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Hydraulische servomotorähnliche Betätigungsvorrichtung Die Erfindung
betrifft eine hydraulische servomotorähnliche Betätigungsvorrichtung, beispielsweise
zum Öffnen oder Schließen von Ventilen.
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Es sind bereits derartige Betätigungsvorrichtungen bekannt, die mit
Öl oder Wasser oder einer ähnlichen Arbeitsflüssigkeit betrieben werden. Die Arbeitsflüssigkeit
wird da-bei in eine Arbeitskammer mit veränderlichem Volumen gedrückt und wirkt
während des Arbeitshubes einer den ursprünglichen Zustand wiederherstellenden Kraft
entgegen.
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Diese bekannten Vorrichtungen besitzen verschiedene Nachteile, insbesondere
unvermeidliche Leckverluste. Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Nachteile
dieser bekannten hydraulischen servomotorähnlichen Betätigungsvorrichtungen zu vermeiden,
und zwar dadurch, daß als Arbeitsflüssigkeit eine elektrisch leitende Flüssigkeit
(beispielsweise ein flüssiges Metall) verwendet wird, die in einem abgeschlossenen
Behältersystem der Betätigungsvorrichtung enthalten ist und das System während des
Arbeitsvorganges weder verlassen noch in .dieses eintreten kann. Hierbei wird die
Arbeitsflüssigkeit mittels einer elektromagnetischen Pumpe von einer Vorratskammer
aus in .die Arbeitskammer gepumpt. Die Arbeitskammer ist teilweise durch eine federnd
nachgiebige Wand begrenzt, die der Kammer die Möglichkeit der Volumenänderung gibt.
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Die bei solchen Betätigungsvorrichtungen verwendeten Flüssigkeiten
(vornehmlich flüssige Metalle) sind sehr reaktionsfähig. Beispielsweise sind flüssiges
Natrium oder flüssiges Kalium oder eine Legierung dieser beiden Metalle an der Luft
nicht beständig, sondern oxydieren unter Entwicklung großer Wärmemengen und unter
Bildung ätzender Reaktionsprodukte. Flüssiges Quecksilber weist diese Nachteile
zwar nicht auf, ist dagegen aber sehr giftig.
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Um bei der Verwendung derartiger sehr reaktionsfähiges Arbeitsflüssigkeiten
mit Sicherheit zu verhindern, daß beim Bruch oder bei Undichtigkeit der Kammerwände,
insbesondere deren federnd nachgiebigem Teil, die Arbeitsflüssigkeit nach außen
entweichen und dort Schaden anrichten kann, sind besondere Vorkehrungen notwendig.
Diese werden mit der Erfindung dadurch vorgeschlagen, daß die federnd nachgiebige
Wand gleichzeitig teilweise eine der Arbeitskammer benachbarte, dicht abgeschlossene
zweite Kammer konstanten Volumens, jedoch variabler Form begrenzt, in der ein praktisch
nicht kompressibles Medium enthalten ist, wobei diese Kammer eine in sich steife
Wand aufweist, die sich beim Expandieren oder Zusammenziehen der Arbeitskammer geradlinig
bewegt und einen Betätigungshub ausführt, daß ferner die zweite Kammer als Sicherheitskammer
ausgebildet ist, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß im Fall eines Bruches
oder einer Undichtigkeit der federnd nachgiebigen Wand die sehr reaktionsfähige
Flüssigkeit nicht aus der Vorrichtung entweichen kann, sondern in der Sicherheitskammer
zurückgehalten wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend
an Hand der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel erläutert. Die Zeichnung stellt
einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer hydraulischen, servomotorähnlichen
Betätigungsvorrichtung gemäß der Erfindung dar.
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Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung enthält eine größere
Anzahl etwa konzentrisch zueinander angeordneter druckdichter Kammern. Das Volumen
der ersten drei Kammern 10, 11 und 12 ist variabel. Die Kammer 13 hat ein konstantes
Volumen, jedoch eine variable Form. Die erste Kammer 10 wird zwischen einem becherförmigen
äußeren Gehäuse 14 und einem Balg 15 gebildet. Das Gehäuse 14 ist mit dem Balg 15
über eine Bodenplatte 16 verbunden, die mit dem Balg 15 an der Stelle 17 verschweißt
oder sonstwie dicht verbunden ist und die an der Stelle 18 mit dem Gehäuse 14 verschweißt,
ist. Durch Expandieren oder Zusammenziehen des Balges 15 kann das Volumen der Kammer
10 verändert werden. Die Kammer 10 wird über einen Füllstutzen, der nicht dargestellt
ist, mit Gas oder Luft gefüllt, und der Druck in dieser Kammer ist so eingestellt,
daß der Balg etwa die in der Zeichnung dargestellte Lage einnimmt.
Die
zweite Kammer 11 variablen Volumens wird von dem Balg 15 und einem becherförmigen,
feststehenden inneren Gehäuse 20 begrenzt. Das Gehäuse 20 ist über .die Bodenplatte
16 an der Stelle 18 verschweißt, so daß die Kammer 11 druckdicht ist. Die Kammern
10 und 11 ergeben zusammen ein bestimmtes Gesamtvolumen. Wenn sich
die Kammer 10 ausdehnt, muß sich die Kammer 11 zusammenziehen, da diese beiden Kammern
durch eine gemeinsame Wand, nämlich den Balg 15, voneinander getrennt sind. Die
dritte Kammer 12 variablen Volumens wird nach außen durch das becherförmige Gehäuse
20 und eine zylindrische Fortsetzung 21 :dieses Gehäuses begrenzt. Das zylindrische
Element 21 ist mit einer Bodenplatte 22 verbunden, die ihrerseits an der Stelle
23 mit einem zweiten Balg 24 verbunden ist. Die Verbindung zwischen der Bodenplatte
und dem zylindrischen Element 21 wird durch eine Schweißstelle25 gebildet. Mit dem
Gehäuse 20 ist das zylindrische Element 21 über eine Schweiß- oder Lötverbindung
26 verbunden.
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An der Stelle 32 sind zwei Führungselemente 30 und 31 miteinander
und mit dem oberen Teil 33 des Balges 24 verschweißt. Sie bilden eine Führung
für den Balg. Die Führung 30 dient zum Zentrieren des Balges 24 innerhalb des Gehäuses
20, während die Führung 31 den oberen Teil des Balges 24 schützt und ein kolbenähnliches
Element 34 führt. Das kolbenähnliche Element 34 ist mittels eines Klemmringes 36,
der durch Punktschweißung oder durch sonstige Maßnahmen an der Kante 37 mit dem
kolbenähnlichen Element verbunden ist, mit einem flexiblen Diaphragma 35 verbunden.
An ;dem Rahmenteil 40 ist ein Dichtring 41 angeordnet, der seinerseits die zweite
Kante 42 des Diaphragmas 35 dicht abschließt. Der Rahmenteil 40 ist mittels der
Schweißstellen 25 mit der inneren Oberfläche der Bodenplatte 22, die innerhalb des
zylindrischen Elementes 21 liegt, verbunden. Die auf diese Weise gebildete flüssigkeitsdichte
Kammer 13 wird durch den Balg 24, das kolbenähnliche Element 34, das Diaphragma
35, den Dichtring 41 und die Bodenplatte 22 begrenzt. Die Kammer 13 ist eine Kammer
konstanten Volumens, obgleich die Wandungen der Kammer relativ zueinander beweglich
sind.
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Das kolbenähnliche Element 34 besitzt in seinem Bodenteil
50 zwei U-förmige Schenkel 51 und 52, die in Schlitzen 53 bzw. 54
in dem Rahmenteil 40 gleiten können. Der Rahmenteil 40 ist mit einer schweren Metallplatte
55 verbunden, die als Grundplatte für die gesamte Einheit dient. Die Platte 55 besitzt
einen ringförmigen Flansch 56, der eine kreisförmige Öffnung in der Grundplatte
55 begrenzt. Dieser ringförmige Flansch 56 ist mit dem Boden des Rahmenteiles 40
verbunden und dient zugleich als Anschlag 57 bzw. 58 für die U-förmigen Schenkel
51 und 52.
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Jeder der U-förmigen Schenkel 51 und 52 ist mit einer Öffnung
60 bzw. 61 versehen, durch welche Bolzen 62 bzw. 63 mit Muttern 64 bzw. 65 hindurchgesteckt
sind. Mit den Bolzen wird eine U-förmige Klammer 66 starr gegen die Seiten der U-förmigen
Schenkel 51 und 52 gehalten. Wenn die U-förmigen Schenkel 51 und 52 in den Schlitzen
53 und 54 nach oben oder unten bewegt werden, führt die U-förmige Klammer 66 eine
Vertikalbewegung durch. Diese Bewegung kann zum Antrieb des Kontaktarmes eines Potentiometers
oder einer Schaltvorrichtung benutzt werden, was in der Zeichnung jedoch nicht mehr
dargestellt ist.
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Der Bolzen 63 dient ebenfalls zur Befestigung einer Klammer 70. Die
auf diese Weise an dem Schenkel 51 befestigte Klammer 70 wirkt mit einem Schalter
71 zusammen, der auf der Grundplatte 55 angeordnet ist. Die Klammer 70 kann den
Schalter entweder, wie dargestellt, an der unteren Begrenzung des Hubes oder alternativ.je
nach Lage des Schalters in jeder anderen Stellung betätigen. Ebenfalls können an
anderen Stellen des Hubes;' falls gewünscht, Begrenzungsschalter vorgesehen sein.
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Eine Pumpe 72 ist auf der Grundplatte 55 befestigt. Diese Pumpe besitzt
Eintritts- und Austrittsröhren 73 bzw. 74. Die Röhre74 ist mit der variablen Kammer
12 verbunden und tritt an der Stelle 75 durch die Wandung des zylindrischen Elementes
21 hindurch, und zwar flüssigkeitsdicht eingeschweißt oder sonstwie abgedichtet.
Die Leitung 73- tritt an. -der --Stelle 76 in die druckdichte Kammer 11 ein; diese
Leitung ist flüssigkeitsdicht mit der Bodenplatte des Gehäuses 20 verschweißt oder
sonstwie verbunden.
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Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, ist (die Kammer 10 mit Gas
oder Luft gefüllt. Die Kammern 11 und 12 sind mit Medien, die praktisch nicht kompressibel
sind, gefüllt. Diese Kammern enthalten eine leitfähige Flüssigkeit, wie Quecksilber,
Natrium, Kalium oder eine Natrium-Kalium-Legierung. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird eine Natrium-Kalium-Legierung verwendet, da diese bei Raumtemperatur flüssig
ist. Bei niedrigen Temperaturen kann besonders Quecksilber Verwendung finden, da
es noch bei verhältnismäßig geringen Temperaturen flüssig ist, während die reinen
Metalle Natrium und Kalium bei hohen Temperaturen geeignet sind.
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Die vierte Kammer 13 ist mit einer Flüssigkeit, beispielsweise einem
01, gefüllt. Das Öl kann so ausgewählt werden, daß im Fall eines Bruches
des Balges 24 durch den Zusammentritt von Öl und flüssigem Metall keine Reaktion
auftritt. Normalerweise entzündet sich eine Natrium-Kalium-Legierung an der Luft.
Durch die Ölfüllung in der Kammer 13 wird das flüssige Metall in der Kammer 12 bei
einem Fehler oder einem Bruch des Balges 24 isoliert. Die gleiche Sicherung besteht
im Fall eines Bruches des Balges 15 mit nacihfolgendem Übertritt des flüssigen Metalls
von der Kammer 11 in die Kammer 10. Da die Kammer 10 vollständig abgedichtet ist,
wird durch einen derartigen Übertritt des Metalls von der Kammer 11 in die Kammer
10 keine Gefahr hervorgerufen.
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Darüber hinaus ist die Gefahr eines Bruches eines Balges in der beschriebenen
Vorrichtung nur gering, da die Druckkammern so angeordnet sind, daß praktisch zu
jeder Zeit etwa Druckgleichheit auf beiden Seiten der Bälge vorhanden ist. Die Lebensdauer
eines arbeitenden Balges ist teilweise eine Funktion des Druckunterschiedes auf
beiden Seiten des Balges. Bei annähernder Druckgleichheit auf den Seiten des Balges
ist die Lebensdauer groß genug, um eine sehr lange Betriebsbereitschaft und Betriebsfähigkeit
der gesamten Vorrichtung zu gewährleisten.
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In der in der Zeichnung dargestellten Lage ist das kolbenähnliche
Element 34 vollständig nach unten verschoben, so daß die Bodenflächen der U-förmigen
Schenkel 51 und 52 den Ring 56 berühren. In diesem Zustand besitzt die Kammer 10
maximales Volumen, während die Kammer 11 minimales Volumen annimmt. Die Kammer 12
besitzt unter diesen Umständen ebenfalls ein maximales Volumen, während, wie bereits
eingangs erwähnt, die Kammer 13 ständig konstantes Volumen hat. Zum Betätigen der
Vorrichtung, d. h. zum Heben der Vorrichtung in einen solchen Zustand, bei dem die
Kammer 11 expandiert ist, wird die Pumpe 72 eingeschaltet, wobei sie Flüssigkeit
von der Kammer 12 -zur Kammer 11 bringt. Wenn als Arbeitsflüssigkeit
in
der Vorrichtung ein leitfähiges flüssiges Metall benutzt wird, kann die Pumpe72
eine elektromagnetische Faraday-Pumpe sein. Da in einer solchen Pumpe außer der
strömenden Flüssigkeit keine beweglichen Teile enthalten sind, arbeitet sie sehr
ruhig. Sie kann durch Verändern der auf das Magnetfeld gegebenen elektrischen Leistung
und/oder des senkrecht zum Feld und der leitfähigen Flüssigkeit fließenden Stromes
betätigt werden. Selbstverständlich kann die Pumpe 72 auch von üblicher Bauart sein.
Im bevorzugten und hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist jedoch der elektromagnetische
Typ verwendet worden.
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Falls das Medium in der Kammer 12 über die Leitung 74 und durch die
Pumpe 72 in die Röhre 73 und die Kammer 11 bewegt wird, dehnt sich der Balg 24 nach
oben aus und gleicht das Volumen der entnommenen Flüssigkeit aus. Durch den Eintritt
der Flüssigkeit in die Kammer 11 dehnt sich der Balg 15 aus, wobei das Volumen der
Kammer 10 abnimmt. Durch die Expansion des Balges 15 wird das Gas in der Kammer
10 komprimiert. Dieses komprimierte Gas wirkt als Feder, welche die Vorrichtung
in die in der Zeichnung dargestellte Lage zurückdrückt, sobald die Pumpe 72 abgeschaltet
wird. Eine elektromagnetische Pumpe besitzt keine mechanischen Sperren und ermöglicht
einen freien Rücklauf der Flüssigkeit bei abgeschalteter Pumpe.
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Wenn die Pumpe weiterarbeitet, dehnt sich der Balg 24 weiter aus,
bis -die Führung 30 gegen einen nach unten weisenden Vorsprung 80 im Gehäuse 20
schlägt. Zu diesem Zeitpunkt ist das kolbenähnliche Element 34 nach oben verschoben,
und die Spitze 81 des Elementes 34 hat das Oberteil 82 der Führung 31 erreicht.
Durch diese Bewegung des kolbenähnlichen Elementes bewegen sich die U-förmigen Schenkel
51
und 52 in den Schlitzen 53 und 54 nach oben. Durch diese Bewegung der Schenkel
51 und 52 wird der Schalter 71 betätigt und ebenfalls die Klammer 66 bewegt,
so daß weitere zugeordnete (und nicht dargestellte) Vorrichtungen betätigt werden.
Sobald die Pumpe 72 abgeschaltet wird, verursacht das kompriinierte Gas in der Kammer
10 eine rückläufige Bewegung. Durch Anbringen einer Ventilspindel oder eines Dämpfers
im Innern des kolbenähnlichen Elementes 34 kann in Verbindung mit außen angeordneten
Gegeneinheiten eine lineare Bewegung hervorgebracht werden.
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Wie bereits erwähnt, kehrt die Vorrichtung bei abgeschalteter Pumpe
in den Zustand zurück, bei dem die Kammer 11 minimales Volumen besitzt. Falls andererseits
die Luftkammer 10 nur mit geringem Druck gefüllt ist (beispielsweise wenn bei expandierter
Kammer 11 der Druck in der Kammer 10 nur etwa Atmosphärendruck beträgt), kann die
umgekehrte Betätigungsweise vorgenommen werden, wobei das kolbenähnliche Element
durch Federwirkung in die obere Lage und durch Wirkung der Pumpe 72 in die untere
Lage gebracht wird. In diesem Fall bewegt die Pumpe 72 die Flüssigkeit von der Kammer
11 in die Kammer 12, wobei sich .die Kammer 12 ausdehnt und auf die Ölfüllung in
der Kammer 13 einwirkt, so daß das Element 34 gesenkt wird.
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Die Vorrichtung kann somit bei abgeschalteter Pumpe in die Ausgangslage
zurückgehen, wobei die Ausgangslage entweder der Zustand einer expandierten oder
der Zustand einer zusammengedrückten Kammer 11 ist, je nachdem, ob in dem kolbenähnlichen
Element 34 eine Feder angeordnet ist oder ob ein komprimiertes Gas in der Kammer
10 enthalten ist. Hierdurch wird eine Einheit gebildet, die vielfältig verwendbar
ist und durch welche die Produktion solcher Vorrichtungen mit der einen oder anderen
Arbeitscharakteristik aus einer einzigen Grundeinheit sehr erleichtert wird: