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Die Erfindung betrifft einen Ventilantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Beispielsweise bei der Herstellung von pharmazeutischen Produkten werden Sitzventile oder Membranventile zur Steuerung des Flusses flüssiger Komponenten eingesetzt. Diese Ventile verfügen über einen Ventilantrieb, welcher sowohl mechanisch als auch elektrisch oder pneumatisch sein kann. Mit einem solchen Ventilantrieb kann das Ventil geöffnet oder geschlossen oder in eine Zwischenstellung gesteuert werden.
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Hierzu verfügt ein typischer Ventilantrieb über ein linear bewegliches Betätigungselement, welches mit dem eigentlichen Ventilelement zumindest mittelbar gekoppelt ist. Um eine Beschädigung beispielsweise der Ventilmembran zu vermeiden, wird der maximale Hub des Betätigungselements durch einen Endanschlag begrenzt. Dessen Position ist wiederum manuell einstellbar. Ein Beispiel für ein solches Ventil ist in der
DE 102 46 912 A1 beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ventilantrieb zu schaffen, dessen Hub schnell und präzise eingestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Ventilantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen genannt. Darüber hinaus finden sich für die Erfindung wichtige Merkmale in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung, wobei diese Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in beliebigen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals gesondert hingewiesen wird.
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Erfindungsgemäß weist der Ventilantrieb eine Endanschlagseinrichtung auf, welche ein motorisch angetriebenes Verstellmittel umfasst, mit dem die Position des Endanschlags verstellt werden kann. Eine solche motorische Verstellbarkeit des Endanschlags gestattet eine im Vergleich zu einer manuellen Einstellung deutlich schnellere Justierung des maximal möglichen Ventilhubs. Hierdurch wird auf sehr einfache Art und Weise die gesamte Anlageneffizienz verbessert. Als motorisch angetriebenes Verstellmittel kommt beispielsweise ein Elektromotor infrage, aber auch ein pneumatischer Antrieb oder ein hydraulischer Antrieb.
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Eine erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventilantriebs sieht vor, dass das motorische Verstellmittel ein Getriebe umfasst. Der Vorteil liegt darin, dass das Getriebe an die speziellen Einsatzerfordernisse angepasst ausgelegt sein kann, wodurch eine im Vergleich zu herkömmlichen Ventilantrieben besonders präzise Einstellung der Position des Endanschlags ermöglicht wird.
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In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das motorisch angetriebene Verstellmittel einen Elektromotor und ein Spindelgetriebe mit einer linear verschieblichen Spindel umfasst, an der der Endanschlag ausgebildet oder die mit dem Endanschlag verbunden ist. Ein solches Spindelgetriebe kann auf einfache Art und Weise durch Wahl der Steigung der Spindel als selbsthemmendes Spindelgetriebe ausgelegt werden, wodurch ein selbstständiges Verstellen der Position des Endanschlags durch das mit einer gewissen Kraft anliegende Betätigungselement verhindert wird. Die Verwendung eines Elektromotors spart Kosten und Bauraum.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Elektromotor ein Schrittmotor ist. In diesem Fall reicht ein kurzer elektrischer Impuls, um die Position des Endanschlags zu verstellen. Möglich ist beispielsweise, dass eine schrittweise Verstellung des Endanschlags in – lediglich beispielhaft – insgesamt 10 Schritten möglich ist. Mit einem solchen Schrittmotor kann darüber hinaus eine Rückmeldung betreffend die aktuelle Position des Endanschlags auf einfache Art und Weise erhalten werden. Ein solcher Schrittmotor wird nämlich üblicherweise mit vier Anschlüssen an eine entsprechende Steuerung angeschlossen. Der erste Anschluss steuert den Schrittmotor in der einen Richtung (beispielsweise AUF), der zweite Anschluss steuert den Schrittmotor in der anderen Richtung (beispielsweise ZU), der dritte Anschluss verbindet den Schrittmotor mit Masse, und der vierte Anschluss liefert ein Signal, welches der aktuellen Schrittstellung des Schrittmotors entspricht und somit eine Rückmeldung liefert.
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Vorgeschlagen wird auch, dass an der Spindel eine Anschlagplatte ausgebildet ist, welche den Endanschlag bildet. Somit kann als Spindel ein übliches Teil verwendet werden, und es steht dennoch eine genügend große Anschlagfläche für das Betätigungselement zur Verfügung, so das ein zuverlässiger Betrieb des Ventilantriebs gewährleistet ist.
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Die Endanschlagseinrichtung kann einen Sensor aufweisen, der die Position des Endanschlags erfasst und der ein entsprechendes Signal an eine Steuerung oder an eine Anzeige übermittelt. Dies kann anstelle oder zusätzlich zu einer Rückmeldung seitens des elektrischen Verstellmittels vorgesehen werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Endanschlagseinrichtung eine visuelle Anzeigeeinrichtung der Position des Endanschlags aufweist. Dies kann im einfachsten Fall ein Sichtfenster in einem Gehäuse sein, durch welches ein Benutzer von außen beispielsweise auf die Anschlagplatte oder die Spindel schauen kann, wobei vorzugsweise in dem Sichtfenster eine Skala vorhanden ist, welche die Position des Endanschlags quantifiziert. Möglich ist aber auch, dass die visuelle Anzeigeeinrichtung ein koaxial zur Spindel und/oder zur Anschlagplatte oder etwas ähnlichem angeordnetes stabförmiges Anzeigeelement aufweist, welches durch eine Öffnung in einem Gehäuse des Ventilantriebs je nach Position des Endanschlags mehr oder weniger heraus steht. Auch auf dem stabförmigen Anzeigeelement können Markierungen vorhanden sein, die eine Quantifizierung der Position des Endanschlags ermöglichen. Die Quantifizierung kann beispielsweise darin bestehen, dass die aktuelle Position in Prozent der Maximalposition angegeben wird.
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Möglich ist auch, dass die Endanschlagseinrichtung starre Wegbegrenzungen aufweist, welche mögliche Endlagen des Endanschlags definieren. Damit wird verhindert, dass der Endanschlag selbst einen maximal zulässigen Positionsbereich verlässt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventilantriebs zeichnet sich dadurch aus, dass die Endanschlagseinrichtung eine Elektronikeinheit zur Steuerung des motorisch angetriebenen Verstellmittels umfasst. Insbesondere dann, wenn als motorisch angetriebenes Verstellmittel ein Schrittmotor verwendet wird, wird auf diese Weise eine integrierte Einheit geschaffen, welche nicht nur die mechanischen, sondern auch die für die Ansteuerung erforderlichen elektronischen Komponenten enthält. Über einen Standardanschluss kann der Ventilantrieb dann beispielsweise mit einem Bedienpanel einer verfahrenstechnischen Anlage gekoppelt sein, von wo aus die Position des Endanschlags durch einen Benutzer oder eine Computersteuerung verstellt wird. Ein solcher Ventilantrieb ist daher besonders vielseitig einsetzbar.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass eine elektronische Anzeige vorgesehen ist, auf der die aktuelle Position des Endanschlags anzeigbar ist. Diese elektronische Anzeige kann sowohl am Ventilantrieb selbst als auch an einem entfernt angeordneten Bedienpanel vorhanden sein. Die elektronische Anzeige kann grafisch die Position des Endanschlags wiedergeben, oder numerisch, beispielsweise als Prozentwert bezogen auf eine maximale Endstellung des Endanschlags. Hierdurch wird die Einstellung des Endanschlags erleichtert und eine einfache Überwachung gestattet.
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Nachfolgend wird eine mögliche Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Ventilantriebs;
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2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Teils des Ventilantriebs von 1;
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3 eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung eines Teils des Ventilantriebs von 1; und
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4 eine perspektivische Darstellung eines Ventils mit dem Ventilantrieb von 1, jedoch ohne dessen Gehäuse.
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Ein Ventilantrieb trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Er umfasst eine Endanschlagseinrichtung 12 und einen Betätigungsabschnitt 14, von dem vorliegend nur ein linear bewegliches Betätigungselement 16 sichtbar ist, welches mit einem nicht dargestellten Ventilelement gekoppelt ist. Das Betätigungselement 16 wird vorliegend elektrisch bewegt. Bei nicht gezeigten Ausführungsformen wird es manuell oder pneumatisch bewegt.
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Der Ventilantrieb 10 gehört zu einem nicht näher gezeigten Fluidventil. Dieses dient beispielsweise zum Einsatz in einer verfahrenstechnischen Anlage zur Herstellung eines pharmazeutischen Produkts. Es kann sich um ein Sitzventil handeln oder um ein Membranventil.
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Die Endanschlagseinrichtung 12 umfasst einen einstellbaren Endanschlag 18, der vorliegend durch eine längliche und zu einer Längsachse der Endanschlagseinrichtung 12 quer liegende Anschlagplatte gebildet wird. Ferner umfasst die Endanschlagseinrichtung 12 eine erste Grundplatte 20 und eine zweite Grundplatte 22. Die beiden Grundplatten 20 und 22 sind mittels Schrauben 24 miteinander verbunden. Beide Grundplatten 20 und 22 haben in der Draufsicht insgesamt eine 4-eckige Grundform mit abgerundeten Ecken. Die in 1 obere erste Grundplatte 20 weist auf ihrer Unterseite an zwei ihrer Ränder eine in 1 nach unten abragenden Distanzwand 26 auf. Diese bewirkt, dass im zusammengebauten Zustand zwischen den beiden Grundplatten 20 und 22 ein Freiraum verbleibt, auf den weiter unten noch eingegangen werden wird.
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Beide Grundplatten 20 und 22 weisen jeweils eine zentrische Durchgangsbohrung auf, von denen nur jene in der oberen ersten Grundplatte 20 mit dem Bezugszeichen 28 versehen ist. In einem Eckbereich der oberen ersten Grundplatte 20 ist eine weitere Bohrung (ohne Bezugszeichen) vorhanden, durch welches ein Ritzel (ohne Bezugszeichen) eines Elektromotors 30 von oben hindurchgesteckt ist. Der Elektromotor 30 ist mit einem Flansch (ohne Bezugszeichen) an der ersten Grundplatte 20 befestigt. Er ist als Schrittmotor ausgeführt und bildet ein elektrisches Verstellmittel für den Endanschlag 18, wie weiter unten noch dargelegt werden wird.
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Zwischen dem Elektromotor 30 und dem Endanschlag 18 ist ein Getriebe 32 zwischengeschaltet. Bei diesem handelt es sich um ein Spindelgetriebe mit einem Außenzahnrad 34, welches mit dem Ritzel des Elektromotors 30 kooperiert, und welches starr mit einer Gewindehülse 36, die ein Innengewinde aufweist, verbunden ist. Im zusammengebauten Zustand ist die Gewindehülse 36 durch die Durchgangsbohrungen in der unteren zweiten Grundplatte 22 hindurchgesteckt. Das Außenzahnrad 34 befindet sich dann im Freiraum zwischen der ersten und der zweiten Grundplatte 20 bzw. 22. Die mit ihrer Außenseite in der unteren Grundplatte 22 gelagerte Gewindehülse 36 bildet insoweit eine Drehachse für das Außenzahnrad 34.
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In der Gewindehülse 36 ist eine Spindel 38 aufgenommen, die mit dem Innengewinde in der Gewindehülse 36 kooperiert. Die Spindel 38 ist als einfacher gerader Stab mit einem Außengewinde ausgeführt, der, wie aus 3 ersichtlich ist, in der Mitte eine Durchgangsbohrung 40 aufweist. Am in den Figuren unteren Ende der Spindel 38 ist an dieser der Endanschlag 18 befestigt. Dabei kann der Endanschlag 18 starr an der Spindel 38 befestigt sein, oder auch um die Längsachse der Endanschlagseinrichtung 12 beweglich.
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Wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist, gehört zu der Endanschlagseinrichtung 12 ein zylindrisches Unterteil 42, in welches die oben erwähnten Schrauben 24 eingeschraubt sind. Die äußere Mantelfläche des Unterteils 42 ist mit einem Außengewinde 44 versehen, mit der das Unterteil 42 – und damit die gesamte Endanschlagseinrichtung 12 – in einen Befestigungsflansch 44 (3) eines Ventilgehäuses 46 (4) eingeschraubt werden kann.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist auf die erste Grundplatte 20 eine eine Mehrzahl von Kühlrippen 48 aufweisende Hülse 50 aufgesetzt, in der eine Platine 52 aufgenommen ist. Auf dieser Platine 52 ist eine Mehrzahl elektronischer Bauelemente (ohne Bezugszeichen) angeordnet. Die Platine 52 mit den elektronischen Bauelementen bildet eine Elektronikeinheit, welche zur Steuerung des Elektromotors 30 dient. Die Elektronikeinheit 52 ist insoweit in die Endanschlagseinrichtung 12 integriert.
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In 1 ist auch ein topfförmiges zylindrisches Gehäuse 54 dargestellt, welches über die inneren Komponenten der Endanschlagseinrichtung 12 von oben gestülpt wird. In der Oberseite des Gehäuses 54 ist eine Öffnung vorhanden, durch die ein stabförmige Anzeigeelement 56 hindurch geführt ist. Das Anzeigeelement 56 weist an seinem in 1 sichtbaren oberen Ende zunächst einen umlaufenden Bund 58 und dann ein zylindrisches Endstück 60 auf. Auf dem zylindrischen Endstück 60 sind in der Figur nicht dargestellte optische Markierungen vorhanden. Das Anzeigeelement 56 steht mit seinem unteren Ende auf dem oberen Ende der Spindel 38 auf. Gegen dieses obere Ende der Spindel 38 wird das Anzeigeelement 56 durch eine nicht sichtbare Feder beaufschlagt. Alternativ kann das Anzeigeelement 56 auch durch die Längsöffnung 40 in der Spindel 38 hindurch reichen bis zum Endanschlag 18.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform weist die Endanschlagseinrichtung einen Sensor auf, der die Position des Endanschlags erfasst und der ein entsprechendes Signal an eine Steuerung und/oder an eine Anzeige übermittelt.
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Die Endanschlagseinrichtung 12 weist ferner eine obere und eine untere starre Wegbegrenzung auf, welche die beiden möglichen Endlagen des Endanschlags 18 und damit dessen maximalen Verstellbereich definieren. Diese Wegbegrenzungen sind in der Zeichnung jedoch nicht sichtbar.
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Der Schrittmotor 30 liefert über die Elektronikeinheit 52 ein Signal, mit dem die aktuelle Position des Endanschlags 18 auf elektronischem Wege übertragbar ist. Beispielsweise an einem nicht dargestellten Bedienpanel ist eine Anzeige, beispielsweise ein Bildschirm, vorhanden, auf dem die aktuelle Position des Endanschlags 18 entweder grafisch dargestellt wird, oder beispielsweise in Prozent von einem maximal möglichen Verstellweg.
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Der Ventilantrieb 10 mit der Endanschlagseinrichtung 12 arbeitet folgendermaßen: um einen bestimmten Ventilhub des Betätigungselements 16 sicherzustellen bzw. zu definieren, wird die Endanschlagseinrichtung 12 betätigt. Hierzu wird der Schrittmotor 30 schrittweise so angesteuert, dass der Endanschlag 18 eine gewünschte Lage einnimmt. Beispielsweise kann der maximalen Verstellweg des Endanschlags 18, der durch die beiden Wegbegrenzungen definiert ist, in 10 gleiche Abschnitte aufgeteilt werden, so das der maximale Verstellweg durch 10 Verstellschritte des Schrittmotors 30 durchlaufen wird.
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Um die aktuelle Position des Endanschlags 18 sofort visuell kontrollieren zu können, ist das Anzeigeelement 56 mit dem Bund 58 und dem Endstück 60 vorgesehen. Auf dem Endstück 60 sind Markierungen vorhanden, die von einer Bedienperson erkannt werden können. Je weiter der Endanschlag 18 in den Figuren oben liegt, je größer also der maximal zulässige Hub des Betätigungselements 16 ist, desto mehr tritt das Anzeigeelement 56 aus dem Gehäuse 54 heraus. Wenn die maximale obere Position des Endanschlags 18 erreicht ist, ist auch der Bund 58 aus dem Gehäuse 54 herausgetreten. Vorteilhafterweise ist der Bund 58 in einer Signalfarbe markiert. Hierdurch wird einer Bedienperson deutlich angezeigt, dass der Endanschlag 18 die maximale obere Position erreicht hat und das Betätigungselement 16 somit einen maximalen Hub ausführen kann.
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Die Bewegung des Endanschlags 18 erfolgt, in dem das Ritzel des Elektromotors 30 das Außenzahnrad 34 bewegt, durch welches wiederum die Gewindehülse 36 in eine Drehbewegung versetzt wird. Diese wird über das Innengewinde der Gewindehülse 36 und das Außengewinde der Spindel 38 in eine Linearbewegung der Spindel 38 längs zur Längsachse der Endanschlagseinrichtung 12 transformiert. Zu diesem Zweck wird eine Drehbewegung der Spindel 38 durch ein geeignetes und in der Zeichnung nicht sichtbares Mittel unterbunden. Durch die Bewegung der Spindel 38 wird wiederum der mit der Spindel 38 verbundene Endanschlag 18 nach oben bzw. unten bewegt.
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Der Endanschlag 18 wirkt mit dem oberen Ende des Betätigungselements 16 zusammen. Je nach Position des Endanschlags 18 kann das Betätigungselement 16 mehr oder weniger linear nach oben bewegt werden, bis es am Endanschlag 18 anliegt. Da die Steigung auf der Spindel 38 so gewählt ist, dass es sich um eine selbsthemmende Spindel 38 handelt, bleibt der Endanschlag 18 zuverlässig in seiner Position auch dann, wenn das Betätigungselement 16 mit großer Kraft gegen den Endanschlag 18 drückt. Der maximale Hub des Betätigungselements 16 wird also zuverlässig durch den Endanschlag 18 begrenzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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