EP0943811B1 - Binärer elektrisch ansteuerbarer fluidischer Leistungsverstärker - Google Patents

Binärer elektrisch ansteuerbarer fluidischer Leistungsverstärker Download PDF

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EP0943811B1
EP0943811B1 EP99104059A EP99104059A EP0943811B1 EP 0943811 B1 EP0943811 B1 EP 0943811B1 EP 99104059 A EP99104059 A EP 99104059A EP 99104059 A EP99104059 A EP 99104059A EP 0943811 B1 EP0943811 B1 EP 0943811B1
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EP
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pressure
relay
power amplifier
diaphragm
valve
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EP99104059A
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Heinz Prof. Dr. Töpfer
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Buerkert Werke GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B13/00—Details of servomotor systems ; Valves for servomotor systems
    • F15B13/02—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors
    • F15B13/04—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor
    • F15B13/0401—Valve members; Fluid interconnections therefor
    • F15B13/0405—Valve members; Fluid interconnections therefor for seat valves, i.e. poppet valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F15B13/04—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor
    • F15B13/042—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor operated by fluid pressure
    • F15B13/043—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor operated by fluid pressure with electrically-controlled pilot valves
    • F15B13/0431—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor operated by fluid pressure with electrically-controlled pilot valves the electrical control resulting in an on-off function

Definitions

  • the invention relates to a binary electrically controllable fluid power amplifier according to the preamble of claim 1.
  • a power amplifier is particularly advantageous in a regulated pneumatic actuator and generally applicable in all cases where lower Control power a high flow rate at pressures up to 10 bar or to be switched more and with short switching times.
  • EP-A-0 341 861 there is shown a fluidic power amplifier incorporating a having electrically controllable valve, by which a control pressure to a druckbeaufschlagbare membrane is switched through.
  • the membrane is with the Coupled sealing element of a pressure control valve.
  • the force exerted on the membrane Force can be transmitted to the pressure control valve, where the delivered Force is effective as a mechanical switching force.
  • the invention is a binary, electrically controllable fluidic power amplifier created by safe switching in short Switching times and low electrical drive power at large switchable volume flow up to the range of about 10 bar.
  • the rigid rod at its side facing away from the pressure / force transducer End on a membrane of two membranes of a double membrane relay is coupled.
  • the insertion of a pressure / force converter between the electric controllable valve and the fluidic relay is an unconventional Measure and could be because of resorting to mechanical, moving Elements appear to be disadvantageous if it is not recognized that just this way the desired properties can be achieved.
  • the required switching force for the fluidic relay can namely be applied by a pressure / force transducer whose fluidic Part has a very small volume. This will short switching times favored.
  • An influence on the switching force is due to the Size of the pressure supplied by the electrically controllable valve control pressure or by the size of the pressurized surface of the Pressure / force converter possible.
  • a double diaphragm relay can be used, which is connected as a 3/2-way valve is.
  • a fluidic power amplifier according to the invention can by a discrete electrical signal in the range of about 5 to about 50 mW, a volume flow of at least about 100 l / min at one pressure until about 10 bar are switched.
  • An electrically controllable by a discrete signal of a power in the range of about 5 to about 50 mW valve 10, in particular piezo or solenoid valve, has an input 12 which is connected to a pressure source in the range of 1 bar, and an output 14, the is connected to the fluidic input of a pressure / force converter 16.
  • the output of the pressure / force transducer is a mechanical switching force which is removed by a rigid rod 18 from the pressurized diaphragm 16a of the pressure / force transducer 16.
  • the rod 18 is coupled at its end facing away from the pressure / force transducer end to a membrane 20 a of the two membranes 20 a, 20 b of a double membrane relay 20.
  • the membranes 20a, 20b of the double membrane relay 20 are internally connected by a rigid connection 18a.
  • the five fluid ports of the dual diaphragm relay 20 are commonly referred to as x 1 , x 2 , x 3 , x 4 and y
  • the ports x 2 and x 3 are connected in common to a fluid source having a volumetric flow of at least about 100 liters / min at a pressure of up to about 10 bar.
  • the port y then forms the switched output of the double diaphragm relay.
  • the terminals x 1 and x 4 remain unconnected, they are in atmosphere.
  • a control pressure of about 1 bar is switched by the controlled with a discrete electrical signal valve 10, which acts on the clamped in the interior of the pressure / force transducer 16 membrane 16a.
  • the switching force removed by the diaphragm 16a through the rod 18 is transmitted to the two diaphragms of the double diaphragm relay 20. Due to the switching force, the binary double diaphragm relay is switched from one to the other switching state. Without switching force, the membrane 20b is applied by the media pressure against its associated sealing seat, so that the output y from the terminals x 2 and x 3 is isolated.
  • the double diaphragm relay is in the closed state.
  • the membrane 20b With effective switching force, however, the membrane 20b is lifted from its associated sealing seat, so that the terminals x 2 and x 3 are in communication with the output y. The double membrane relay is then opened.
  • the membrane 20a serves to securely guide the movable unit formed by the connection 18a and the two diaphragms 20a, 20b.
  • the double diaphragm relay in the shown Embodiment is connected as a 3/2-way valve.
  • the same purpose can meet a different kind of valve, such as a slide valve.

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Description

Die Erfindung betrifft einen binären elektrisch austeuerbaren fluidischen Leistungsverstärker gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein solcher Leistungsverstärker ist besonders vorteilhaft in einem geregelten pneumatischen Stellantrieb und allgemein in allen Fällen anwendbar, bei denen mit geringer Ansteuerleistung ein hoher Volumenstrom bei Drücken bis zu 10 Bar oder mehr und bei kurzen Schaltzeiten geschaltet werden soll.
Herkömmliche fluidische Leistungsverstärker dieser Art sind mit fluidisch gekoppelten Verstärkerstufen ausgestattet. Die mit dieser Lösung erreichbaren Schaltzeiten werden durch schädliche Volumina beeinträchtigt. Zur Anpassung der erforderlichen Schaltkräfte sind Eingriffe in die Fluidik erforderlich, was mit erheblichem Aufwand verbunden ist.
In der EP-A-0 341 861 ist ein fluidischer Leistungsverstärker gezeigt, der ein elektrisch ansteuerbares Ventil aufweist, durch das ein Steuerdruck an eine druckbeaufschlagbare Membran durchschaltbar ist. Die Membran ist mit dem Dichtelement eines Druckregelventils gekoppelt. Die auf die Membran ausgeübte Kraft kann so an das Druckregelventil übertragen werden, an dem die abgegebene Kraft als mechanische Schaltkraft wirksam ist.
Durch die Erfindung wird ein binärer, elektrisch ansteuerbarer fluidischer Leistungsverstärker geschaffen, der sich durch sicheres Schalten bei kurzen Schaltzeiten und geringer elektrischer Ansteuerleistung bei großem schaltbaren Volumenstrom bis in den Bereich von etwa 10 Bar auszeichnet.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß die starre Stange an ihrem vom Druck/Kraft-Wandler abgewandten Ende an einer Membran von zwei Membranen eines Doppelmembranrelais angekoppelt ist.
Die Einfügung eines Druck/Kraft-Wandlers zwischen das elektrisch ansteuerbare Ventil und das fluidische Relais ist eine unkonventionelle Maßnahme und könnte wegen des Rückgriffs auf mechanische, bewegte Elemente als nachteilhaft erscheinen, wenn nicht erkannt wird, daß gerade hierdurch die angestrebten Eigenschaften erzielt werden können. Die erforderliche Schaltkraft für das fluidische Relais kann nämlich von einem Druck/Kraft-Wandler aufgebracht werden, dessen fluidischer Teil ein sehr geringes Volumen aufweist. Dadurch werden kurze Schaltzeiten begünstigt. Eine Beeinflussung der Schaltkraft ist durch die Größe des von dem elektrisch ansteuerbaren Ventil gelieferten Steuerdrucks oder auch durch die Größe der druckbeaufschlagten Fläche des Druck/Kraft-Wandlers möglich.
Als fluidisches Relais kann ein Doppelmembranrelais verwendet werden, das als 3/2-Wegeventil geschaltet ist. Mit einem erfindungsgemäßen fluidischen Leistungsverstärker kann durch ein diskretes elektrisches Signal im Bereich von etwa 5 bis etwa 50 mW ein Volumenstrom von mindestens etwa 100 l/min bei einem Druck bis etwa 10 Bar geschaltet werden.
Die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen fluidischen Leistungsverstärkers wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt als Blockdiagramm die drei Bestandteile des Leistungsverstärkers.
Ein elektrisch durch ein diskretes Signal einer Leistung im Bereich von etwa 5 bis etwa 50 mW ansteuerbares Ventil 10, insbesondere Piezo- oder Magnetventil, hat einen Eingang 12, der an eine Druckquelle im Bereich von 1 Bar angeschlossen ist, und einen Ausgang 14, der an den fluidischen Eingang eines Druck/Kraft-Wandlers 16 angeschlossen ist. Die Ausgangsgröße des Druck/Kraft-Wandlers ist eine mechanische Schaltkraft, die durch eine starre Stange 18 von der druckbeaufschlagten Membran 16a des Druck/Kraft-Wandlers 16 abgenommen wird. Die Stange 18 ist an ihrem vom Druck/Kraft-Wandler abgewandten Ende an eine Membran 20a der zwei Membranen 20a, 20b eines Doppelmembranrelais 20 angekoppelt. In bekannter Weise sind die Membranen 20a, 20b des Doppelmembranrelais 20 intern durch eine starre Verbindung 18a miteinander verbunden. Wenn die fünf Fluidanschlüsse des Doppelmembranrelais 20 in üblicher Weise mit x1, x2, x3, x4 und y bezeichnet werden, so sind die Anschlüsse x2 und x3 gemeinsam an eine Fluidquelle angeschlossen, die einen Volumenstrom von mindestens etwa 100 l/min bei einem Druck von bis etwa 10 Bar liefert. Der Anschluß y bildet dann den geschalteten Ausgang des Doppelmembranrelais. Die Anschlüsse x1 und x4 bleiben unbeschaltet, sie liegen an Atmosphäre.
Im Betrieb wird durch das mit einem diskreten elektrischen Signal angesteuerte Ventil 10 ein Steuerdruck von etwa 1 Bar geschaltet, der die im Inneren des Druck/Kraft-Wandlers 16 eingespannte Membran 16a beaufschlagt. Die von der Membran 16a durch die Stange 18 abgenommene Schaltkraft wird auf die beiden Membranen des Doppelmembranrelais 20 übertragen. Durch die Schaltkraft wird das binäre Doppelmembranrelais von dem einen in den anderen Schaltzustand umgeschaltet. Ohne Schaltkraft wird die Membran 20b durch den Mediendruck gegen den ihr zugeordneten Dichtsitz angelegt, so daß der Ausgang y von den Anschlüssen x2 und x3 isoliert ist. Das Doppelmembranrelais ist im geschlossenen Zustand. Bei wirksamer Schaltkraft ist hingegen die Membran 20b von dem ihr zugeordneten Dichtsitz abgehoben, so daß die Anschlüsse x2 und x3 mit dem Ausgang y in Verbindung stehen. Das Doppelmembranrelais ist dann geöffnet. Die Membran 20a dient der sicheren Führung der aus Verbindung 18a und den beiden Membranen 20a, 20b gebildeten beweglichen Einheit.
Es ist ersichtlich, daß das Doppelmembranrelais bei der gezeigten Ausführungsform als 3/2-Wegeventil geschaltet ist. Den gleichen Zweck kann ein anders geartetes Ventil erfüllen, beispielsweise ein Schieberventil.

Claims (6)

  1. Binärer elektrisch ansteuerbarer fluidischer Leistungsverstärker,mit einem elektrisch ansteuerbaren Ventil (10), wobei mittels des elektrisch ansteuerbaren Ventils (10) ein Steuerdruck an eine druckbeaufschlagbare Membran (16a) eines Druck/Kraft-Wandlers (16) durchschaltbar ist, und mit einer starren Stange (18), die mit ihrem einen Ende an die druckbeaufschlagbare Membran (16a) angekoppelt ist und durch die die von der druckbeaufschlagten Membran (16a) des Druck/Kraft-Wandlers (16) abgegebene Kraft abgenommen werden kann und an ein fluidisches Relais (20) übertragen werden kann, an dem die abgegebene Kraft als mechanische Schaltkraft wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Stange (18) an ihrem vom Druck/Kraft-Wandler (16) abgewandten Ende an einer Membran (20a) von zwei Membranen (20a, 20b) eines Doppelmembranrelais (20) angekoppelt ist.
  2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppehnembranrelais (20) als 3/2-Wegeventil geschaltet ist.
  3. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fluidische Relais (20) als Schieberventil ausgebildet ist.
  4. Leistungsverstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch ansteuerbare Ventil (10) auf ein diskretes Signal im Bereich von etwa 5 bis etwa 50 mW anspricht.
  5. Leistungsverstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des fluidischen Relais (20) ein Volumenstrom von mindestens etwa 100 l/min bei einem Druck bis etwa 10 Bar schaltbar ist.
  6. Leistungsverstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mittels des elektrisch ansteuerbaren Ventils (10) durchschaltbare Steuerdruck in der Größenordnung von einem Bar liegt.
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