DE2755239A1

DE2755239A1 - Pneumatischer antrieb fuer schalt- und stellglieder

Info

Publication number: DE2755239A1
Application number: DE19772755239
Authority: DE
Inventors: Siegfried Schertler
Original assignee: VAT AG fuer Vakuum Apparate Technik
Current assignee: VAT Group AG
Priority date: 1977-12-10
Filing date: 1977-12-10
Publication date: 1979-06-13
Also published as: US4241644A; CH633863A5; JPS6224669B2; JPS5499880A; DE2755239C2

Description

Pate η t a η vv a I 1 Dip!. Ing. H. J. Hübner

8OGO Kcmpten/Ai'gäu s. 1 ?:. 1Ί77

Mozart-Ir Cj 21 - Tel. (ΛΪ1/23291

Patentinhaber: VAT Aktiengesellschaft für fc/

V akuum-Apparat e-T e chnik 9499 Haag (Schweiz)

Gegenstand: Pneumatischer Antrieb für Schalt-

und Stellglieder

angemeldet am:

Erfinder: Schertier Siegfried

CH 9499 Haag (Schweiz)

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HE 5424 9/sa/34

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Die Erfindung bezieht sich auf einen pneumatischen Antrieb für Schalt- und Stellglieder wie beispielsweise Verschlüsse, Ventile, Klappen, Schalter, Signalgeber oder dgl. raib einem in einem Zylinder verschiebbaren Kolben und einer damit verbundenen, auf das zu betätigende Schalt- oder Stellglied einwirkenden Kolbenstange und mindestens einer nahe einer Zylinderstirnwand in den Zyliinder mündenden Zuführleitung für das gasförmige Druckmedium, wobei in der Zuführleitung ein diese absperrendes bzw. entlüftendes Ventil angeordnet Ist.

Solche Antriebe sind in vielfältiger Form bekannt. Für besondere Schal taufgaben in technischen Anlagen werden oft außerordentlich kurze iJtellzeiten verlangt. Unter kurzen Stellzeiten werden hier Zeiten verstanden, die gleich oder sogar kleiner als 20 Millesekunden sind. Zum SchLießen oder Öffnen der Zuführleitung für das gasförmige Druckmedium, das ja unmittelbar auf den pneumatischen Antrieb einwirkt, v/erden in der Regel Magnetventile verwendet, Diese Elektromagnetventile sind relativ träge, bedingt durch die Eigeninduktivität der Erregerspule und diese Trägheit ist um so größer, je größer die Spule ist. Es wurde daher schon versucht, mit möglichst kleinen Elektromagneten zu arbeiten, mit welchen wiederum jedoch nur kleine Stellkräfte erzeugt worden können, 3o daß nur Ventile mit geringem Durchlaßquerschnitt zu schalten sind. Diese geringen Durchlaßquerschnitte besitzen wiederum

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große Strömungswideratände, so daß der Zeitgewinn, bedingt durch die Wahl eine3 kleinen Elektroraagnetventiles aufgezehrt wird durch den durch die Querschnittsverringerung zunehmenden Strömungswiderstand der Leitung. Um diesen Schwierigkeiten auszuweichen wurden EntlüftungsventLle entwickelt mit großem Durchlaüquerschnitb, welche selbsttätig auf Differenzdrücke ansprechen: lab die Zuführleibung zwischen Elektromagnetventil, und Zylinder des pneumatischen Antriebes unter Druck, so sind diene Entlüfbungsventile geschlossen. Wird das ElektromagnebvenbiL auf Entlüfbung gesbellb, so fällt der Druck In der Zuführleibung ab und der dadurch auf das EntLüfbungnvenblL entstehende Differenzdruck öffneb dieses Venbll und gibb dabei einen relabiv großen Durchlaßquerschnitt frei. Diese Entlüfbutig3venblle bedingen winkelig gefiihrbe Leibungszüge und Bohrungen mit hohen Strömungswidersbänden, so daß der durch diesen großen konsbruktiven Aufwand erzlelbaron Zelbgewlnn rasch an Grenzen sbößb, die wiederum nur durch die besondere Wahl des Druckmediums übersprungen werden können. Wird z.B. an Sbelle von Drucklufb Helium als Druckmedium verwendeb, da3 ja im Vergleich zur Drucklufb außerordenblich "dünnflüssig" isb, so lassen sich dadurch die Stellzeiten ganz erheblich herabsetzen. Die Verwendung von Helium ist jedoch 3ehr kostspielig.

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Die Erfindung zielt nun darauf ab, allein durch konstruktive Maßnahmen und unter B_eibehaltung der im Vergleich zu Helium zähflüssigen Druckluft einen pneumatischen Antrieb zu schaffen, der Stellzeiten in der eingangs genannten Größenordnung mühelos erreichen, ja sogar unterbieten läßt, was vorschlagsgemäß dadurch gelingt, daß in dem vom Kolben bei seiner Hubbewegung überfahrenen Bereich der Zylinderwand eine Nut vorgesehen ist, in welcher ein quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens verschiebbar gelagerter Dichtkörper angeordnet ist und der Nutengrund mit der Zuführleitung für das gasförmige Druckmedium verbunden ist. Bislang war es üblich, bei Kolben-Zylindereinheiten die Dichtung an der Kolbenwange anzuordnen. Die Erfindung zeigt nun einen neuen Weg auf. Hier wird die Dichtung in der Zylinderwand angeordnet, wobei darüberhinaus diese Dichtung sozusagen je nach Bedarf zu- oder abgeschaltet werden kann, um im Falle der Entlüftung der Kolben- Zylindereinheit zahlreiche und möglichst große Querschnitte für die Ableitung des Druckmediums zur Verfügung zu haben. Im gegenständlichen Falle ist unter anderem ein solcher Auslaßquerschnitt durch das vorgegebene Spiel zwischen Zylinderwand und Kolben gegeben. Vorzugsweise ist dabei die Nut als Ringnut ausgebildet, die in einer Querschnittsebene des Zylinders liegt und als Dichtkörper dient ein O-Ring, so daß rotationssymmetrische Verhältnisse geschaffen werden, die konstruktiv leicht zu beherrschen sind. Der Dichtkörper

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ist um ein geringes Maß breiter als die lichte Weite der Nut, so daß der Dichtkörper an den Nutwangen anliegt, darüberhinaus ist die Tiefe der Nut gleich oder größer als die Höhe des Dichtkorpers, so daß der Dichtkörper zur Gänze von der Nut aufgenommen werden kann, ohne daß er in den Zylinderraum ragt, wenn er nicht benötigt wird und damit einen großen Durchlaßquerschnitt frei gibt, der gegeben ist durch das schon erwähnte Spiel zwischen Zylinderwandung und Kolben. Eine weitere vorteilhafte Maßnahme zur Verringerung der Stellzeit liegt erfindungsgemäß darin, daß der Querschnitt der vom Nutengrund ausgehenden und in die Zuführleitung für das gasförmige Druckmedium mündenden Bohrung größer ist als der Querschnitt desjenigen Abschnittes der Zuführleitung, der - strömungsmäßig gesehen - parallel zur Nut vorgesehen ist. Diese Maßnahme dient zum raschen Aufbau des Druckes bzw. zum raschen Abbau des Druckes im Bereich des Dichtkörpers, wobei durch die dadurch entstehenden Differenzdrücke der Dichtkörper radial bezogen auf den Zylinder in der Nut verschiebbar ist.

Um die Erfindung zu veranschaulichen, wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Die Fig. 1 und 2 einen Längsschnitt durch einen pneumatischen Antrieb, beispielsweise für ein Schnellschlußventil, und zwar in zwei verschiedenen Stellungen, nämlich in Schließstellung

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nach Fig. 1 und in Offenstellung nach Fig. 2; Fig. 3 ist ein schematischer Querschnitt durch eine Kolben-^ylindereinheit ähnlicher Bauart} Fig. 4· veranschaulicht ein Detail.

Der pneumatische Antrieb besteht aus einem Zylinder 1, dessen eine Stirnwand 2 mit der Wandung 3 einstückig ausgebildet ist. Abgeschlossen wird der Zylinderraum 4- durch eine einsetzbare Stirnwand 5 mit einer oder mehreren Entlüf tungsb ohnmgen 25. Diese einsetzbare Stirnwand 5 ist durch einen Sperring 6 in ihrer Lage fixiert. In diesem Zylinder 1 ist nun ein Kolben 7 um den Hubweg H verschiebbar. Mit diesem Kolben 7» der mit dem Spiel s im Zylinder 1 gelagert ist, ist eine Kolbenstange 3 formschlüssig verbunden, die mit ihrem einen Ende hier beispielsweise in ein Ventilgehäuse 9 ragt und einen Ventilteller 10 eines Eckventiles 11 trägt. Ventilgehäuse 9 und Zylinder 1 sind über Flanschen und Schrauben fe3t miteinander verbunden. Das andere Ende S¹ der Kolbenstange 0 kann aus dem Zylinder herausgeführt sein, wie e3 die Figuren zeigen und mit einem Stellanzeiger direkt oder indirekt verbunden sein, der die jeweilige Stellung des Ventils signalisiert. Eine Schraubenfeder 12, im Zylinder 1 angeordnet und koaxial zu diesem stützt sich einerseits an der Stirnseite 5» andererseits an der Rückseite des Kolben 7 ab und halte diesen in der aus Fig. 1 ersichtlichen Endstellung, in der beispielsweise das Ventil 11 geschlossen ist.

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In dem vom Kolben 7 bei seiner Hubbewegung überfahrenen Bereich an der Zylinderwandung 26 ist eine Ringnut Λ¹Y eingearbeitet, die in einer Querschnittsebene des Zylinders liegt. In dieser Nut Λ¹Y liegt ein Dichtkörper 13 in Form eines O-Ringes aus einem gumm!elastischen Material, wobei der Durchmesser des O-Ringquerschnittes etwas größer ist als die Breite der Nut )^lY_t so daß der O-Ring an beiden Wangen der Nut dichtend anliegt. Die Tiefe der Nut 14 L3t größer als der Durchmesser des O-Ringquerschnittes, 30 daß dieser O-Ring zur Gänze von dieser Nut 14 aufgenommen werden kann, ohne daß er in den Zylinderraum ¹Y ragt, wie dies Fig. 1 veranschaulicht. Seitlich am Zylinder 1 ist ein Dreiiregeventilblock 15 angeflanscht. Der Ventilkörper 16 dieses Ventilblockes 15 kann über einen hier schematisch dargestellten Elektromagneten 17 verstellt werden. Diese Verstellmöglichkeit ist hier durch eine Wirkungslinie 18 angedeutet. Eine erste Bohrung 19 des Ventilblocke3 15 ist mit einer Druckluftquelle (hier nicht dargestellt) verbunden, eine zweite Bohrung 20 dient als Entlüftungsöffnung und führt unmittelbar ins "Freie". Die dritte Bohrung 21 dient zur Beaufschlagung des Kolben3 über die Zuführleitung 22, aber auch zur Entlüftung des Zylinders. Die möglichen Luftbewegungsrichtungen in diesen Bohrungen 19» 20 und 21 des Ventilblockes 15 sind durch Pfeile angedeutet. Die Mündung 23 der Zuführleitung 22 liegt nahe der einen Stirnseite 2 de3 Zylinders

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Außer mit der Zuführleitung 22 ist die Leitung 21 des Ventilblockes noch mit einer Bohrung 24 in der Zylinderwand 3 verbunden, die unmittelbar in die Nut 14 führt, wobei vorteilhafterweise der Querschnitt dieser Bohrung 24- erheblich größer ist als jener der Zuführleitung 22. Darüberhinaus ist diese Leitung 24 auch kürzer, also von geringerer Länge als die Zuführleitung 22. Soweit zum allgemeinen konstruktiven Aufbau des Ausführungsbeispieles·

In der aus Fig. 1 ersichtlichen Stellung des pneumatischen Antriebes ist das Eckventil 11 geschlossen, der Zylinder 1 über die Leitung 22, die Bohrung 21 und den Ventilkörper mit der Atmosphäre verbunden, also drucklos. Die Anordnung ist so gewählt, daß das Eckventil 11 als Schnellschlußventil arbeiten kann. Zuerst ist jedoch das Ventil 11 zu öffnen.
Dazu wird über den Elektromagneten 17 der Ventilkörper 16
um 90° gegenüber dem Uhrzeigersinn verstellt, so daß der Ventilkörper 16 die Druckluftquelle über die Leitung 19 mit der ^ohrung 21 verbindet. Der sich nun in der Bohrung 21 aufbauende Druck pflanzt sich unmittelbar fort und wirkt unverzüglich über die Bohrung 24 auf den O-Ring entlang seines gesamten Umfanges ein und preßt diesen radial nach innen, bis er
nach überbrückung des Spaltes s an der Kolbenwange anliegt und an diese angedrückt wird und gleichzeitig baut sich im Zylinder 1 über die Leitung 22 der Druck auf und schiebt dabei

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den Kolben 7 gegsn die Wirkung der Feder 12 um das Maß H nach oben, wobei sich nun das Ventil 11 öffnet und so lange offen bleibt, als diesa? aufgebaute Druck im Zylinder 1 herrscht (Fig. 2). Soll das Ventil 11 nun geschlossen werden, so wird über den Elektromagneten 17 der Ventilkörper 16 in seine aus Fig. 1 ersichtliche Lage zurückgerdreht. Die Bohrung 21 wird über die ßohrung 22 mit der Atmosphäre verbunden und der Druck bricht in der Bohrung 21 zusammen. Durch den im ersten Augenblick herrschenden Differenzdruck zwischen der Innen- und der Außenseite des O-Ringes wird dieser wiederum in der Nut 14 zurückgedrängt und nimmt nun die aus Fig. 1 ersichtliche Lage ein, so daß der im Zylinder 1 herrschende Druck nicht nur über die Leitungen 22, 21 und 20 abgebaut wird, sondern nun auch über den Spalt s zwischen Kolbenwange und Zylinderwandung 26, wobei die Druckluft über die öffnung 25 entweichen kann. Die Feder 12 drückt dabei den Kolben in die aus Fig. 1 ersichtliche Endlage zurück. Dieser mit vielen Worten hier beschriebene Vorgang spielt sich im Bereich von wenigen Millesekunden ab.

Wie oszillographische Untersuchungen zeigen, können beispielsweise bei Schnellschlußventilen mit einer Nennweite von 10 mm trotz der Verwendung der an sich "zähflüssigen" Druckluft Schließzeiten von ca. 15 Millesekunden erreicht werden. Diese

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ist jene Zeit, die verstreicht zwischen der Abgabe des Impulses auf den Elektromagneten 17 bis zum dichten Sitz de3 Ventiltellers 10. Der eigentliche mechanische Schließvorgang nimmt dabei innerhalb dieser an sich schon sehr kurzen Zeitspanne nur ca. 2,5 bis 3,5 Millesekunden Ln Anspruch, die restliche Zeit wird aufgebraucht für den Abbau der im Elektromagneten gespeicherten elektromagnetischen Energie (Selbstinduktion der Magnetspule). Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion Liegt auch darin, daß der durch den Spalt s gegebenene Entlüftungsquerschnitt mit größer werdender Antriebseinheit selbsttätig wächst, ohne daß es für die Vergrößerung dieses Entlüftungsquerschnittes konstruktiver Maßnahmen bedarf, ferner, daß diene Lösung vom Aufwand her gesehen mit geringen Kosten realisiert werden kann, da für den Betrieb der Antriebseinheit uorm.iLe Druckluft verwendet v/erden kann, ohne daß es zusätzlicher aufwendiger Entlüftungsventile bedarf und ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß zur Steuerung des VentLLkörpers 16 nur kleine Elektromagnete verwendet werden müssen, was außerordentlich wichtig Ist, da ja für den Abbau den Ln der Magnetspule gespeicherten elektromagnetischen Energie seLb3t bei der Verwendung kleiner Spulen mehr als die doppeLte Zeit benötigt wird, die für den eigentlichen mehhnaIschen Schließvorgang aufgebaucht v/ird, den der pneumatische Antrieb auszuführen hat. Es muß allerdings an dieser Stelle ausführlich

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erwähnt sein, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung von elektromagnetischen Ventilen beschränkt ist. Der Ventilkörper 16 kann auch anderweitig gesteuert werden.

Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die Nut 14 als

ingnut ausgebildet und der Dichtkörper 13 als O-Ring. Dadurch liegen konstruktiv einfach zu beherrschende rotationssymmetrische VerhüLtnisse vor. Grundsätzlich wäre es aber auch möglich, die orfLndung3gemäße Ausbildung bei einer solchen Kolben-Zylindereinheit anzuwenden, wie sie schematisch in Fig. 3 im Querschnitt gezeigt wird. Hier besitzt der Kolben 7" eine Längsfeder 70, die in einer dazu korrespondierenden Längsnut des Zylinders 100 geführt ist. Die Hut 140 für die Aufnahme dos Dichtkörpern führt hier nur von der einen Flanke zur anderen Flanke der Längsfeder 70. Im Bereich der Feder wurde die erforderliche Dichtung an der Kolbenwange angeordnet, wie dies schon früher der Fall gewesen i3t. Dieses Aunführungsbeispiel zeigt, daß die Erfindung nicht auf eine umfangsgeschlos3ene Ringnut beschränkt ist.

Wenn anhand dos Ausführung3beispieies die Erfindung im Zusammenhang mit einem SchneilschlußventiL erläutert worden i3t, so soll sie nicht darauf beschränkt sein. In korrespon-

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dierender Weise läßt sich der erfindungsgemäße pneumatische Antrieb auch für schnell öffnende Ventile verwenden oder aber natürlich auch für andere Schalt- und Stellglieder, die in technischen Anlagen verwendet werden und die zumindest in einer Betätigungsrichtung außerordentlich schnell reagieren müssen. Das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 zeigt auch, daß die Nut 14 für die Aufnahme des Dichtkörpers 13 nur eine einzige Anzapfung in Form einer Bohrung 24 besitzt. Ebenso ist bei diesem Ausführungsbeispiel nur eine Zuführungsleitung 22 im Zylindergehäuse vorgesehen. Es wäre grundsätzlich denkbar, entlang des Umfanges des Zylinders mehrere Bohrungen 24 in den Nutengrund 14 zu führen und auch mehrere Zuführleitungen 22 vorzusehen, wenn an der Außenseite der Zylindavand 3 eine umlaufende, jedoch nach außen abschließbare Nut angeordnet wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante ist in Fig. 4 skizziert. Wesentlich für diese Variante ist, daß in der Zuführleitung 22' für die Druckluft ein Rückschlagventil, hier in Form einer mit einer Feder 30 belasteten Kugel 31 angeordnet ist. Dieses Rückschlagventil 30, 31 läßt die Druckluft nur in den Zylinder einströmen, behindert aber ihren Rückweg mit der Folge, daß bei der Entlüftung im ersten Augenblick

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der Differenzdruck zwischen Atmosphäre und Zylinderinnenraum in voller Größe und mit seiner ganzen Wucht auf den
Dichtkörper 13' einwirkt und diesen daher außerordentlich rasch nach außen drängt (die Zeichnung nach Fig. 4- veranschaulicht den belasteten Zylinder entsprechend der Fig. 2).

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Leerseite

Claims

VAT Aktiengesellschaft für Vakuum-Apparate-Technik Patentansprüche :

1. Pneumatischer Antrieb für Schalt- und Stellglieder wie beispielsweise Verschlüsse, Ventile, Klappen, Schalter, Signalgeber oder dgl. mit einem in einem Zylinder verschiebbaren Kolben und einer damit verbundenen, auf das zu betätigende Schalt- oder Stellglied einwirkenden Kolbenstange und mindestens einer nahe einer Zylinderstirnwand in den Zylinder mündenden Zuführleitung für das gasförmige Druckmedium, wobei in der Zuführleitung ein diese absperrendes bzw. entlüftendes Ventil angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vom Kolben (7) bei seiner Hubbewegung uberfahrenen Bereich der Zylinderwand (26) eine Nut (14) vorgesehen ist, in welcher ein quer zur Bewegungsrichtung (2?) des Kolbens (7) verschiebbar gelagerter Dichtkörper (13) angeordnet ist und der Nutengrund mit der Zuführleitung (21, 22) für das gasförmige Druck» medium verbunden ist.

2. Pneumatischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (14) als Ringnut ausgebildet ist und als Dichtkörper (13) ein O-Ring dient.

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3. Pneumatischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtkörper (13) um ein geringes Maß breiter ist als die lichte Weite der Nut (14) und so der Dichtkörper (13) an den Nutenwangen anliegt.

4. Pneumatischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Nut gleich oder größer ist als die Höhe des Dichtkörpers (13) und so der Dichtkörper (13) zur Gänze von der Nut (14) aufnehmbar ist.

5. Pneumatischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der vom Nutengrund ausgehenden und in die Zuführleitung (21) für das gasförmige Druckmedium mündenden Bohrung (24) größer ist als der Querschnitt desjenigen Abschnittes der Zuführleitung (22), der - strömungsmäßig gesehen - parallel zur Nut (14) vorgesehen ist.

6. Pneumatischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (7) in seiner einen Endstellung durch eine im Zylinder (1) angeordnete und vorzugsweise koaxial zu diesem liegende Schraubenfeder (12) gehalten ist, die sich einerseits am Kolben

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(7), andererseits an einer Zylinderstirnwand (5) abstützt und der Kolben (7) in der durch die Federkraft erzwungenen Endstellung unmittelbar jener Zylinderstirnwand (2) benachbart ist, nahe welcher die Mündungsöffnung (23) der Zuführleitung (22) liegt.

7. Pneumatischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem die Schraubenfeder (12) aufnehmenden Teil des Zylinders (1) Entlüftungsöffnungen (25) vorgesehen sind, deren Summenquerschnitt gleich oder größer ist als die Querschnittsfläche des zwischen Kolben (7) und Zylinderwand (26) vorgesehenen Spiels (s).

8. Pneumatischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem - strömungsmäßig gesehen - zur Nut (1⁷I-¹) parallelen Abschnitt der Zuführleitung (22') ein Rückschlagventil (30, 31) vorgesehen ist.

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