DE102015016356A1

DE102015016356A1 - Fluidbetriebener Antrieb und Feldgerät mit einem fluidbetriebenen Antrieb

Info

Publication number: DE102015016356A1
Application number: DE102015016356.6A
Authority: DE
Inventors: Mario Göbel
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-06-22
Also published as: CN206723557U

Abstract

Fluidbetriebener Antrieb, wie ein pneumatischer oder hydraulischer Antrieb, insbesondere Hubantrieb, für ein Feldgerät einer prozesstechnischen Anlage, wie einer chemischen, insbesondere petrochemischen, Anlage, eines Kraftwerkes, einer Brauerei oder dergleichen, wobei der Antrieb dazu ausgelegt ist, zum Stellen eines Stellventils, wie eines Regelungs- und/oder Sicherheitsventils, des Feldgeräts eine Betätigungskraft zu erzeugen, umfassend wenigstens eine Arbeitskammer, die mit einem fluidischen, wie einem pneumatischen oder hydraulischen, Stelldruck beaufschlagbar ist, um eine Druckkraftkomponente für die Betätigungskraft bereitzustellen, und eine sich aus oder von dem Antrieb erstreckende Antriebsstange oder -welle zum Stellen des Stellventils mittels der Betätigungskraft, sowie wenigstens einen Magnet, wie ein Permanentmagnet oder Elektromagnet, zum Bereitstellen einer magnetischen Kraftkomponente für die Betätigungskraft.

Description

Die Erfindung betrifft einen fluidbetriebenen Antrieb, wie einen pneumatischen oder hydraulischen Antrieb, insbesondere einen Hubantrieb, für ein Feldgerät einer prozesstechnischen Anlage. Prozesstechnische Anlagen sind beispielsweise chemische, insbesondere petrochemische Anlagen, Kraftwerke, Lebensmittel verarbeitende Anlagen, wie Brauereien, oder dergleichen. Ein fluidbetriebener Antrieb ist dazu ausgelegt, zum Stellen eines Stellventils, wie eines Regelungs- und/oder Sicherheitsventils, des Feldgeräts eine Betätigungskraft zu erzeugen. Der fluidbetriebene Antrieb umfasst wenigstens eine Arbeitskammer, die mit einem fluidischen, vorzugsweise einem pneumatischen oder hydraulischen, Stelldruck beaufschlagbar ist, um eine Druckkraftkomponente für die Betätigungskraft bereitzustellen, und eine sich aus dem Antrieb bzw. von dem Antrieb erstreckende Antriebsstange oder -welle zum Stellen des Stellventils mittels der Betätigungskraft.
Als Hubantrieb ausgestaltete fluidbetriebene Antriebe weisen eine Antriebsstange auf, die translatorisch in ihrer Haupterstreckungsrichtung verfahrbar ist, um die Betätigungskraft von dem Antrieb zu dem Stellventil zu übertragen. Ein Rotationsantrieb verfügt über eine Antriebswelle, die um ihre Achse drehbar ist zum Übertragen der Betätigungskraft als Betätigungsdrehmoment von dem Rotationsantrieb auf ein Stellventil. Ein fluidbetriebener Antrieb umfasst wenigstens eine Arbeitskammer, die mit einem fluidischen, beispielsweise einem pneumatischen oder hydraulischen, Arbeitsfluid beaufschlagbar ist, um eine Druckdifferenz gegenüber dem Umgebungsdruck und/oder einem in einer zweiten Arbeitskammer vorliegenden zweiten Betätigungsdruck zu erzeugen, und um diese auf eine Wirkfläche des fluidbetriebenen Antriebs wirkende Druckdifferenz in die Stellkraft oder Betätigungskraft zum Stellen des Stellventils umzuwandeln.
Ein gattungsgemäßer pneumatischer Stellantrieb kann ein Antriebsgehäuse aufweisen, das eine mit einem Pneumatikfluid beaufschlagbare Antriebskammer und eine Rückstellkammer, in der Druckfedern vorgesehen sind, enthält. Üblicherweise ist die Arbeitskammer von der Rückstellkammer durch einen Antriebsteller und eine Membran abdichtend abgegrenzt und in der Rückstellkammer sind Druckfedern vorgesehen, die sich einerseits an dem an einer Gehäuseinnenwand und andererseits an dem am Antriebsteller abstützen. Mit dem Antriebsteller ist eine Antriebsstange üblicher Stellantriebe derart stellfest verbunden, dass die Antriebsstange jeder Bewegung des Antriebstellers verzögerungsfrei folgt. Die Wirkrichtung der Druckfedern entspricht im Wesentlichen der Längsrichtung der Antriebsstange, in der sich die Antriebsstange transversal bewegen kann. Die Antriebsstange erstreckt sich von dem Antriebsteller durch die Arbeitskammer und durch das Gehäuse des pneumatischen Stellantriebs. Ein Stangenverbinder kann die Antriebsstange mit einer Stellstange verbinden, an der das Stellventilglied angebracht ist. Das Stellventilglied ist typischerweise gegenüber einem ortsfesten Ventilsitz ebenfalls in Transversalrichtung beweglich, so dass Ventilsitz und Ventilglied eine Ventil-Öffnungsfläche definieren, die abhängig ist von der Stellung des Ventilglieds und zwischen einem geschlossenen und einem vollständig geöffneten Zustand beweglich ist, in dem der Öffnungsquerschnitt dem Querschnitt des Ventilsitzes entsprechen kann.
Ein solcher Stellantrieb kann derart konfiguriert sein, dass die Druckfedern in der Rückstellkammer auf eine Schließbewegung des Ventilglieds bis hin zum vollständig geschlossenen Zustand des Steilventils hinwirken. Mit dem pneumatischen Arbeitsfluid in der Arbeitskammer bekannter Stellantriebe kann eine pneumatische Druckkraft erzeugt werden, die entgegen der Federkraft der Rückstellfedern wirkt, um das Ventilglied aus einem geschlossenen in einen geöffneten Zustand zu verbringen. Die Betätigungskraft, die ausgehend vom Stellantrieb auf das Ventilglied wirkt, lässt sich also typischerweise im Wesentlichen unterteilen in eine Druckkraftkomponente, die durch den pneumatischen Arbeitsdruck in der Arbeitskammer erzeugt wird, und eine Federkraftkomponente, die abhängig ist von der Federkonstante und dem Federweg der Rückstellfedern ausgehend von deren entspannter Stellung. Die Betätigungskraft kann durch Reibkräfte an der abgedichteten Eintrittsstelle der Antriebsstange in das Antriebsgehäuse und gegebenenfalls einer abgedichteten Eintrittsstelle einer Stellstange in das Ventilgehäuse beeinflusst werden. Die Betätigungskraft des Stellantriebs wirkt in der Schließstellung entgegen der auf das Ventilglied wirkenden Druckkraft im Falle einer Druckdifferenz zwischen stromaufwärtig und stromabwärtig des Ventilsitzes gelegenen Abschnitten innerhalb des Stellventils. Die infolge von Messungen beispielsweise der Position der Antriebsstange wirkenden Messkräfte von Positionssensoren sind um Größenordnungen kleiner als die auf das Ventilglied wirkende Druckkraft wie auch die an den Dichtungen auftretenden Reibungskräfte und für die Betätigung des Ventils praktisch bedeutungslos.
Im vollständig geschlossenen Zustand des Ventils ist zum sicheren Abdichten erforderlich, dass die von dem Prozessfluid ausgeübte Kraft kleiner ist als die auf das Ventilglied wirkende Betätigungskraft. Rückstellfedern müssen daher in ihrem in Schließstellung betriebsgemäß maximal entlasteten Zustand bereits um einen ausreichenden Federweg vorkomprimiert sein, um diese notwendige Schließkraft bereitzustellen. Bei Einsatz eines doppelt wirkenden fluidbetriebenen Antriebs ohne Federrückstellung ist im geschlossenen Zustand zum Bereitstellen der notwendigen Schließkraft stets ein minimaler Druckunterschied zwischen den beiden Arbeitskammern zum Erzeugen der Schließkraft erforderlich.
Zum Öffnen des Ventils durch einen gattungsgemäßen Antrieb ist es erforderlich, dass die Antriebskammer eine pneumatische Kraftkomponente bereitstellt, welche größer ist, als die Rückstellkraft der Rückstellfedern, welche in dem maximal geöffneten Zustand des Stellgeräts an dem Federweg komprimiert sind, der dem Stellweg des Ventilglieds zuzüglich den zum sicheren Schließen erforderlichen Vorkomprimierungsfederweg der Rückstellfedern entspricht.
Einen bekannten pneumatischen Stellantrieb zum Stellen eines Stellglieds beschreibt zum Beispiel DE 10 2010 014 668 A1 . Der Bauraum des bekannten pneumatischen Stellantriebs hängt maßgeblich ab von der axialen Länge der Rückstellfedern sowie der Wirkfläche, auf die die Druckdifferenz zwischen Arbeitskammer und Umgebungsdruck bzw. weiterer Arbeitskammer wirkt, beispielsweise also dem Antriebsteller. Es hat sich als wünschenswert herausgestellt, den notwendigen Bauraum eines pneumatischen Stellantriebs zu verkleinern, ohne die verfügbare Schließkraft und den verfügbaren Stellweg zu verringern.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und insbesondere einen fluidbetriebenen Antrieb und ein Feldgerät mit einem fluidbetriebenen Antrieb bereitzustellen, das bei gegenüber bekannten Antrieben einen gleichbleibend großen Stellweg und eine gleichbleibend hohe Schließkraft zur Verfügung stellt und gleichzeitig nur eine geringeren Bauraum bestätigt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Anspruch 1.
Demnach weist ein erfindungsgemäßer fluidbetriebener Antrieb wenigstens einen Magneten zum Bereitstellen einer magnetischen Kraftkomponente für die Betätigungskraft bereit. Vorzugsweise weist der fluidbetriebene Antrieb genau einen, zwei, drei, vier oder mehr Magneten zum Bereitstellen einer magnetischen Kraftkomponente für die Betätigungskraft auf. Der wenigstens eine Magnet weist vorzugsweise einen Permanentmagneten auf oder besteht daraus. Alternativ kann der wenigstens eine Magnet einen Elektromagneten aufweisen oder daraus bestehen. Ein Elektromagnet kann beispielsweise gezielt aktiviert werden, um eine Schließkraft zu erhöhen und/oder beim gewollten Öffnen des Stellventils deaktiviert werden, so dass der fluidbetriebene Antrieb die Zusatz-Schließkraft, die durch den Elektromagnet bereitstellbar ist, nicht zu überwinden braucht. Bei einer besonderen bevorzugten Ausführung ist der fluidbetriebene Antrieb dagegen frei von Elektromagneten. Insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen, etwa in petrochemischen Anlagen, bei denen Explosionsschutz gewährleistet sein muss, kann der fluidbetriebene Antrieb frei von Elektromagneten zum Bereitstellen einer magnetischen Kraftkomponente für die Betätigungskraft sein.
Es können insbesondere solche Magneten zum Bereitstellen einer magnetischen Kraftkomponente für die Betätigungskraft als geeignet angesehen werden, die eine magnetische Kraft bereitstellen in Richtung der Stellrichtung bereitstellen können, die wenigstens 1% oder wenigstens 5%, insbesondere wenigstens 10%, vorzugsweise weniger als 50%, insbesondere weniger als 30% der maximal von dem fluidbetriebenen Antrieb aufbringbaren Betätigungskraft unter Berücksichtigung ausschließlich der Druckkraftkomponente und gegebengalls der Federkraftkomponente. Beispielsweise kann der wenigstens eine Magnet eine magnetische Kraftkomponente von wenigstens 2 N, wenigstens 5 N, wenigstens 10 N, wenigstens 25 N, wenigstens 50 N insbesondere für einen fluidbetriebenen Antrieb mit einer maximalen Betätigungskraft von etwa 240 N bereitstellen. Alternativ kann der wenigstens eine Magnet eine Kraft von wenigstens 300 N, wenigstens 500 N, wenigstens 1 kN, wenigstens 5 kN oder wenigstens 10 kN bereitstellen, insbesondere für einen fluidbetriebenen Antrieb mit einer maximalen Betätigungskraft von etwa 28 kN. Bei der Verwendung mehrerer gleichgerichtet wirkender Magnete können die zuvor genannten Kraftangaben auf die aufsummierte Kraft gleichwirkender Magnete bzw. Kräftepaare beziehen.
Die Betätigungskraft ist die Kraft, die der fluidbetriebene Antrieb zur Betätigung eines Ventilglieds eines Feldgeräts bereitstellen kann. Die Betätigungskraft ergibt sich als die Summe der von einer Arbeitskammer bereitgestellten Druckkraftkomponente oder bei mehreren Arbeitskammern deren jeweilige Druckkraftkomponente, beim Vorhandensein von Federn, insbesondere Rückstellfedern, der bereitgestellten Federkraft und abhängig von der Steilposition des Stellantriebs und der von dem wenigstens einen Magneten bereitgestellten magnetischen Kraftkomponenten. Der wenigstens eine Magnet kann dazu ausgelegt sein, die Schließkraft zum Schließen des Stellventils zu erhöhen. Der wenigstens eine Magnet kann dazu ausgelegt sein, die Haltekraft zum Halten des Steilventils in seiner insbesondere maximal weit geöffneten Stellung zu unterstützen. Ein Magnet oder mehrere Magneten können dazu ausgelegt sein, nahe dem Ende eines oder beider Enden des Stellwegs eine magnetische Kraftkomponente bereitzustellen, die insbesondere das Halten dieser obersten oder untersten Stellwegposition zu unterstützen. Alternativ kann ein Magnet, insbesondere ein Elektromagnet, dazu ausgelegt sein, zum Öffnen des Stellventils aus der geschlossenen Stellung abstoßend zu wirken. Auf diese Weise wird eine magnetische Rückstellkraftkomponente bereitgestellt, die eine Rückstell-Federkraftkomponente ersetzen oder unterstützen kann. Es ist auch denkbar, einen Elektromagneten derart zu konfigurieren, dass er beim Ändern zwischen einem Soll-Schließzustand und einer Soll-Öffnungsbewegung von einem das Schließen unterstützenden Zustand in einen das Öffnen unterstützenden Zustand wechselt, indem die Orientierung des bereitgestellten magnetischen Feldes geändert wird.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass ein fluidbetriebener, pneumatischer oder hydraulischer, Antrieb, der insbesondere über Rückstellfedern verfügt, zur Verstärkung der Haltekraft in einem oder beiden Endstellungen des Stellwegs, also im maximal geschlossenen und im maximal geöffneten Zustand, lokal verstärkte Haltekräfte durch wenigstens einen Magneten erfahren kann. Auf diese Weise kann zum Beispiel im geschlossenen Zustand dieselbe Schließkraft erzeugt werden wie bei einem herkömmlichen Antrieb, bei deutlich verringerte Vorkomprimierung der Federn. Im maximal geöffneten Zustand kann bei gleicher Haltekraft der erforderliche Pneumatikdruck und/oder die erforderliche pneumatische Wirkfläche verringert werden, wenn ein Magnet zum Unterstützen der Haltekraft wirkt. Da der notwendige Bauraum eines fluidbetätigten Antriebs im Wesentlichen abhängig ist von den erforderlichen Kräften, die durch die Pneumatik oder Hydraulik und gegebenenfalls Federn bereitgestellt werden müssen, kann dank der Verwendung eines oder mehrerer Magneten der erforderliche Bauraum eines fluidbetätigten Antriebs verringert werden.
Der wenigstens eine Magnet kann als erster Kraftpartner mit einem zweiten, ferromagnetischen oder magnetischen Kraftpartner zum Bereitstellen der magnetischen Kraftkomponente als Kraftpaar kooperieren. Beispielsweise kann ein Elektromagnet mit einem Permanentmagnet kooperieren, ein Permanentmagnet mit einem ferromagnetischen Kraftpartner, ein Elektromagnet mit einem ferromagnetischen Kraftpartner oder zwei Elektromagneten können miteinander kooperieren, um ein Kraftpaar zu bilden. Bevorzugt können zwei Permanentmagneten miteinander kooperieren, um ein Kraftpaar zu bilden.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist einer der Kraftpartner antriebsstangenfest in dem fluidbetriebenen Antrieb angeordnet und die Antriebsstange ist relativ zu dem anderen, insbesondere ortsfesten, Kraftpartner beweglich. Der ortsfeste Kraftpartner ist vorzugsweise in einer Arbeitskammer oder Rückstellkammer des fluidbetriebenen Antriebs angeordnet. Die magnetische Kraftkomponente wird dadurch erzeugt, dass die Kraftpartner einander magnetisch anziehen oder abstoßen. Zum Bereitstellen einer haltenden magnetischen Kraftkomponente ist insbesondere ein Kraftpaar, dessen Kraftpartner einander magnetisch anziehen, geeignet. Vorzugsweise ist der antriebsstangenfeste Kraftpartner ein Permanentmagnet oder ein ferromagnetisches Bauteil. Beispielsweise kann ein ferromagnetischer Antriebsteller ein Kraftpartner des magnetischen Kraftpaars sein.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist einer der Kraftpartner unmittelbar an der Antriebsstange oder an einem an der Antriebsstange befestigten Bauteil angebracht, wie einem Antriebsteller, einem Antriebskolben oder dergleichen. Der andere Kraftpartner ist vorzugsweise ortsfest an einem Gehäuse des Antriebs angebracht. Insbesondere kann der ortsfeste Kraftpartner innerhalb des Antriebsgehäuses angeordnet sein.
Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung, die mit der vorherigen kombinierbar ist, weist der fluidbetriebene Antrieb wenigstens zwei Kraftpaare zum Bereitstellen unterschiedlicher magnetischer Kraftkomponenten auf. Beispielsweise kann bei dieser bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ein Kraftpaar vorgesehen sein, um die Schließkraft zu verstärken und ein anderes Kraftpaar kann eine Haltekraft in einem maximal geöffneten Zustand unterstützen. Vorzugsweise kann der als Magnet realisierte erste Kraftpartner antriebsstangenfest angeordnet sein und zum Verstärken der Schließkraft mit einem anderen Magneten derart zusammenwirken, dass das dadurch gebildete Kraftpaar magnetisch einander anziehend wirkt. Ein zweiter Magnet kann mit einem antriebsstangenfesten Magneten ein einander abstoßendes Kraftpaar bilden. Mit dem ersten antriebsstangenfesten Magneten kann ein weiterer ortsfester Magnet ein weiteres Kraftpaar einander abstoßender Magneten, insbesondere Permanentmagneten, bilden, das insbesondere derart wirkt, dass das abstoßende Kraftpaar eine Rückstellkraft erzeugt, die entgegen der von einer Arbeitskammer bereitgestellten Druckkraftkomponente wirkt.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst der fluidbetriebene Antrieb wenigstens einen Abstandshalter, der einen vorbestimmten Minimalabstand zwischen den miteinander kooperierenden Kraftpartnern definiert. Insbesondere ist ein Abstandshalter zwischen zwei einander anziehenden Magneten, die ein Kraftpaar bilden, bei einem Permanentmagnet, Elektromagnet und einem damit kooperierenden ferromagnetischen Körper vorgesehen. Durch einen Abstandshalter kann konstruktiv ausgeschlossen werden, dass einander anziehende Kraftpartner in einen unmittelbaren Kontakt eintreten, wobei unerwünscht überhöhte Haltekräfte auftreten könnten.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der wenigstens eine Magnet in einer Arbeitskammer, insbesondere der mit dem Stelldruck beaufschlagbaren Arbeitskammer, des fluidbetriebenen Antriebs angeordnet. Eine Arbeitskammer, in der Rückstellfedern vorgesehen sind, und in der insbesondere Umgebungsdruck herrscht, beispielsweise weil diese Arbeitskammer durch eine Öffnung mit dem den Antrieb umgebenden Raum in Fluidkontakt steht, kann auch als Rückstellkammer bezeichnet sein.
Eine bevorzugte Ausführung eines fluidbetriebenen Antriebs, die mit den vorherigen kombinierbar ist, umfasst eine Feder zum Bereitstellen einer Federkraftkomponente für die Betätigungskraft. Vorzugsweise wirkt die Federkraftkomponente entgegengesetzt zu der Druckkraftkomponente insbesondere zum Schließen oder Öffnen des Steilventils. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Feder in einer Arbeitskammer, die als Rückstellkammer bezeichnet sein kann, des fluidbetriebenen Antriebs angeordnet, in der vorzugsweise Umgebungsdruck oder Betriebsdruck herrscht. Insbesondere wirkt die magnetische Kraftkomponente zum Spannen der wenigstens einen Feder entgegengesetzt zur Federkraftkomponente. Die magnetische Kraftkomponente kann insbesondere entgegen der Druckkraftkomponente zum Entlasten der wenigstens einen Feder gleichgerichtet zur Federkraftkomponente wirken. Unter Verwendung mehrerer Kraftpaare kann ein erstes Kraftpaar, das als Schließkraftpaar bezeichnet sein kann, zum Unterstützen einer Feder gleichgerichtet zu der Federkraftkomponente wirken, während ein zweites Kraftpaar, das als Haltekraftpaar bezeichnet sein kann, eine magnetische Kraftkomponente zum Spannen der wenigstens einen Feder entgegengesetzt zur Federkraftkomponente erzeugt. Da die Anziehungs- oder Abstoßungskraft eines Kraftpaars im Wesentlichen antiproportional zum Abstand der Kraftpartner zueinander ist, lassen sich bei ausreichendem Abstand einfach zwei Kraftpaare kombinieren.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst der fluidbetriebene Antrieb eine zweite Arbeitskammer, die mit einem fluidischen, wie einem pneumatischen oder hydraulischen, Stelldruck beaufschlagbar ist, um eine zweite Druckkraftkomponente für die Betätigung bereitzustellen, die entgegengesetzt zu der ersten Druckkraftkomponente wirkt. Ein solcher fluidbetriebener Antrieb benötigt nicht notwendigerweise Rückstellfedern oder dergleichen.
Ein fluidbetätigter Antrieb mit zwei Arbeitskammern zum Erzeugen entgegengesetzt zueinander wirkender Druckkraftkomponenten wird üblicherweise als doppelt wirkender fluidbetriebener Antrieb bezeichnet. Ein fluidbetriebener Antrieb mit einer einzigen Antriebskammer, der eine Druckkraftkomponente bereitstellt, und einer entgegengesetzt zu der Druckkraftkomponente wirkende Federkraft bereitstellende zweiten Arbeitskammer, in der Umgebungsdruck herrscht und in der Federn angeordnet sind, wird hingegen als einfach wirkender Antrieb bezeichnet.
Die Erfindung betrifft auch ein Feldgerät einer prozesstechnischen Anlage, wie einer chemischen, insbesondere petrochemischen Anlage, eines Kraftwerks, einer lebensmittelverarbeitenden Anlage, wie einer Brauerei, oder dergleichen, das einen erfindungsgemäßen fluidbetriebenen Antrieb und ein Steilventil, wie ein Regelungs- und/oder Sicherheitsventil, zum Einwirken auf ein Prozessfluid der prozesstechnischen Anlage umfasst. Insbesondere unterstützt dabei die magnetische Kraftkomponente eine Schließwirkung oder eine Öffnungswirkung bzw. Haltewirkung des Stellventils.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Feldgerats ist der fluidbetriebene Antrieb an dem Stellventil mittels eines Jochs, einer Laterne oder dergleichen angeordnet, wobei sich die Antriebsstange oder -welle in, insbesondere durch, das Joch oder die Laterne erstreckt. Die Verwendung eines Jochs oder einer Laterne zwischen fluidbetriebenem Antrieb und Stellventil erlaubt einen vereinfachten Zugriff auf die Antriebsstange zur Montage und/oder Wartung eines Feldgeräts.
Vorzugsweise ist bei einem erfindungsgemäßen Feldgerät ein Antriebsfluid, wie ein Pneumatik- oder Hydraulikfluid, das zur Beaufschlagung der Antriebskammer vorgesehen ist, unterschiedlich zu dem Prozessfluid der prozesstechnischen Anlage, auf welches das Stellventil einwirkt.
Weitere Eigenschaften, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungen anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines einfach wirkenden pneumatischen Stellantriebs mit einem in der Rückstellkammer angeordneten Permanentmagneten, der anziehend mit einer ferromagnetischen Stellstange kooperiert;
2 eine schematische Schnittansicht eines anderen einfach wirkenden pneumatischen Stellantriebs mit mehreren Permanentmagneten in der pneumatisch beaufschlagbaren Antriebskammer des Antriebs, die anziehend mit einem ferromagnetischen Antriebsteller zusammenwirken; und
3 eine schematische Schnittansicht eines doppelt wirkenden pneumatischen Antriebs, bei dem der Antriebsteller als Magnet ausgeführt ist, der mit Magneten, die in einer Antriebskammer angeordnet sind, einander anziehend kooperiert.
Der in den Figuren dargestellte pneumatisch fluidbetriebene Antrieb 1 umfasst als wesentliche Komponente eine pneumatisch betätigte Arbeitskammer 3, wenigstens einen Magneten und eine Antriebsstange 7 zum Übermitteln der von dem Antrieb bereitgestellten Betätigungskraft zu einem (nicht dargestellten) Stellventil. Je nach Ausführung des fluidbetätigten Antriebs 1 kann eine zweite beispielsweise pneumatisch fluidbetätigbare Arbeitskammer vorgesehen sein oder etwa Druckfedern, die entgegengesetzt zu der pneumatischen Arbeitskammer wirken und die in einer zweiten Arbeitskammer angeordnet sein können.
Bei der in 1 dargestellten Ausführung ist der Stellantrieb 1 unterteilt in eine Arbeitskammer 3, die mit einem pneumatischen Stelldruck beaufschlagbar ist, und in eine Rückstellkammer 27, eine zweite Arbeitskammer, in der Druckfedern 25 angeordnet sind. Beide Arbeitskammern 3, 27 sind ummantelt von einem Antriebsgehäuse 23. Das Antriebsgehäuse 23 weist einen topfförmigen Unterdeckel 31 und einen topfförmigen Oberdeckel 33 auf. An der Außenseite des Antriebsgehäuses 23 ist zwischen dem im Wesentlichen gleich geformten Ober- 33 und Unterdeckel 31 eine Membran 35 fluiddicht befestigt. Die Membran 35 wirkt zusammen mit dem Antriebsteller 37 als bewegliche, fluiddichte Barriere zwischen der Arbeitskammer 3 und der Rückstellkammer 27. Der Antriebsteller 37 oder Antriebskolben ist fest verbunden mit der Antriebsstange, beispielsweise über eine gesicherte Schraubverbindung. Die stellfeste Verbindung von Antriebsteller 37 an Antriebsstange gewährleistet eine spielfreie Übertragung des Stellwegs des Antriebstellers 37 auf die Antriebsstange 7.
Bei dem in 1 dargestellten einfach wirkenden pneumatischen Stellantrieb sind mehrere Druckfedern 25 zwischen dem Oberdeckel 33 und dem Antriebsteller 37 des Antriebs 1 verspannt. Die Federn befinden sich in der Rückstellkammer 27, die mittels einer Gehäuseöffnung 41 fluidisch mit der Umgebung kommuniziert, so dass in der Rückstellkammer 27 Umgebungsdruck herrscht.
Die pneumatisch fluidbeaufschlagbare Antriebskammer 3 steht fluidisch in Kommunikation mit einer (nicht dargestellten) Druckquelle, wie einem Druckreservoir, einem Druckregler oder dergleichen, um der Antriebskammer 3 einen Antriebsdruck oder Stelldruck mitzuteilen. Die Antriebsstange 7 erstreckt sich von dem Antriebsteller 37 durch die pneumatisch beaufschlagbare Antriebskammer 3 und durch eine Antriebsstangenöffnung 43, so dass die Antriebsstange 7 eine Longitudinalbewegung entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung vollführen kann. Die Antriebsstangenöffnung 43 ist mit einer Dichtpackung 45 ausgestattet, so dass im Wesentlichen kein Arbeitsfluid, d. h. Pneumatikfluid oder Hydrauliköl, aus der Antriebskammer 3 entweichen kann. Die Dichtpackung 45 muss jedenfalls ausreichend dicht sein, um zu gewährleisten, dass innerhalb der Antriebskammer 3 ein zum Betätigen eines Stellventils und zum Halten des Stellventils in offener Position notwendiger Antriebsdruck, stabil vorherrschen kann.
Bei dem in 1 dargestellten Antrieb 1 ist die Antriebsstange 7 ferromagnetisch. Innerhalb der Rückstellkammer 27 ist in axialer Verlängerung zu der Antriebsstange 7 ein Permanentmagnet 11 angeordnet, der auf die ferromagnetische Antriebsstange 7 anziehend wirkt. Der Permanentmagnet 11 könnte auch außerhalb des Gehäuses 23, beispielsweise an der Oberseite des Oberdeckels 33 angeordnet sein (nicht dargestellt). Anstelle der gesamten Antriebsstange 7 könnte auch nur ein Teil der Antriebsstange 7, insbesondere ein am oberen Ende der Antriebsstange angeschweißtes Teil aus einem ferromagnetischen Material bestehen (nicht dargestellt). Durch die Anziehungswirkung des Permanentmagneten 11 auf die Stellstange 7 bei dem in 1 dargestellten Antrieb 1 ist die zum Halten des Stellventils in der maximal oberen Stellung, was beispielsweise einer maximal geöffneten Ventilstellung entsprechen kann (nicht dargestellt), erforderliche pneumatische Antriebskraft verringert.
Die Betätigungskraft des Stellantriebs 1 in 1 zum Halten der Antriebsstange 7 in der maximal oberen Position (nicht dargestellt) setzt sich zusammen aus der pneumatischen Kraftkomponente, die ausgeht von der Differenz des in der Arbeitskammer 3 wirkenden pneumatischen Drucks gegenüber dem in der Rückstellkammer 27 wirkenden Umgebungsdruck, die auf die pneumatische Wirkfläche des Antriebstellers 37 an der Membran 35 wirkt, zuzüglich der magnetischen Kraftkomponente infolge der Anziehung des Permanentmagneten 11 und der ferromagnetischen Stellstange 7 aneinander und der entgegengesetzt wirkenden Druckkraftkomponente, die die Federn 25 infolge ihrer Komprimierung auf den Oberdeckel 33 bzw. den Antriebsteller 37 aufbringen. Gegebenenfalls können Reibungskräfte beispielsweise der Dichtpackung 45 und/oder Kräfte des Prozessfluids auf ein mit der Antriebsstange 7 kooperierendes Ventilteil für die Betätigungskraft relevant sein.
Der Stellantrieb 1, der in 2 dargestellt ist, unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten einfach wirkenden pneumatischen Stellantrieb 1 durch die Anordnung des Magneten 13 (bzw. in 1: Magnet 11) zum Bereitstellen einer magnetischen Kraftkomponente. Da der Aufbau der Stellantriebe gemäß 1 und 2 einander ansonsten im Wesentlichen entsprechen, werden für die gleichen oder ähnlichen Teile dieselben oder ähnliche Bezugsziffern verwendet.
Bei dem in 2 dargestellten Antrieb 1 wirken mehrere Permanentmagneten 13 anziehend auf den ferromagnetischen Antriebsteller 37 zum Verstärken der Haltewirkung für die Antriebsstange 7 in deren maximal unterer Stellung (nicht dargestellt). Durch die von die Magneten 13 und die ferromagnetische Antriebsplatte 37 gebildete Kräftepaar wird eine magnetische Kraftkomponente bereitgestellt, die mit der Druckkraftkomponente der Federn 25 zusammenwirkt, um die Antriebsstange 7 in einer unteren Maximalstellung oder Endstellung zu halten. Diese Endstellung kann einer Schließstellung eines (nicht dargestellten) Stellventils entsprechen, so dass die Schließkraft durch die magnetische Kraftkomponente verstärkt ist.
Pneumatische Antriebe, wie die in 1 oder 2 gezeigten, können ein Hubvolumen von mehr als 100 cm³, mehr als 150 cm³, etwa 240 cm³, mehr als 500 cm³ oder mehr als 1000 cm³ aufweisen. Beispielsweise kann ein pneumatischer Antrieb ein Hubvolumen von 240 cm³ bei einer maximalen Schließkraft von 240 N aufweisen. Ein großer pneumatischer Antrieb kann ein Hubvolumen von mehr als 50 dm³ und bis zu 100 dm³, vorzugsweise zwischen 60 dm³ und 80 dm³, beispielsweise etwa 70 dm³ oder etwa 68 dm³ aufweisen. Insbesondere kann ein großer pneumatischer Antrieb ein Hubvolumen von etwa 68 dm³ und eine maximale Schließkraft von etwa 28 kN aufweisen.
3 zeigt einen doppelt pneumatisch wirkenden Antrieb 1, der sich von den Antrieben gemäß der vorherigen Figuren dadurch unterscheidet, dass er keine Rückstellfedern hat, sondern durch die beiden Arbeitskammern 3, 5 doppelt wirkend fluidisch, insbesondere pneumatisch, betätigbar ist. Aufgrund des ansonsten im Wesentlichen gleichen Aufbaus werden im Folgenden auch für den Antrieb gemäß 3 dieselben oder ähnliche Bezugszeichen für dieselben oder ähnliche Bauteile wie bei den vorherigen Figuren verwendet.
3 zeigt einen doppelt wirkenden pneumatischen Antrieb, der in der unteren Antriebskammer 3 mehrere Permanentmagneten 13 aufweist, die anziehend auf eine als Permanentmagnet gebildete Antriebsplatte 37 wirken. In der oberen Antriebskammer 5 sind bei der Ausführung gemäß 3 keine Federn vorgesehen. Die obere Antriebskammer 5 ist über eine Öffnung 51 mit einem Antriebsdruck beaufschlagbar, der sich von dem Antriebsdruck der unteren Antriebskammer 3 unterscheiden kann. Der Antriebsdruck der Antriebskammern 3, 5 kann beispielsweise zwischen dem Umgebungsdruck und einem Überdruck von bis zu 6 bar, 10 bar, 12 bar oder 20 bar einstellbar sein. Die Druckdifferenz zwischen den Arbeitskammern 3 und 5 bestimmt die Betätigungskraft.
Bei dem in 3 dargestellten doppelt wirkenden pneumatischen Antrieb 1 sind an dem permanentmagnetischen Antriebsteller 15 gegenüber zu jedem der Permanentmagneten 13 in der Antriebskammer 3 Abstandshalter 53 zum Halten eines vorbestimmten minimalen Abstands zwischen den einander anziehend kooperierenden Magneten 15, 13 vorgesehen, so dass ein Berührkontakt der gegenüberliegenden Magneten 13, 15 miteinander ausgeschlossen ist. Derartige Abstandshalter können auch bei dem in 1 und 2 dargestellten pneumatischen Antrieb vorgesehen sein. Beispielsweise kann bei dem Antrieb gemäß 1 die Seitenwand des Antriebstellers 37 kronenartig in Richtung des Oberdeckels 33 verlängert sein, um einen Minimalabstand zwischen Magnet 11 und ferromagnetischer Stellstange 7 zu gewährleisten.
Die Magneten 13 können alternativ als steuerbare Elektromagneten realisiert sein (nicht dargestellt), die wahlweise einen Nordpol oder einen Südpol auf den Antriebsteller 37 richten. Falls der Antriebsteller 37 bei der Ausführung gemäß 2 mit Permanentmagneten oder einem Elektromagneten ausgestattet ist, die mit dem Untertopf 31 befestigten Magneten 13 kooperieren, kann durch ein Umpolen der Elektromagneten wahlweise eine anziehende oder eine abstoßende Wirkung auf den Antriebsteller 37 ausgeübt werden. So kann zum Schließen eine anziehenden Wirkung bereitgestellt sein und zum Öffnen eine abstoßende Wirkung.
Alternativ zu den dargestellten Ausführungen gemäß 2 und 3 können die am Untertopf 31 befestigten Magneten 13 auch außerhalb des Antriebsgehäuses 23 angeordnet sein. Allerdings hat es sich im Hinblick auf die Krafteinleitung und im Hinblick darauf, dass das magnetische Feld der Magneten 13 durch das Material des Gehäuses 23 nicht geschwächt werden sollte, als vorteilhaft erwiesen, die Magneten innerhalb des Gehäuses anzuordnen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
Bezugszeichenliste

1: fluidbetriebener Antrieb
3, 5: Arbeitskammer
7: Antriebsstange
11, 13, 15: Magnet
23: Antriebsgehäuse
25: Druckfedern
27: Rückstellkammer
31: Unterdeckel
33: Oberdeckel
35: Membran
37: Antriebsteller
43: Antriebsstangenöffnung
45: Dichtpackung
53: Abstandshalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010014668 A1 [0007]

Claims

Fluidbetriebener Antrieb (1), wie ein pneumatischer oder hydraulischer Antrieb, insbesondere Hubantrieb, für ein Feldgerät einer prozesstechnischen Anlage, wie einer chemischen, insbesondere petrochemischen, Anlage, eines Kraftwerkes, einer Brauerei oder dergleichen, wobei der Antrieb (1) dazu ausgelegt ist, zum Stellen eines Steilventils, wie eines Regelungs- und/oder Sicherheitsventils, des Feldgeräts eine Betätigungskraft zu erzeugen, umfassend wenigstens eine Arbeitskammer (3), die mit einem fluidischen, wie einem pneumatischen oder hydraulischen, Stelldruck beaufschlagbar ist, um eine Druckkraftkomponente für die Betätigungskraft bereitzustellen, und eine sich aus oder von dem Antrieb (1) erstreckende Antriebsstange (7) oder -welle zum Stellen des Stellventils mittels der Betätigungskraft, gekennzeichnet durch wenigstens einen Magnet (11, 13, 15), wie ein Permanentmagnet oder Elektromagnet, zum Bereitstellen einer magnetischen Kraftkomponente für die Betätigungskraft.
Fluidbetriebener Antrieb (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Magnet (11, 13, 15) als erster Kraftpartner mit einem zweiten, ferromagnetischen oder magnetischen Kraftpartner zum Bereitstellen der magnetischen Kraftkomponente als Kraftpaar kooperiert, wobei einer der Kraftpartner antriebsstangenfest in dem fluidbetriebenen Antrieb (1) angeordnet ist und die Antriebsstange (7) relativ zu dem anderen, insbesondere ortsfesten, Kraftpartner beweglich ist, wobei die magnetische Kraftkomponente dadurch erzeugt wird, dass die Kraftpartner einander magnetisch anziehen oder abstoßen.
Fluidbetriebener Antrieb (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Kraftpartner unmittelbar an der Antriebsstange (7) oder an einem an der Antriebsstange (7) befestigten Bauteil, wie einem Antriebsteller (37), angebracht ist und der andere Kraftpartner ortsfest an, insbesondere in, einem Gehäuse (23) des Antriebs (1) angebracht ist.
Fluidbetriebener Antrieb (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der fluidbetriebene Antrieb (1) wenigstens zwei Kraftpaare zum Bereitstellen unterschiedlicher magnetischer Kraftkomponenten aufweist.
Fluidbetriebener Antrieb (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen Abstandshalter, der einen vorbestimmten Minimalabstand zwischen den kooperierenden Kraftpartnern definiert.
Fluidbetriebener Antrieb (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Magnet (11, 13, 15) in einer Arbeitskammer (3, 5, 27), insbesondere der mit dem Stelldruck beaufschlagbaren Arbeitskammer (3), des fluidbetriebenen Antriebs (1) angeordnet ist.
Fluidbetriebener Antrieb (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Feder (25) zum Bereitstellen einer Federkraftkomponente für die Betätigungskraft, wobei die Federkraftkomponente vorzugsweise entgegengesetzt zu der Druckkraftkomponente insbesondere zum Schließen oder Öffnen des Stellventils wirkt und/oder wobei die wenigstens eine Feder (25) in einer Arbeitskammer (27) des fluidbetriebenen Antriebs (1) angeordnet ist, in der vorzugsweise Umgebungsdruck oder Betriebsdruck herrscht, wobei insbesondere die magnetische Kraftkomponente zum Spannen der wenigstens einen Feder (25) entgegengesetzt zur Federkraftkomponente wirkt oder wobei die magnetische Kraftkomponente insbesondere entgegen einer Druckkraftkomponente zum Entlasten der wenigstens einen Feder (25) gleichgerichtet zur Federkraftkomponente wirkt.
Fluidbetriebener Antrieb (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zweite Arbeitskammer (3), die mit einem fluidischen, wie einem pneumatischen oder hydraulischen, Stelldruck beaufschlagbar ist, um eine zweite Druckkraftkomponente für die Betätigungskraft bereitzustellen, die entgegengesetzt zu der ersten Druckkraftkomponente wirkt.
Feldgerät einer prozesstechnischen Anlage, wie einer chemischen, insbesondere petrochemischen, Anlage, eines Kraftwerkes, einer Brauerei oder dergleichen, umfassend einen fluidbetriebenen Antrieb (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche und ein Stellventil, wie ein Regelungs- und/oder Sicherheitsventil, zum Einwirken auf ein Prozessfluid der prozesstechnischen Anlage, wobei insbesondere die magnetische Kraftkomponente eine Schließwirkung oder Öffnungswirkung des Stellventils unterstützt.
Feldgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der fluidbetriebene Antrieb (1) an dem Stellventil mittels eines Jochs oder einer Laterne angebracht ist, wobei sich die Antriebsstange oder -welle in, insbesondere durch, das Joch oder die Laterne erstreckt.
Feldgerät nach einem Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antriebsfluid, wie ein Pneumatik- oder Hydraulikfluid, das zum Beaufschlagen der Antriebskammer (3, 5) vorgesehen ist, sich von dem Prozessfluid der prozesstechnischen Anlage, auf welches das Stellventil einwirkt, unterscheidet.