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Diese Erfindung betrifft allgemein einen mit einem
Druckmittel betätigten Antrieb, insbesondere einen
hin- und hergehenden hydraulischen Antrieb zum Bewegen einer
Betriebsvorrichtung. Diese kann zum Beispiel eine
Klappe einer Heizungs-Ventilation-und Klimaanlage sein,
welche unter der Kontrolle eines Thermostaten vom
Antrieb in entgegensetzten Richtungen bewegt wird.
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Ein typischer, bei diesem System benutzten Antrieb
umfasst einen Zylinder, einen im Zylinder hin und
hergeführten Kolben und eine mit dem Kolben verbundene
Stange, welche sich aus dem Zylinder erstreckt und mit
der Betriebsvorrichtung verbunden ist. Wenn das
Druckmittel, zum Beispiel Hydrauliköl, in eine
Hochdruckkammer des Zylinders eingelassen wird, wird die Stange
vorwärts bewegt, um die Betriebsvorrichtung in eine
Richtung zu bewegen. Wenn der Druck in der Kammer dann
konstant gehalten wird, bleibt die Stange in einer
festen vorbestimmten Stellung. Wenn die Kammer vom
Druck entlastet wird, zieht eine Feder die Stange
zurück, um die Betriebsvorrichtung in die
entgegengesetzte Richtung zu bewegen.
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Bei den Antrieben dieser Art trägt der Kolben eine
motorbetätigte Pumpe. Wenn der Motor erregt wird,
fördert die Pumpe Öl aus einem Sammelbehälter des
Zylinders über einen Durchgang im Kolben in die
Hochdruckkammer des Zylinders, um den Kolben und die
Stange vorwärts zu bewegen. Bei einem
Proportionalantrieb dieser Art wird der Öldurchfluss zur
Druckkammer moduliert, um den Kolben in eine bestimmte
Stellung zu treiben und ihn in dieser Stellung zu
halten. Ein Antrieb dieser Art verlangt einen
verhältnismässig komplexen Steuerkreis, insbesondere wenn ein
Bedarf für einen Antrieb besteht, der sich automatisch
und vollständig zurückzieht, wenn die elektrische
Netzspannung entfällt.
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Die allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, einen verbesserten elektrohydraulischen
Antrieb der oben beschriebenen Gattung zu schaffen,
welcher, wenn das System erregt ist, in der Lage ist,
sich selektiv vorwärts oder rückwärts zu bewegen oder
im Stillstand zu bleiben und ausserdem bei Stromausfall
sich vollständig zurückzuziehen und wobei der Antrieb
sich dazu eignet, mit einer äusserst einfachen
Schaltung gesteuert zu werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung
einen elektrohydraulischen Antrieb mit den Merkmalen
aus Anspruch 1 vor.
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Eine der Magnetspulen ist dauernd erregt so lange
das System unter Strom ist und hält das Steuerventil
geschlossen. Wenn die andere Magnetspule erregt ist,
wird das Magnetfeld der ersten Spule aufgehoben und das
Steuerventil in eine offene Stellung verschoben. Durch
die Verwendung von zwei Spulen wird nur ein
zweipoliger Umschalter mit einem einfachen schwebenden Pol
verlangt, um den Antrieb auszufahren, zu halten oder
zurückzuziehen wenn das System erregt ist, oder bei
Stromausfall den Antrieb automatisch in seine völlig
eingefahrene Stellung zu bewegen.
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Die Erfindung sieht auch eine einzelne Blattfeder
vor, um das Steuerventil mit einer Schliesskraft zu
beaufschlagen, die grösstenteils unabhängig ist von der
Magnetkraft, welche das Steuerventil in die
geschlossene Stellung verschiebt.
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Weitere Ausbildungen und Merkmale der Erfindung
befinden sich in den Unteransprüchen und werden
nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigen :
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Figur 1, eine schematische Ansicht einer typischen
Verwendung eines neuen und verbesserten
elektrohydraulischen Antriebs mit den erfindungsgemässen Merkmalen.
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Figur 2, eine Querschnittsansicht axial durch den
Antrieb, welche schematisch einzelne Komponenten des
Antriebs zeigt.
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Figur 3, eine vergrösserte Ansicht des Wandlers aus
Figur 2 mit dem Steuerventil in geschlossener Stellung.
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Figur 4, eine Ansicht ähnlich wie in Figur 3,
jedoch mit offenem Steuerventil.
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Figur 5, eine vergrösserte Grundrissansicht eines
Teil des Wandlers.
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Figur 6, ein elektrischer Schaltkreis zur Steuerung
des Antriebs.
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Der erfindungsgemässe elektrohydraulische
Stellantrieb 10 wurde zur Veranschaulichung in den
Zeichnungen als Teil einer Heizungs-Ventilation-und
Klimaanlage gezeigt. Der Antrieb wird insbesondere dazu
benutzt, um die Stellung einer Luftklappe (nicht
gezeigt) zu steuern, welche auf einem Klappenschaft 11
sitzt. Der Schaft ist über ein Gestänge 12 mit einer
hin-und hergehenden zum Antrieb 10 gehörender Stange
13 verbunden. Wenn die Stange von links nach rechts in
Figur 1 ausgefahren wird, wird der Klappenschaft im
Uhrzeigersinn gedreht, um die Klappe zu schliessen.
Wenn die Stange eingezogen wird, wird der Klappenschaft
in entgegengesetzter Richtung gedreht um die Klappe zu
öffnen.
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Der Antrieb 10 weist einen Zylinder 14 auf,
welcher durch einen mittels einer Dichtung 18 dichtend
im Zylinder geführten Kolben 17 in zwei Kammern 15, 16
unterteilt ist. Die Stange 13 ist mit dem Kolben
verbunden und erstreckt sich verschiebbar aus einer
Seite des Zylinders. Ein dehnbarer Balg 20 ist mit der
Stange verbunden und dichtet den unteren Teil der
Kammer 15 ab.
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Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der
Antrieb 10 ein unabhängiger, elektrohydraulischer
Stellantrieb. Das hydraulische Öl befindet sich in der
unteren Kammer 15 und kann in die obere Kammer 16
gepumpt werden, um den Kolben 17 und die Stange 13
vorwärts zu bewegen. Wenn der Druck in der oberen
Kammer abfällt, werden der Kolben und die Stange von
einer Spiralfeder 21 zurückgedrückt, welche im Zylinder
14 über die Stange gestülpt ist und zwischen dem Balg
20 und dem Zylinderboden eingespannt ist.
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Um das Öl aus der unteren Kammer 15 in die obere
Kammer 16 zu befördern, trägt der Kolben 17 eine kleine
Getriebepumpe 23, welche in der unteren Kammer
vorgesehen ist und von einem elektrischen Motor 25
angetrieben wird. Wenn der Motor erregt ist, wird Öl
aus der Kammer 15 in den Eingang 26 der Pumpe gesaugt,
wird komprimiert und wird durch einen Durchgang 28 im
Kolben in die obere Kammer gedrängt. Wenn der Druck in
der oberen Kammer einen vorherbestimmten Maximaldruck
erreicht, reagiert ein Druckentlüftungsventil 29, um
den Ölzufuhr zur oberen Kammer zu unterbrechen und das
Öl aus der Pumpe direkt in die untere Kammer zu leiten.
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Erfindungsgemäss ist im Kolben 17 ein Ein-Aus-
Steuerventil 30 (Figuren 2 bis 4) eingebaut und
ausgebildet, um von einem Wandler 31 aus einer
geschlossenen Stellung in eine offene Stellung gebracht zu
werden. Normalerweise hält der Wandler das Ventil in
geschlossener Stellung (Figur 3) und wenn das Ventil
geschlossen ist und die Pumpe 23 betätigt wird,
komprimiert das Öl, das durch den Durchgang 28
verdrängt wird, die Kammer 16 und bewegt den Kolben 17
und die Stange 13 nach unten. Wenn die Pumpe gestoppt
wird und das Ventil 30 in seiner geschlossenen Stellung
gehalten wird, verhindert eine Rückschlagklappe 33
(Figur 2) im Durchgang 28, dass das Öl aus der oberen
Kammer 16 durch den Durchgang 28 ausfliesst. Die obere
Kammer
bleibt somit unter Druck und der Kolben bleibt
in der Stellung in welcher er ausgefahren wurde. Wenn
das Ventil 30 geöffnet wird, wird Öl von der oberen
Kammer 16 in die untere Kammer 15 ausgelassen und
demzufolge wirkt die Feder 21, um die Stange 13 und den
Kolben 17 nach oben zurück zu verdrängen. Wie
nachfolgend deutlich wird, bewirkt ein Stromausfall am
Antrieb 10 , dass der Kolben und die Stange völlig
eingefahren werden, was im gezeigten Beispiel dazu
führt, dass die Luftklappe in die vollständig offene
Stellung bewegt wird und in dieser gehalten wird.
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Das Ventil 30 hat insbesondere die Form einer
kleinen Kugel, welche dazu bestimmt ist, in Bezug auf
einen Durchgang 35, welcher sich durch den Kolben 17
erstreckt und durch das Innere eines vom Kolben
getragenen Rohres 36 aus Weicheisen begrenzt ist ,
zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung
zu wandern. Das untere Ende des Rohres bildet den
Ausgang 37 auf welchem die Kugel 30 sitzt, wenn sie in
geschlossener Stellung ist.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der
Wandler aus einem Solenoid mit einer Armatur 40, die
eine Öffnung 41 aufweist, um die Kugel 30 locker
aufzunehmen. Ein Endstück der Armatur wird von einem
Schenkel 43 eines allgemein U-förmigen Bügels oder
Stütze 44 derart getragen, dass die Armatur aufwärts
und abwärts schwenkbar ist, wobei der Bügel aus einem
Querstück 45 besteht, das an der unteren Seite des
Kolbens 17 befestigt ist. Eine Zugfeder 47 ist zwischen
dem Querstück und dem Endteil der Armatur gespannt und
drängt die Armatur dazu, im Gegenuhrzeigersinn zu
schwenken. Der Hauptteil der Armatur ist demgemäss
abwärts weg vom Rohr 36 vorgespannt.
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Es sind Mitteln vorgesehen, um selektiv ein
Magnetfeld zu schaffen, das die Armatur 40 zum Rohr anzieht.
Diese Mitteln weisen im gezeigten Ausführungsbeispiel
eine um das Rohr sitzende Magnetspule 50 auf, welche
bei Erregung einen magnetischen Induktionsfluss in
einem Polstück 51, das unterhalb der Spule gegenüber
der Armatur am Rohr befestigt ist, produziert. Der
Induktionsfluss erstreckt sich durch einen Luftspalt
zwischen der Armatur und dem Polstück und zieht die
Armatur aufwärts zum Polstück und dem Rohr hin, um die
Kugel 30 in die geschlossene Stellung gegen den Ausgang
37 am unteren Ende des Rohres zu bewegen.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist eine
Blattfeder 55 an der unteren Seite der Armatur 40 befestigt
und drückt die Kugel 30 gegen das untere Ende 37 des
Rohres 36 mit einer Kraft, welche im wesentlichen
unabhängig von der Magnetkraft auf die Armatur ist,
wenn diese hochgezogen wird. Die Feder umfasst ein
dünnes, flaches, etwa rechteckiges Blatt 56 (Figur 5)
aus Berylliumkupfer mit einem in 57 an die Armatur
genietetem Ende. Der andere Endteil des Blattes 56
weist eine Zunge 58 auf, welche sich durch eine Öffnung
59 in einem Schenkel 60 des Bügels 44 erstreckt, wobei
die Zunge 58 mit dem unteren Rand der Öffnung
zusammenwirkt, um das unter der Wirkung der Feder 47
dem Uhrzeigersinn entgegengesetzte Schwenken der
Armatur 40 zu begrenzen.
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Wie die Figur 5 zeigt, verläuft im Blatt 56 der
Feder 55 zwischen den beiden Enden eine allgemein U-
förmige Nut oder Schlitz 62. Aufgrund dieser Nut 62
beschränkt sich die Feder 55 auf eine bei 65 des
Blattes 56 eingespannte Zunge 64, welche die untere
Seite der Öffnung 41 in der Armatur abschliesst. Wenn
die Feder 55 entspannt ist, befindet sich die Zunge 64
etwa in derselben Ebene wie das Blatt 56. Wenn die
Armatur 40 die Kugel 30 auf das untere Ende des Rohres
36 zwingt, spannt die Kugel die Zunge 64 und verbiegt
sie nach unten aus der Blattebene wie aus Figur 3
ersichtlich ist. Die Kraft welche die Kugel in
geschlossener Stellung hält , ist demgemäss vielmehr
durch die schwache Federkraft der Zunge 64 bestimmt,
als durch die Magnetkraft mit welcher die Armatur 40
gegen das Polstück 51 gezogen wird. Wenn sich in der
oberen Kammer 16 bei geschlossener Kugel ein
aussergewöhnlich hoher Druck entwickelt, gibt die Zunge
64 nach, so dass die Kugel abspringen kann und der
Druck entweichen kann.
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Zur Ausübung der Erfindung weist der Wandler 31
eine zweite elektrische Spule 70 auf, welche bei
Erregung das magnetische Feld der Spule 50 annuliert
oder aufhebt, so dass die Feder 47 die Armatur 40 im
Gegenuhrzeigersinn schwenken kann, um die Kugel 30 zu
öffnen. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel befindet
sich die Spule 70 getrennt über der Spule 50 und umgibt
den Oberteil des Rohres 36. Die Spule 70 befindet sich
in entgegengesetzter Phase zur Spule 50, das heisst,
dass wenn beide Spulen erregt sind, das von der Spule
70 entwickelte magnetische Feld das phasenverschobene
Feld der Spule 50 aufhebt. Demzufolge besteht keine
wirksame Magnetkraft um die Armatur 40 gegen das
Polstück 51 zu ziehen und die Feder 47 bewirkt, dass
die Armatur im Gegenuhrzeigersinn in die Stellung der
Figur 4 schwenkt und die Kugel 30 öffnet.
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Zusammengefasst ist beim Betrieb des bis jetzt
beschriebenen Antriebs die Spule 50 normalerweise
erregt, die Spule 70 normalerweise nicht erregt und die
Kugel 30 wird also normalerweise in der in Figur 4
gezeigten geschlossenen Stellung gehalten und
verhindert, dass Öl aus der oberen Kammer 16 durch den
Durchgang 35 im Rohr 36 in die untere Kammer 15
ausfliesst. Wenn der Motor 25 betätigt wird, verdrängt
die Pumpe 23 Öl aus der unteren Kammer 15 durch den
Durchgang 28 in die obere Kammer 16 und da die Kugel 30
den Durchgang 35 verschliesst, steigt der Öldruck in
der oberen Kammer und verschiebt den Kolben und die
Stange vorwärts.
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Der Kolben 17 und die Stange 13 bewegen sich weiter
vorwärts bis der Motor 25 ausgeschaltet wird. Die Spule
50 bleibt erregt und wenn die Spule 70 entregt bleibt,
bleiben der Kolben und die Stange in der angesteuerten
Stellung stehen. Wenn der Motor erneut eingeschaltet
wird, werden die Kolben und die Stange weiter
ausgefahren. Wenn jedoch die Spule 70 erregt wird,
öffnet das Ventil 30, so dass Öl aus der Kammer 16
durch den Durchgang 35 in die Kammer 15 entweichen
kann. Die Feder 21 verdrängt demgemäss den Kolben und
die Stange und verschiebt diese Bauteile in ihre
vollständig zurückgezogene Stellung, es sei denn die
Spule würde während diesem Rückzug entregt werden.
Unter diesen Umständen würde das Ventil 30 erneut
schliessen und den Kolben und die Stange in einer
Zwischenstellung halten.
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Im Fall eines Leistungsverlustes am Antrieb 10 wird
die Spule 50 entregt und die Feder 47 bewirkt die
Öffnung der Kugel 30. Das Öldruck entweicht aus der
oberen Kammer 16 durch den Durchgang 35 in die untere
Kammer 15 und die Feder 21 fährt den Kolben 17 und die
Stange 13 demgemäss vollständig zurück. Auf diesem Weg
wird die Klappe bei Stromausfall in eine vollständig
offene (Warm)-stellung verschoben.
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Figur 6 ist ein Schema eines äusserst einfachen
Schaltkreises zur Steuerung der Betriebsweise des
Antriebs 10. Der Antrieb kann mit einer
Wechselspannung (zum Beispiel 24 Volt a.c.von der Sekundärseite
eines Transformators 75) gespeist werden und wie
gezeigt, ist die Spule 50 unmittelbar über die
Sekundärseite geschaltet und wird jedesmal erregt wenn
der Transformator unter Spannung steht.
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Parallel zur Spule 50 ist ein zweipoliger
Umschalter 80 mit einem einfachen schwebendem Pol
geschaltet, welcher einen Streifen 81 (zum Beispiel
einen Bimetallstreifen) aufweist, um aus einer
neutralen Stellung nach Figur 6 zum Kontakt 82 oder zum
Kontakt 83 zu schliessen. Der Motor 25 wird beim
Schliessen des Kontaktes 82 betätigt, während beim
Schliessen des Kontaktes 83 die Spule 70 erregt wird.
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Figur 6 zeigt den Schaltkreis wenn der Antrieb 10
in Haltestellung ist. Sowohl der Motor 25 wie auch die
Spule 70 sind entregt, aber die Spule 50 ist erregt um
das Ventil 30 geschlossen zu halten und einen
konstanten Druck in der oberen Kammer aufrecht zu
erhalten. Wenn der Streifen 81 des Umschalters 80 den
Kontakt 82 schliesst, wird der Motor 25 betätigt, um
die Pumpe 23 anzutreiben und den Kolben 17 und die
Stange 13 so lange vorwärts zu bewegen, bis der Kontakt
82 öffnet.
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Wenn der Streifen 81 den Kontakt 83 schliesst, wird
die Spule 70 erregt und ihr Magnetfeld hebt dasjenige
der Spule 50 auf, so dass die Feder 47 das Ventil 30
öffnen kann und es der Feder 21 ermöglicht, den Kolben
17 und die Stange 13 einzufahren bis der Kontakt 83
wieder geöffnet wird. Bei Stromausfall wird die Spule
50 entregt und der Kolben und die Stange werden wie
vorher beschrieben vollständig eingefahren.
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Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, dass die
vorliegende Erfindung einen neuen und verbesserten
Antrieb 10 geschaffen hat, welcher mit einem Ein-Aus-
Ablassventil gesteuert wird ohne dass es erforderlich
ist, den Ölstrom in die Hochdruckkammer 16 zu
modulieren. Die Verwendung von zwei Spulen 50, 70 um
das Ventil zu betätigen, erlaubt eine äusserst einfache
Schaltung um den Antrieb zu steuern. Der Fachmann
weiss, dass eine elektronische Schaltvorrichtung (zum
Beispiel ein Triac) an Stelle des näher beschriebenen
mechanischen Umschalters verwendet werden kann.