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Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb für ein Prozessstromventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In der
DE 10 2009 022 700 A1 ist ein derartiger Stellantrieb offenbart. Dieser hat eine Spindelmutter, die als Ventilkörper eingesetzt ist, um eine Ventilöffnung auf- und zuzusteuern. Die Spindelmutter kämmt mit einer Spindel, die über eine Antriebswelle über einen elektrischen Antriebsmotor angetrieben ist. Die Spindelmutter ist drehfest, weshalb bei einer Drehung der Spindel die Spindelmutter axial verschoben wird. Die Spindelmutter, die Spindel und der Antriebsmotor mit der Antriebswelle sind über einen Verstellzylinder gemeinsam axial verschiebbar, wobei der Verstellzylinder als Notbetätigungseinrichtung vorgesehen ist. Dieser hat einen Kolben, der über eine Kolbenstange mit einer Konsole verbunden ist, auf der der Antriebsmotor fest gelagert ist. Auf seiner von der Kolbenstange abweisenden Seite ist der Kolben des Verstellzylinders über eine Rückstellfeder mit einer Federkraft in Richtung einer Schließstellung der Spindelmutter beaufschlagt. Kolbenstangenseitig begrenzt der Kolben einen Druckraum aus dem bei einer Störung, beispielsweise bei einem Stromausfall, Druckmittel entlassen wird, wodurch der Kolben über die Federkraft der Rückstellfeder zusammen mit dem Antriebsmotor, der Spindel und der Spindelmutter in Richtung der Schließstellung der Spindelmutter verschoben wird.
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Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass der Antriebsmotor starken Beschleunigungen bei einer Notbetätigung des Stellantriebs ausgesetzt ist, was zu einer reduzierten Lebensdauer des Antriebsmotors führt. Ferner benötigt die nicht ortsfeste Anordnung des Antriebsmotors flexible Versorgungsleitungen, die mit dem Antriebsmotor mitgeführt werden müssen. Durch die mitgeführten Versorgungsleitungen ist eine Kollisionsgefahr erhöht und es hat sich gezeigt, dass diese nachteilig bei hohen Beschleunigungen brechen können.
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Die
DE 102 49 197 B3 offenbart eine weitere Ausführungsform eines Stellantriebs. Dieser hat einen Ventilkörper zum Auf- und Zusteuern einer Ventilöffnung, der über ein Koppelgetriebe mit einer Spindelmutter fest verbunden ist, um über diese in axialer Richtung in eine Öffnungs- und Schließstelllung bewegt zu werden. Die Spindelmutter kämmt mit einer Spindel, die über einen Antriebsmotor antreibbar ist. Das Koppelgetriebe ist im Normalbetrieb des Stellantriebs festgelegt. Bei Auftreten einer Notschließsituation wird das Koppelgetriebe derart gelöst, dass der Ventilkörper durch eine Federkraft einer Rückstellfeder in Richtung seiner Schließstellung axial verschoben wird.
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Nachteilig hierbei ist, dass der Stellantrieb durch das Koppelgetriebe vorrichtungstechnisch sehr aufwendig ausgestaltet ist, der Antriebsmotor zum Spannen des Koppelgetriebes eingesetzt werden muss und dass das Koppelgetriebe bei einem Schnellschluss in einer Notschließsituation einer hohen Schlagbelastung ausgesetzt ist, wodurch es leicht beschädigt werden kann.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb zu schaffen, der die oben genannten Nachteile beseitigt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stellantrieb gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist ein Stellantrieb für ein Prozessstromventil mit einer Lasttrennung bei einem Schnellschluss vorgesehen. Dieser hat eine Spindelmutter, die axial, also in ihrer Längsrichtung, in Richtung einer Öffnungs- und einer Schließstellung zum Auf- und Zusteuern einer Öffnung, insbesondere einer Ventilöffnung, über einen Verstellzylinder, der insbesondere koaxial zur Spindelmutter angeordnet ist, verschiebbar ist. Die Spindelmutter kämmt mit einer Spindel, die zusammen mit der Spindelmutter ebenfalls axial durch den Verstellzylinder verschiebbar ist. Für einen Schnellschluss in einer Notbetätigungssituation ist die Spindelmutter von einer Federkraft einer Rückstellfeder, insbesondere einer Druckfeder, in Richtung ihrer Schließstellung beaufschlagt. Die Spindel ist zum axialen Verschieben der Spindelmutter über eine, insbesondere koaxial zur Spindel angeordnete Antriebswelle eines Antriebsmotors antreibbar. Vorteilhafter Weise hat der Stellantrieb eine Kupplung, über die die Spindel nur bei einem bestimmten Hubweg, also bei einem bestimmten Abstand von der Öffnung, in Wirkeingriff mit der Antriebswelle steht und im übrigen von der Antriebswelle getrennt ist.
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Diese Lösung hat den Vorteil, dass die Spindel in einer Notsituation, bei der sie zusammen mit der Spindelmutter über die Rückstellfeder in Richtung ihrer Schließstellung bewegt wird, außerhalb eines Wirkeingriffs des Antriebsmotors gelangt und somit unabhängig von diesem bewegt werden kann. Der Antriebsmotor kann somit an einer festen Position verbleiben und ist in einer Notbetätigungssituation vorteilhafter Weise im Unterschied zum Stand der Technik keinen Beschleunigungen ausgesetzt. Durch die geringe Anzahl von Bauteilen die in einer Notbetätigungssituation in Richtung der Schließstellung bewegt werden, sind die zu beschleunigenden bzw. die zu verzögernden Massen sehr gering. Des Weiteren ist ein derartiger Stellantrieb vorrichtungstechnisch äußerst einfach ausgestaltet.
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Der Antriebsmotor, bei dem es sich insbesondere um einen Elektromotor handelt, ist vorzugsweise an einer Basis, insbesondere an einem Gehäuse oder Gestell, des Stellantriebs festgelegt.
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Zum Verstellen der Spindel über den Verstellzylinder hat dieser einen Kolben, der über eine Kolbenstange mit der Spindel in Axialrichtung fest verbunden ist, wobei in einer Notbetätigungssituation der Kolben zusammen mit der Kolbenstange, der Spindel und der Spindelmutter bewegt werden.
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Damit eine Drehbewegung der Spindel nicht auf die Kolbenstange übertragen wird, ist diese über ein Lager, insbesondere ein Kugellager, insbesondere ein Axial-Kugellager, in der Spindel drehbar gelagert.
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Die Spindel hat vorzugsweise einen Gewindeabschnitt, über den sie mit der Spindelmutter kämmt, und einen Kupplungsabschnitt für die Kupplung. Der Kupplungsabschnitt, der insbesondere außerhalb der Spindelmutter angeordnet ist, hat eine hin zur Antriebswelle und weg von der Spindelmutter und der Öffnung weisende Stirnseite, die eine Stirnverzahnung aufweist. Diese ist in Wirkeingriff mit einer Stirnverzahnung einer Stirnseite der Antriebswelle zur Herstellung einer Drehverbindung bringbar.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bilden die Stirnverzahnungen der Spindel und der Antriebswelle eine Hirthverzahnung.
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Mit Vorteil trennt der Kolben des Verstellzylinders einen Druckraum von einem Federraum, wobei der Kolben über den Druckraum mit Druckmittel in Richtung der Öffnungsstellung beaufschlagbar ist. Über den Federraum wird der Kolben mit der Federkraft der darin angeordneten Rückstellfeder in Richtung der Schließstellung beaufschlagt. Somit kann der Kolben über das Druckmittel zusammen mit der Spindel und der Spindelmutter in Richtung der Öffnungsstellung entgegen der Federkraft verfahren werden, insbesondere bis die Spindel mit der Antriebswelle in Wirkeingriff steht.
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Das Druckmittel kann vorteilhafter Weise aus dem vom Kolben begrenzten Druckraum über eine Dämpfungsdrossel entlassen werden, wodurch eine Verschiebegeschwindigkeit des Kolbens in Richtung der Schließstellung begrenzt werden kann. Es ist denkbar, dass ein Querschnitt der Dämpfungsdrossel einstellbar ist.
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Bevorzugter Weise handelt es sich bei dem Verstellzylinder um einen Pneumatikzylinder, wobei das Druckmittel ein Gas, beispielsweise Luft ist.
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Vorrichtungstechnisch einfach und bauraumsparend kann die Kolbenstange die als Hohlwelle ausgebildete Antriebswelle und eventuell auch den Antriebsmotor axial durchsetzen. Der Antriebsmotor ist bevorzugter Weise zwischen der Spindel und dem Verstellzylinder angeordnet.
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Zur drehfesten und axialen Verschiebbarkeit der Spindelmutter ist zumindest eine an der Basis festgelegte und im Parallelabstand zu Spindelmutter angeordnete Führungsstange vorgesehen.
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Damit die Spindelmutter zusammen mit der Spindel, der Kolbenstange und dem Kolben bei einer Verschiebung in Richtung der Schließposition, insbesondere in einer Notbetätigungssituation, gedämpft ist, ist eine Dämpfungsvorrichtung vorgesehen. Diese dämpft die Spindelmutter vorzugsweise ab einem bestimmten Hubweg. Vorzugsweise sind zumindest zwei Dämpfungsvorrichtungen vorgesehen.
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Die Dämpfungsvorrichtung hat bevorzugterweise eine die Führungsstange umgreifende und mit der Spindelmutter fest verbundene Dämpfungshülse. Diese taucht zur Dämpfung ab dem bestimmten Hubweg der Spindelmutter in eine in die Führungsstange umgreifenden und fest mit dieser verbundenen Dämpfungstopf. Der Dämpfungstopf weist hierbei mit seiner Öffnung in Richtung der Dämpfungshülse und begrenzt zusammen mit der Führungsstange einen ringförmigen Dämpfungsraum, der im Querschnitt etwa dem Querschnitt der Dämpfungshülse entspricht, damit diese in diesen eintauchen kann. Bodenseitig hat der Dämpfungstopf einen Auslass, insbesondere einen gedrosselten Auslass, damit beim Eintauchen der Dämpfungshülse in den Dämpfungstopf ein darin befindliches Fluid verdrängt werden kann. Die Dämpfungshülse ist vorzugsweise mit ihrer vom Dämpfungstopf wegweisenden Stirnseite über einen Arm mit der Spindelmutter verbunden.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in einem Längsschnitt einen Stellantrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei in der Darstellung auf der einen Seite seiner Längsachse dieser in einer Schließstellung und auf der anderen Seite in einer Öffnungsstellung gezeigt ist.
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Bei dem Stellantrieb 1 in der einzigen Figur handelt es sich um einen Stellantrieb für Prozessstromventile, die beispielsweise im Kraftwerksbereich eingesetzt werden. Derartige Ventile dienen zur Regulierung eines Prozessstroms, beispielsweise um eine Dampfzufuhr zu einer Turbine einzustellen.
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Der Stellantrieb 1 hat eine Spindelmutter 2 mit einem kegelförmigen Endabschnitt 4. Dieser ist anliegbar an einem Ventilsitz 6 ausgebildet. Der Ventilsitz 6 ist Teil einer Basis bzw. eines Gehäuses 8 des Stellantriebs 1 und umfasst eine Ventilöffnung 10. Liegt die Spindelmutter 2 mit ihrem Endabschnitt 4 auf dem Ventilsitz 6, so ist die Ventilöffnung 10 geschlossen, was in der Figur in der linken Hälfte des Stellantriebs gezeigt ist. Im abgehobenen Zustand der Spindelmutter 2 ist dagegen die Ventilöffnung geöffnet, was im rechten Teil des Stellantriebs 1 in der Figur dargestellt ist. Ausgehend von dem Endabschnitt 4 ist die Spindelmutter 2 topfförmig ausgestaltet mit einer vom Ventilsitz 6 wegweisenden Öffnung. An einer Innenmantelfläche der Spindelmutter 2 ist ein Gewinde vorgesehen, das mit einer koaxial zur Spindelmutter 2 angeordneten Spindel 12, die in die Spindelmutter 2 eintaucht, kämmt.
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Die Spindel
12 hat einen Gewindeabschnitt
14 und einen Kupplungsabschnitt
16. Der Kupplungsabschnitt
16 ist ringförmig als separates Bauteil ausgeführt, das am Gewindeabschnitt
14 befestigt ist. Hierzu hat der Gewindeabschnitt
14 an seinem von der Spindelmutter
2 wegweisenden Endabschnitt einen Radialvorsprung, der zusammen mit einer ringförmigen Stirnfläche des Gewindeabschnitts
14 eine Anlagefläche für den Kupplungsabschnitt
16 bildet. Der Kupplungsabschnitt
16 hat auf seiner von der Spindelmutter
2 wegweisenden Stirnseite eine Stirnverzahnung
18, die in Wirkeingriff mit einer Stirnverzahnung
20 einer als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle
22 eines elektrischen Antriebsmotors
24 bringbar ist. Die Stirnverzahnungen
18 und
20 bilden eine Hirthverzahnung, wie sie beispielsweise in der
DE 10 2009 040 124 A1 offenbart ist. Die Stirnverzahnung
20 der Antriebswelle
22 ist an einer Stirnseite der Antriebswelle
22 ausgebildet, die gegenüberliegend von der Stirnverzahnung
18 angeordnet ist. Die ringförmige Stirnseite der Antriebswelle
22 ist an einem ringförmigen Radialvorsprung der Antriebswelle
22 ausgebildet. Die Antriebswelle
22 ist von dem Antriebsmotor
24 umfasst, der mit seiner zur Spindelmutter
2 weisenden ringförmigen Stirnfläche an einem plattenförmigen Gehäuseabschnitt
28 des Gehäuses
8 befestigt ist. Dieser ist über eine Öffnung von der Antriebswelle
22 durchsetzt, wobei die Stirnverzahnung
20 an dem ringförmigen Radialvorsprung der Antriebswelle
22 auf der zur Spindelmutter
2 weisenden Seite des Gehäuseabschnitts und der Antriebsmotor auf der von der Spindelmutter wegweisenden Seite des Gehäuseabschnitts
28 angeordnet ist.
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Die Antriebswelle 22 wiederum ist von einer Kolbenstange 30 durchsetzt, die mit ihrem Endabschnitt den ringförmigen Kupplungsabschnitt 16 durchsetzt und in eine sacklochförmige Aussparung 32 des Gewindeabschnitts 14 der Spindel 12 eintaucht. Zwischen dem Kupplungsabschnitt 16 und dem Gewindeabschnitt 14 der Spindel 12 ist ein Axial-Kugellager 34 vorgesehen über das der Endabschnitt der Kolbenstange 30 drehbar in der Spindel 12 gelagert ist und zusammen mit dieser axial verschoben werden kann. Mit seinem anderen Endabschnitt endet die Kolbenstange 30 an einem Kolben 34 eines als Pneumatikzylinder ausgebildeten Verstellzylinders 36.
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Der Verstellzylinder 36 ist im Wesentlichen koaxial zur Spindel 12 bzw. zur Spindelmutter 2 angeordnet. Der Kolben 34 trennt innerhalb des Verstellzylinders 36 einen Druckraum 38 von einem Federraum 40. Der Druckraum 38 ist hierbei von der Kolbenstange 30 durchsetzt und in dem Federraum 40 ist eine Rückstellfeder 42 in Form einer Druckfeder angeordnet. Diese stützt sich an einer Innenwandung des Verstellzylinders 36 ab und beaufschlagt den Kolben 34 mit einer Federkraft in Richtung der Schließstellung der Spindelmutter 2. Unmittelbar am Zylinderboden 44, der den Druckraum 38 begrenzt, ist ein Auslass 46 mit einer im Querschnitt einstellbaren Dämpfungsdrossel vorgesehen, über den Druckmittel in den Druckraum 38 entlassen werden kann. Der Verstellzylinder 36 ist ebenfalls an der Basis bzw. an dem Gehäuse 8 festgelegt.
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Im Parallelabstand zur Spindelmutter 2 erstreckt sich ausgehend von dem Gehäuseabschnitt 28 in Richtung des Ventilsitzes 6 eine erste und zweite Führungsstange 48 bzw. 50. Diese dienen für eine Drehsicherung und einer axialen Führung der Spindelmutter 2. Diese weist hierzu an ihren zum Kupplungsabschnitt 16 weisenden Endabschnitt einen ersten und zweiten sich radial weg von der Spindelmutter 2 erstreckenden Arm bzw. Führungsarm 52 bzw. 54 auf. Der jeweilige Führungsarm 52 und 54 ist hierbei von der Führungsstange 48 bzw. 50 durchsetzt. Auf seiner zum Ventilsitz 6 weisenden Seite ist an einem jeweiligen Führungsarm eine Dämpfungshülse 56 bzw. 58 vorgesehen, die die jeweilige Führungsstange 48 bzw. 50 umfassen und von dieser durchsetzt sind. Die jeweilige Dämpfungshülse 56 bzw. 58 hat einen etwa kreisringförmigen Querschnitt. Zum Dämpfen tauchen die Dämpfungshülsen 56 und 58 jeweils in einen endseitig der Führungsstangen 48 bzw. 50 festgelegten Dämpfungstopf 60 bzw. 62 ein. Diese weisen jeweils mit ihrer Öffnung hin zur Dämpfungshülse 56 bzw. 58 und sind an einer Stirnseite der jeweiligen Führungsstange 48 bzw. 50 mit ihrer inneren Bodenseite befestigt. Die Dämpfungstöpfe 60 und 62 sind hierbei jeweils etwa koaxial zur Führungsstange 48 bzw. 50 angeordnet. Die Dämpfungstöpfe 60 und 62 begrenzen jeweils einen ringförmigen Dämpfungsraum zusammen mit der Führungsstange 48 bzw. 50 in den die Dämpfungshülse 56 bzw. 58 zum Dämpfen eintauchen kann. Ein beim Eintauchen verdrängtes Fluid wird durch einen Auslass 64 mit einer Dämpfungsdrossel an einen jeweiligen Boden der Dämpfungstöpfe 60 bzw. 62 entlassen. Die Dämpfungstöpfe 60 und 62 sind dabei derart angeordnet, dass sie eine Bewegung der Spindelmutter 2 nur am Ende des Hubwegs dämpfen und zwar derart, dass die Spindelmutter 2 vergleichsweise langsam auf den Ventilsitz 6 auftrifft. Somit ist die Dämpfungsvorrichtung nur in einem Endabschnitt des Hubwegs der Spindelmutter 2 wirksam.
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Liegt die Spindelmutter 2 auf dem Ventilsitz 6, so ist eine Stirnseite einer jeweiligen Dämpfungshülse 56 und 58 etwas beabstandet zur inneren Bodenseite des jeweiligen Dämpfungstopfs 60 bzw. 62.
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Zum Öffnen der Ventilöffnung 10 wird die Spindelmutter 2 zusammen mit der Spindel 12 und der Kolbenstange 30 durch den Kolben 34 in einer Richtung weg vom Ventilsitz 6 verschoben. Hierfür wird der Druckraum 38 des Verstellzylinders 36 mit Druckluft befüllt. Die Verschiebung des Kolbens 34 erfolgt dabei entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 42, wodurch diese gespannt wird. Ein Verschiebeweg bzw. Hubweg des Kolbens 34 bzw. der Spindel 14 endet, wenn die Stirnverzahnungen 18 und 20 der Spindel 12 bzw. der Antriebswelle 22 in Wirkeingriff stehen. Ist dies der Fall, kann die Spindel 12 über die Antriebswelle 22 von dem Antriebsmotor 24 gedreht werden, wodurch eine Position bzw. ein Abstand der Spindelmutter 2 vom Ventilsitz 6 einstellbar ist. Somit kann die Spindelmutter 2 stufenlos axial verschoben werden und damit ein Prozessstrom geregelt werden.
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In einer Notbetätigungssituation, beispielsweise bei einem Stromausfall, wird eine Druckluftbeaufschlagung des Kolbens 34 im Druckraum 38 beendet und der Auslass 46 mit der Dämpfungsdrossel geöffnet. Aufgrund der Federkraft der Rückstellfeder 42 wird der Kolben 34 in Richtung einer Verkleinerung des Druckraums 38 verschoben, und bewegt hierbei zusätzlich die Kolbenstange 30 mit der Spindel 12 und der Spindelmutter 2 in Richtung des Ventilsitzes 6. Ab einem bestimmten Verschiebeweg tauchen die Dämpfungshülsen 56 und 58 in die Dämpfungstöpfe 60 bzw. 62 ein, wodurch die Verschiebebewegung der Spindelmutter 2, der Spindel 12, der Kolbenstange 30 und des Kolbens 34 gedämpft werden, bis die Spindelmutter 2 am Ventilsitz 6 anliegt. Die Dämpfungsdrossel eines oder aller Auslässe 46, 64 können beispielsweise einen verstellbaren Öffnungsquerschnitt aufweisen. Der Öffnungsquerschnitt bzw. Drosselquerschnitt kann dabei von einem Verschiebeweg des Kolbens 34 abhängen.
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Nach der Notbetätigung des Stellantrieb 1 bzw. nach dem Schnellschluss, wird der Kolben 34 wieder mit Druckluft beaufschlagt und die Rückstellfeder 42 gespannt. Die Stirnverzahnungen 18, 20 koppeln ein und der elektrische Antriebsmotor 24 kann ausgehend vom Signal eines Lagesensors die Spindelmutter 2 entlang der Führungsstangen 48 und 50 an die erforderliche Sollposition verfahren, um erneut in den Regelmodus überzugehen.
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Offenbart ist, insbesondere erfindungsgemäß, ein Stellantrieb für ein Prozessstromventil mit einer Spindelmutter. Diese ist axial verfahrbar zum Einstellen eines Öffnungsquerschnitts des Prozessstromventils. Die Spindelmutter wird hierbei von einem Verstellzylinder und/oder von einer Spindel mit der sie in Kämmeingriff ist verschoben. Über eine Federkraft einer Rückstellfeder kann die Spindelmutter in Richtung einer Schließstellung beaufschlagt werden. Zum Verschieben der Spindelmutter über die Spindel ist ein Antriebsmotor mit einer Antriebswelle vorgesehen, der die Spindel in Drehrichtung antreibt. Über eine Kupplung ist die Spindel bei einem bestimmten Hubweg bzw. bei einem bestimmten Abstand von einem Ventilsitz in Wirkeingriff mit der Antriebswelle bringbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stellantrieb
- 2
- Spindelmutter
- 4
- Endabschnitt
- 6
- Ventilsitz
- 8
- Gehäuse
- 10
- Ventilöffnung
- 12
- Spindel
- 14
- Gewindeabschnitt
- 16
- Kupplungsabschnitt
- 18
- Stirnverzahnung
- 20
- Stirnverzahnung
- 22
- Antriebswelle
- 24
- Antriebsmotor
- 26
- Stirnfläche
- 28
- Gehäuseabschnitt
- 30
- Kolbenstange
- 32
- Aussparung
- 34
- Kolben
- 36
- Verstellzylinder
- 38
- Druckraum
- 40
- Federraum
- 42
- Rückstellfeder
- 44
- Zylinderboden
- 46
- Auslass
- 48
- Führungstange
- 50
- Führungstange
- 52
- Führungsarm
- 54
- Führungsarm
- 56
- Dämpfungshülse
- 58
- Dämpfungshülse
- 60
- Dämpfungstopf
- 62
- Dämpfungstopf
- 64
- Auslass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009022700 A1 [0002]
- DE 10249197 B3 [0004]
- DE 102009040124 A1 [0026]
