischen dem Stator 29 und dem Kondensator 73. Der Elektromotor 28 wird zumindest in diesem Zeitabschnitt der Schließbewegung im Generatorbetrieb betrieben, wodurch in der Statorwicklung eine Spannung induziert und der Kondensator 73 geladen wird. Sobald der Rotor 30 vollständig zum Stillstand gekommen ist wird die im Kondensator 73 gespeicherte elektrische Energie dazu verwendet, den Elektromotor 28 in die erste Drehrichtung D1 anzutreiben bis das von der Gewindespindel 33 gebildete Abtriebsteil 51 am Ventilstößel 16 anliegt. Auf diese Weise wird nach dem Schließen des Ventils 10 sofort wieder eine definierte Ausgangsstellung des Ventilantriebs 11 und insbesondere des Abtriebsteils 51 hergestellt und eine erneute Anforderung zum öffnen des Ventils verursacht durch die Bewegung des Abtriebsteils 51 unmittelbar eine Öffnungsbewegung des Ventilverschlussgliedes 12.
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Der Generatorbetrieb des Elektromotors 28 erfolgt vorzugsweise erst dann, wenn das Ventil geschlossen ist, um die Schließbewegung durch den im Generatorbetrieb erhöhten Drehwiderstand des Elektromotors 28 nicht zu behindern bzw. zu verzögern. Alternativ hierzu kann der Energiespeicher auch durch die Spannungs- oder Stromquelle 72 geladen werden. Wichtig ist, dass für die Bewegung des Abtriebsteils 51 nur eine begrenzte Energiemenge zur Verfügung gestellt wird.
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Die Kapazität des Kondensators 73 ist so bestimmt, dass dessen Ladung nicht ausreicht, das erforderliche Motordrehmoment des Elektromotors 28 herzustellen, das die Schließkraft des Ventilschließmittels 13 überwinden könnte. Dadurch wird vermieden, dass das Ventil 10 versehentlich aus der Schließstellung in eine teilweise geöffnete Stellung überführt wird. Sobald das Abtriebsteil 51 zur Anlage mit dem Ventilstößel 16 kommt, steigt der Motorstrom an. Dabei erhöht sich auch das Motordrehmoment. Spätestens bei diesem Anstieg des Motorstromes wird der Kondensator 73 vollständig entladen, bevor das Motordrehmoment den erforderlichen Schwellenwert erreicht, der zu einer Verschiebung in Öffnungsrichtung O des Ventilverschlussgliedes 12 entgegen der Schließkraft des Ventilschließmittels 13 führen kann. Die Ladung reicht jedoch aus, um den Abstand zwischen dem Abtriebsteil 51 und dem Ventilstößel zu verringern, so dass dieser höchstens dem vorgegebenen maximalen Abstand ΔZ entspricht.
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Bei beiden Ausführungsformen des Ventilantriebs 11 ist daher eine Einrichtungen vorhanden, die nach dem Schließen des Ventils 10 – also wenn das Ventilverschlussglied 12 am Ventilsitz 14 anliegt – sicherstellt, dass das den Ventilstößel 16 mit dem Ventilverschlussglied 12 betätigende Abtriebsteil 51 eine Ausgangsstellung annimmt, in der der Abstand zwischen Abtriebsteil 51 und Ventilstößel 16 maximal so groß ist wie ein vorgegebener maximaler Abstand ΔZ. Die Einrichtung weist beim ersten Ausführungsbeispiel die Freilaufkupplung 35 zwischen Antriebsmotor 27 und Ventilgetriebe 31 und ein dem Abtriebsteil 51 zugeordnetes Blockiermittel 63 auf. Beim zweiten Ausführungsbeispiel weist die Einrichtung einen aufladbaren Energiespeicher 73 mit vorgegebener begrenzter Kapazität auf.
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Es ist auch möglich das Ventil zur Regelung des Volumen- oder Massenstroms des durchströmenden Mediums zu verwenden. Die Position des Ventilverschlussglied 12 des Ventils 10 bzw. des Ventilstößels 16 ist von der geschlossenen und bis zur vollständig geöffneten Stellung beliebig einstellbar.
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Die Erfindung betrifft einen Ventilantrieb 11 für ein Ventil 10, insbesondere ein Gasventil. Der Ventilantrieb 11 dient dazu, ein Ventilverschlussglied 12 des Ventils 10 entgegen der Schließkraft eines Ventilschließmittels 13 zum Öffnen des Ventils vom Ventilsitz 14 zu entfernen. Der Ventilantrieb 11 weist vorzugsweise ein Ventilgetriebe 31 in Form eines Spindelgetriebes 32 auf. Das Abtriebsteil 51 des Spindelgetriebes 31 beaufschlagt einen das Ventilverschlussglied 12 tragenden Ventilstößel 16. zwischen einem Antriebsmotor 27 des Ventilantriebs 11 und dem Ventilgetriebe 31 ist eine Freilaufkupplung 35 insbesondere in Form eines Hülsenfreilaufs vorhanden. Alternativ kann das Abtriebsteil 51 drehfest mit dem Rotor 30 des Antriebsmotors 27 verbunden sein. In diesem Fall ist dem Stator 29 des Antriebsmotors 27 ein wiederaufladbares Energiespeicherelement 73 zugeordnet, das beim Abbremsen des Rotors 30 aufgeladen und dessen Ladung dazu dienen kann, das Abtriebsteil 51 im Schließzustand des Ventils 10 in eine gewünschte Ausgangsstellung für das erneute Öffnen des Ventils 10 zu bringen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ventil
- 11
- Ventilantrieb
- 12
- Ventilverschlussglied
- 13
- Ventilschließmittel
- 14
- Ventilsitz
- 15
- Ventildichtung
- 16
- Ventilstößel
- 17
- Ventilöffnung
- 18
- Ventilgehäuse
- 19
- Brennstoffkanalabschnitt
- 20
- Brennstoffkanalabschnitt
- 21
- Stößelöffnung
- 22
- Stößeldichtung
- 23
- Stößelendfläche
- 26
- Antriebsgehäuse
- 27
- Antriebsmotor
- 28
- Elektromotor
- 29
- Stator
- 30
- Rotor
- 31
- Ventilgetriebe
- 32
- Spindelgetriebe
- 33
- Gewindespindel
- 34
- Spindelmutter
- 35
- Freilaufkupplung
- 40
- Hülsenfreilauf
- 41
- Hülse
- 42
- Außenfläche
- 43
- Innenfläche
- 44
- Nadelkörper
- 45
- Flansch
- 46
- Klemmrampe
- 47
- Ausgangsstelle
- 50
- Antriebsteil
- 51
- Abtriebsteil
- 52
- Lageranordnung
- 55
- Verdrehsicherung
- 56
- Sicherungselement
- 57
- Sicherungsvorsprung
- 58
- Sicherungsausnehmung
- 60
- Betätigungsende
- 61
- Abschlussteil
- 62
- freies Ende
- 63
- Blockiermittel
- 70
- Schaltung
- 71
- Schalteinrichtung
- 72
- Spannungs- oder Stromquelle
- 73
- Kondensator
- A
- Achse
- D1
- erste Drehrichtung
- D2
- zweite Drehrichtung
- O
- Öffnungsrichtung
- S
- Schließrichtung
- Z1
- erster Abstand
- Z2
- zweiter Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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