EP2616692A2 - Linearantrieb - Google Patents

Linearantrieb

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Publication number
EP2616692A2
EP2616692A2 EP11797180.4A EP11797180A EP2616692A2 EP 2616692 A2 EP2616692 A2 EP 2616692A2 EP 11797180 A EP11797180 A EP 11797180A EP 2616692 A2 EP2616692 A2 EP 2616692A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
housing
linear drive
actuator
end plate
Prior art date
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Granted
Application number
EP11797180.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2616692B1 (de
Inventor
Yuri Krasikov
Olaf Neubauer
David Antonio Castano Bardawil
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP2616692A2 publication Critical patent/EP2616692A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2616692B1 publication Critical patent/EP2616692B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/10—Characterised by the construction of the motor unit the motor being of diaphragm type

Definitions

  • the invention relates to a linear drive, in particular a double-acting linear drive for use as an actuator in a fusion experiment.
  • ITER As part of the international fusion experiment ITER, a fusion plant is to be created that can achieve a net energy gain.
  • the actuator system designates a sub-field of drive technology, wherein the term actuatorics generally means the generation of a movement or deformation and thus in many technical see disciplines, such as As control engineering, automation technology or mechatronics, is used.
  • actuators set electronic signals, for example from a control computer, into mechanical motion or other physical
  • actuators can be any kind of movement generation, in particular, in addition to the biological (stimulation of a muscle fiber) and electromechanical (rotation of a shaft or translation of the movable component of a linear system) and the mechanical movement.
  • electromechanical rotation of a shaft or translation of the movable component of a linear system
  • the mechanical movement In the purely mechanical movement is also distinguished between a pneumatic movement by means of a pneumatic cylinder and a hydraulic movement by means of a hydraulic cylinder.
  • Linear drives are drive systems that generate a linear movement.
  • the linear actuators include spindle drives, linear motors, electromechanical cylinders (eg electric motors with spindle drive), pneumatic cylinders, hydraulic cylinders, gas springs, rack drives and toothed belt drives.
  • a pneumatic cylinder is a working cylinder operated by means of a gas, in particular by means of compressed air.
  • a pneumatic cylinder which uses a working gas
  • a hydraulic cylinder the energy from a hydraulic fluid supplied by a hydraulic pressure accumulator or a hydraulic pump is converted into an easily controllable, rectilinear force.
  • Single-acting cylinders have only one side of the piston, which is supplied with compressed air or hydraulic fluid. Work can only be done in one direction. The return movement is carried out by the net mass or an external force (for example, a spring).
  • Double-acting cylinders have two opposing piston surfaces. The cylinder thus has two active directions of movement.
  • piston rods having pneumatic cylinders and bellows cylinder are known. Since they have no piston rod inside, the installation height can therefore be significantly reduced.
  • Bellows cylinders are often used instead of hydraulic steel cylinders as Anpresszylinder in difficult and harsh environmental conditions. Bellows cylinders are dimensionally stable elements made of highly sophisticated elastomers with vulcanised textile
  • Bellows cylinders can also be used wear-free even in adverse environmental conditions such as dirt, dust, granules or sludge.
  • Bellows cylinders can be used in pneumatic applications with both compressed air and other gaseous media such. As nitrogen, operated. In low pressure areas is also the use of hydraulic media, such. As water and glycol, allowed.
  • the shutter is controlled by a pneumatic actuator.
  • the actuator has two, an inner and an outer bellows.
  • the inner bellows acts like a pneumatic cylinder with a stroke length of approx. 2 mm.
  • the outer bellows together with the inner bellows, provide double protection against the vacuum.
  • FIG. 1 A functional representation of an actuator, as it is currently used in the diagnostic system cCXRS for the ITER Tokamak Experimental Fusion Reactor, is shown in FIG.
  • This actuator works on the same principle as it is already used in industry. It is a linear, single-acting pneumatic actuator in which a piston (2) inside a cylinder (1) performs the desired movement (double arrow). However, unlike the actuators known in the industry, this one has a double bellows (3) for the extreme conditions in the ITER experiments, instead of gaskets that seal against a medium. Via the central inlet, a fluid medium M1 is introduced for moving the piston. This pushes the piston in (+) direction. The counter-movement (-) is realized via the spring force of the bellows. The double bellows can be acted upon with a test gas, which serves to delekt leak between the cavities of the vacuum and the first medium Ml.
  • a disadvantage of a movement of the piston to a friction along the surfaces which are marked in the figure with (R).
  • an actuator is known, as can be seen from FIG.
  • This is also a linear, single acting pneumatic actuator a piston (2) inside a cylinder (1) performs the desired movement (double arrow).
  • the bellows (3) takes over the seal against the fluid medium (Ml), which is by a central opening via a pressure control on and off.
  • the piston (2) not only perform a linear movement along the double arrow, but it is also disadvantageous a slight rotational movement of the piston and a tilting movement within the cylinder possible, as indicated by the other arrows in Figure 2.
  • an additionally arranged sliding bearing would be necessary.
  • the object of the invention is to provide a low-maintenance linear drive which operates precisely and durably even under extreme environmental conditions, such as high temperatures, ultra-high vacuum, heat radiation, electromagnetic fields and neutron flux.
  • the linear drive should be suitable as a servomotor for a diaphragm shutter release or as a drive mechanism for a sensor movement. Furthermore, it should be mixed with different fluids, i. H. Gas or liquids can be operated.
  • the object of the invention is achieved by a device according to the main claim.
  • Advantageous embodiments of the device can be found in the dependent claims.
  • the actuator according to the invention advantageously allows a double-acting linear movement without friction and without lubrication. It is especially designed for use in extreme environments, such as high temperatures up to 400 ° C, ultra-high vacuum ⁇ 10 '6 Pa, thermal radiation and electromagnetic fields and neutron fluxes. It is therefore particularly suitable for use as a linear motor for a shutter or as a linear drive for a sensor in an ITER experiment.
  • the actuator can take on different sizes and be operated with different fluids.
  • the stroke of the piston of the actuator is in principle of the constructive Requirements, namely the wall thickness, the inner or outer diameter, the material and the number of flexible elements, which make the invention in particular.
  • the approximate ratio between the outer diameter and the stroke is usually in the range of 40 to 100.
  • the actuator according to the invention is designed in a specialticiansforrn especially for fast, small movements in the range of -5 to +10 mm.
  • the actuator according to the invention Due to the lack of friction and lubrication of the actuator according to the invention is particularly durable and reliable.
  • the fluid flow required to control the actuator can be used simultaneously for the cooling of the actuator and surrounding parts.
  • the actuator has a substantially cylindrical housing with an end plate, a front plate and a piston arranged movably in the interior of the housing and connected to a piston rod
  • piston While in mechanical engineering a piston is understood as a movable component which forms a closed cavity together with a fixed component and whose volume can be changed, the term piston is used in the context of the invention for a movable component, which is located in the interior of the actuator housing , but does not reach its gas-tight dimensions on the housing wall, and thus forms together with this no two closed cavities. Nevertheless, the piston according to the invention has a piston rod fixedly connected to it and a piston surface on both sides.
  • the end plate fixed to the housing includes the inlets and outlets for two fluid media. Since the actuator according to the invention is designed double-acting, a positive movement of the piston is effected via a first medium, and the negative counter-movement is actively effected by a second medium.
  • the supply line for the positive movement of the piston is arranged centrally and extends into the interior of the housing.
  • the inlet and outlet for the second medium are advantageously provided on the outer edge of the end plate.
  • the ebenfall also firmly connected to the housing end plate has an opening through which the piston rod is guided out of the housing. The opening is sealed from the movable piston rod by no seal.
  • the seal against the movable piston rod is made by a bellows system, which connects the face plate of the housing and the piston.
  • the piston has inside the housing itself in the
  • Substantially cylindrical expansion which extends around the central supply line of the first fluid medium.
  • Flexible elements which are fixedly connected both to the axial feed of the first fluid medium and to the cylindrical expansion of the piston, allow linear movement of the piston within the housing, without causing rotation of the piston or tilting within the housing can come.
  • the substantially cylindrical expansion of the piston is maintained by at least one flexible element at a radial fixed distance about the central supply line, whereby a movement of the piston (stroke) along the central Zu Adjustsieitung due to the flexibility of the elements to some extent possible.
  • a plurality of flexible elements along the central supply line are arranged. The guidance over the flexible element or the flexible elements ensures that the piston can only execute an exactly linear movement along the axis of the housing or the central feed line.
  • the first cavity for the first fluid medium is defined by the middle part of the end plate, the second bellows system and the substantially cylindrical expansion of the piston and the inner piston surface.
  • a discharge line for the first medium is provided in the end plate.
  • the second cavity for the second fluid medium is bounded by the outer part of the end plate, the outer housing wall, the face plate, the first bellows system, the outer piston surface and possibly a part of the substantially cylindrical expansion of the piston and the second flexible bellows system.
  • the outlet for the first fluid medium is located in the middle part of the end plate, while the supply and the outlet for the second medium can advantageously be arranged in the outer area of the end plate or even in the actuator housing.
  • the flexible elements must not form a closed surface between the central supply conduit and the substantially cylindrical expansion of the piston, but at least have apertures through which the first fluid medium passing through the central supply passes along the gap between the central one Supply and the cylindrical expansion of the piston in the direction of the end plate can flow.
  • the geometry and number of openings are on the one hand so dimensioned that a rapid exchange of media can take place, on the other hand, however, the stability and the function of distance compliance and leadership of the cylindrical expansion of the piston along the central supply line are not compromised.
  • a flexible element this consists of an elastic band.
  • the use of at least three elastic bands disposed at substantially equal intervals radially between the central supply of the first medium and the substantially cylindrical expansion of the piston may be sufficient to provide the required centering of the substantially cylindrical expansion of the piston about the central supply conduit while allowing the necessary linear movement of the piston along the central supply line.
  • Another embodiment would be, for example, a disk-shaped, elastic element.
  • a particularly advantageous embodiment of the elastic element provides a disc-shaped elastic element, which has at least two bends, and thus similar to a bellows is constructed and therefore particularly easy allows lateral movement.
  • the mode of action of the actuator according to the invention is as follows: For a positive direction of movement of the piston, the first fluid medium is conducted via the central supply line into the actuator. The derivative of the first medium can be closed or at least reduced, so that in total builds up a positive pressure. As the pressure in the space for the first medium increases, the piston is pushed away from the end plate and out of the actuator. If the outlet for the second medium is opened, the second fluid medium can be simultaneously pushed out of the space for the second medium via the discharge from the actuator. Conversely, for a negative movement of the piston, the second fluid medium is actively introduced into the outer ring of the actuator formed by the housing wall and the cylindrical widening of the piston so that the piston, in particular the cylindrical widening, is pushed away from the end face. The space for the first fluid medium is compressed and the first medium is at least partially removed via the derivative of the actuator.
  • the need for cooling for the actuator may result.
  • the first and / or second medium is used simultaneously as the cooling medium. So it can be ensured that no matter whether a positive or negative movement of the piston is desired, always a certain media flow through the actuator and thus a cooling effect takes place. This means, for example, that for a pressure increase of the first medium, the derivative of the same may only be reduced in order to guarantee a, albeit small, media flow.
  • the increase of the first medium can also take place against a low pressure (eg 0.5 bar) of the second medium, which is achieved despite a desired temperature positive movement, the second medium is actively introduced into the actuator.
  • a low pressure eg 0.5 bar
  • the housing of the actuator itself as
  • the central supply line for the first medium is insofar an axial supply line.
  • a cylindrical housing is easy to manufacture, has less sealing problems than a cuboid housing, and is better in terms of flow to move fluid media in its interior quickly.
  • the outer space for the second medium can be minimized in terms of volume, which is also advantageous for rapid control.
  • a further advantageous embodiment of the actuator provides that the substantially cylindrical widening of the piston is connected to the piston via a disk perpendicular to the axis. The advantage of this vertically arranged disc is that it represents a particularly large attack surface for both the first and the second medium, and thus a rapid increase in kinetic energy is possible via a pressure increase of one of the two media.
  • the substantially cylindrical expansion of the piston is provided as a cylindrical design.
  • identical flexible elements along the axial supply line can be used, since the distance to be bridged between the central supply line and the cylindrical expansion is identical in each case.
  • the flexible element is provided at the end of the substantially cylindrical expansion of the piston, or at the beginning of the central supply line.
  • flexible elements are provided at at least two points of the central supply line. Particularly advantageous is the arrangement of a further flexible element at the end of the axial feed line.
  • the flexible element comprises at least two elastic springs or bands, which are arranged radially around the central feed between this and the substantially cylindrical expansion of the piston.
  • the springs maintain the substantially cylindrical expansion of the piston radially equidistant from the central feed and thus allow only movement of the piston along the axis of the central feed.
  • the size of the maximum deflection of the piston is determined on the one hand by the elasticity of the flexible element and also due to the design of the free space that can occupy the piston in the interior of the Aktuatorgeophuses.
  • experiments aim at a deflection of the piston rod by the actuator in the range of typically -1 to +2 mm.
  • the flexible element is designed in the form of a disc-shaped element with a central recess, which contacts the central feed with its inner diameter and with its outer diameter, the substantially cylindrical expansion of the piston.
  • This element can advantageously fold up in a "concertina-like" manner similar to a bellows, which allows, within certain limits, the linear movement of the piston along the axis of the central feed, without influencing the radial distance
  • these flexible elements have corresponding openings allowing rapid exchange of material, thus enabling fast switching times of the actuator, in particular a titanium alloy (Ti6Al-4V), stainless steel 316L (N) as the material for the flexible element.
  • the important material properties for use as a flexible element in the invention are not too high a modulus of elasticity, high permissible stress and good weldability.
  • the first or second fluid Medium in particular Other gaseous helium or argon suitable.
  • non-compressible media are used as the first and / or second fluid medium.
  • Water or oil are also suitable as the first or second fluid medium if the operating temperatures are below 80 ° C.
  • this means for checking the gas-tightness between the second medium and the vacuum is especially not very good when working with a tritium-containing atmosphere against vacuum.
  • the first bellows system is designed as a double bellows system. Inside this double Belgsystems is a kind of test gas. The double bellows system is connected via a pipe system which extends from the front side into the interior of the double bellows system. By checking the test gas can thus be detected quickly if a leak between the cavities of the vacuum and the second medium should occur.
  • first bellows system for sealing between the second medium and the environment on the piston side may optionally be designed double-walled
  • FIG. 1 double-acting cylinder from [1]
  • Figure 2 single-acting actuator from an unpublished ITER presentation
  • Figure 3 Ausbowungsforrn of the inventive actuator
  • FIG. 4 Embodiment of the actuator according to the invention with test gas
  • Figure 5 different embodiments of the inventive flexible element
  • Figure 6 Example of application for the actuator according to the invention for controlling a
  • the flexible elements (6) in particular in the form of bands, springs, segments or disk-shaped elements with and without buckling connect the central supply line (3) with the substantially cylindrical widening of the piston (2). On the one hand, they serve to center the essentially cylindrical widening of the piston about the central supply line, but due to their elasticity they permit lateral movement.
  • Conceivable and suitable shapes for the flexible elements according to the invention are, for example, elastic bands, pre-bent springs or disc-shaped elements with and without buckling.
  • a possible field of application of the actuator according to the invention is shown in FIG.
  • the actuator is used to control a shutter in an ITER experiment.
  • the environmental conditions on the piston side are extreme: temperatures up to 400 ° C, ultra high vacuum ⁇ 10 "6 Pa, thermal radiation and electromagnetic fields and neutron fluxes
  • the actuator according to the invention is able to open the shutter within about 0.7 seconds or more.
  • the special design of the 1-meter-long shutter enables an opening of the shutter of approximately 50 mm when the actuator is only moved by 2 mm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen linearen Antrieb mit einem Gehäuse mit einer Endplatte und einer Stirnplatte und mit einem im Inneren des Gehäuses beweglich angeordneten und mit einer Kolbenstange verbundenen Kolben. Die mit dem Gehäuse fest verbundene Endplatte weist eine zentrale Zuführung für ein erstes Medium auf, welches in das Innere des Gehäuses hineinreicht. Die Endplatte oder das Gehäuse weisen ein Mittel zur Abführung für das erste fluide Medium und Mittel zur Zu- und Abführung für ein zweites fluides Medium auf. Die mit dem Gehäuse fest verbundene Stirnplatte weist eine Öffnung zur Durchführung der Kolbenstange aus dem Gehäuse heraus auf, wobei die Stirnfläche gegenüber dem beweglichen Kolben durch ein erstes Balgsystem abgedichtet ist. Der Kolben im Inneren des Gehäuses zeigt eine im Wesentlichen zylindrische Aufweitung, die um die zentrale Zuführung angeordnet ist. Der Aktuator ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein flexibles Element die im Wesentlichen zylindrische Aufweitung des Kolbens und die zentrale Zuführungsleitung verbindet, und dass ein zweites Balgsystem derart zwischen der im Wesentlichen zylindrischen Aufweitung des Kolbens und der Endplatte oder dem Gehäuse angeordnet ist, dass dadurch im Inneren des Aktuators zwei gasdicht voneinander getrennte Hohlräume ausgebildet sind, wobei die Mittel zur Zu- und Abführung für das erste fluide Medium mit dem ersten Hohlraum, und die Mittel zur Zu- und Abführung für das zweite fluide Medium mit dem zweiten Hohlraum verbunden sind.

Description

Beschreibung
Linearantrieb
Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb, insbesondere einen doppeltwirksamen Linearantrieb für den Einsatz als Aktuator in einem Fusionsexperiment.
Stand der Technik
Im Rahmen des internationalen Fusionsexperiments ITER soll eine Fusionsanlage entstehen, die einen Netto-Energiegewinn erzielen kann. Als Vorläufer von ITER wurde zunächst JET (= Joint European Torus), ein so genannter Tokamak gebaut, der derzeit das weltweit größte Fusionsexperiment darstellt und als Prüfstand dient, auf dem die Gültigkeit und Durchführbarkeit zahlreicher wissenschaftlicher und technologischer Optionen getestet wurde, zu denen insbesondere auch vielfältige Diagnosemethoden gehören.
Derzeit werden umfangreiche Konzept-Designstudien für das ITER-CXRS -Diagnostiksystem fortgeführt, wobei schwerpunktmäßig die "Referenz-Option" für die Komponenten im CXRS Port Plug weiter entwickelt werden. Hierzu gehören als wesentliche Komponenten ein Shut- ter, der zum Schutz des ersten Spiegels vor Erosion und Deposition über einen pneumatischen Aktuator schnell {< 1 s) geschlossen werden kann, sowie ein herausziehbares Rohr, welches an seiner Spitze den Shutter sowie den ersten Spiegel trägt, und welches per remote-handling einen häufigeren Austausch des ersten Spiegels ermöglicht. Weiterhin wurden für die CXRS Referenz-Option Konzepte für eine Kassette mit den beiden Funktionen Neutronenabschirmung und Tragrahmen für den optischen Aufbau sowie schließlich für die Spiegelhalter entwickelt, welche neben der präzisen Halterung und Justierung der Spiegel auch deren Kühlung und Heizung unter Vakuum ermöglichen. Begleitend zur Konzeptentwicklung für die Komponenten wurden detaillierte Studien zur Neutronenbelastung sowie zur Aktivierung der Port Plug Komponenten durchgeführt. Die Studien zur Lebensdauer des ersten Spiegels wurden durch Experimente zu Erosion und Deposition sowie durch Modellrechnungen zur Übertragung der Ergebnisse auf ITER- Verhältnisse fortgesetzt.
Die Aktuatorik bezeichnet ein Teilgebiet der Antriebstechnik, wobei der Begriff Aktorik allgemein das Erzeugen einer Bewegung oder Verformung meint und somit in vielen techni- sehen Disziplinen, wie z. B. der Regelungstechnik, Automatisierungstechnik oder Mechatro- nik, verwendet wird.
So genannte Aktoren (Wandler; auch: Aktuatoren) setzen elektronische Signale, beispielswei- se von einem Steuerungscomputer, in mechanische Bewegung oder andere physikalische
Größen um und greifen so regulierend in das Regelungssystem ein und/oder geben Sollgrößen vor.
Im klassischen Sinne kann Aktorik dabei jede Art von Bewegungserzeugung sein, insbeson- dere neben der biologischen (Stimulation einer Muskelfaser) und elektromechanischen (Rotation einer Welle oder Translation der beweglichen Komponente eines Linearsystems) auch die mechanische Bewegung. Bei der rein mechanischen Bewegung wird zudem unterschieden zwischen einer pneumatischen Bewegung mittels eines Pneumatikzylinders und einer hydraulischen Bewegung mittels eines Hydraulikzylinders.
Linear antriebe sind Antriebssysteme, die eine lineare Bewegung erzeugen. Zu den Linearantrieben gehören unter anderem Spindeltriebe, Linearmotoren, elektromechanische Zylinder (z. B. Elektromotor mit Spindeltrieb), Pneumatikzylinder, Hydraulikzylinder, Gasdruckfedern, Zahnstangenantriebe und Zahnriemenantriebe.
Ein Pneumatikzylinder ist ein mittels eines Gases, insbesondere mittels Druckluft, betriebener Arbeitszylinder. Im Unterschied zum Pneumatikzylinder, der mit einem Arbeitsgas arbeitet, wird bei einem Hydraulikzylinder die Energie aus einer Hydraulikflüssigkeit, die von einem hydraulischen Druckspeicher oder einer Hydraulikpumpe geliefert wird, in eine einfach steu- erbare, geradlinig wirkende Kraft umgesetzt.
Man unterscheidet grundsätzlich zwischen einseitig und beidseitig mit Druckluft oder der Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbaren Zylindern, auch einfach wirkende, bzw. doppeltwirkende Zylinder genannt. Einfachwirkende Zylinder haben nur eine Kolbenseite, die mit Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird. Arbeit kann dadurch nur in eine Richtung verübt werden. Die Rückbewegung erfolgt durch die Eigenmasse oder eine Fremdkraft (beispielsweise eine Feder). Bei doppeltwirkenden Zylindern sind zwei gegenüberliegende Kolbenflächen vorhanden. Der Zylinder hat dadurch zwei aktive Bewegungsrichtungen. Neben Kolbenstangen aufweisenden Pneumatikzylindem sind auch Balgzylinder bekannt. Da sie keine Kolbenstange im Inneren aufweisen, kann die Einbauhöhe deshalb deutlich verringert werden. Balgzylinder werden häufig anstelle von hydraulischen Stahlzylindern als Anpresszylinder in schwierigen und rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt. Balgzylinder sind formstabile Elemente aus hochanspruchsvollen Elastomeren mit einvulkanisierten textilen
Festigkeitsträgern. Bei Anwendungen im Vakuum werden auch Edelstahlbalgzylinder eingesetzt. Balgzylinder erzeugen die überwiegend lineare Bewegung über die Walkung der hochflexiblen Außenhülle. Der Balg hat keine gegeneinander bewegten mechanischen Reibungsstellen (Dichtungen). Es entsteht deshalb keine Haftreibung (Stick- Slip-Effekt). Die Balgzy- linder sprechen deshalb selbst bei geringen Druckänderungen sofort und gleichmäßig an.
Balgzylinder können auch bei widrigen Umgebungsbedingungen wie Schmutz, Staub, Granulat oder Schlamm in der Regel verschleißfrei eingesetzt werden.
Balgzylinder können in pneumatischen Anwendungen sowohl mit Druckluft sowie mit weite- ren gasförmigen Medien, wie z. B. Stickstoff, betrieben werden. In Niederdruckbereichen ist ebenfalls die Verwendung von hydraulischen Medien, wie z. B. Wasser und Glykol, zulässig.
Aus EP 1 532 872 Bl ist beispielsweise eine Vorrichtung zum Verdichten von Tabak bekannt, bei der zwei einzeln beaufschlagbare Balgzylinder eingesetzt werden, um ein Verdichtungs- element linear in entgegengesetzte Richtungen zu verschieben.
Für die Anwendung eines Linearantriebs als Aktuator in einem Fusionsexperiment sind besondere Anforderungen zu erfüllen. Alle optischen Systeme in ITER basieren auf metallischen Spiegeln. Diese sind direkt einem Plasmastrahl ausgesetzt und unterliegen daher der Erosion und Ablagerungsprozessen, die ihre optischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Reflektivität, nachhaltig beeinflussen. Dies wirkt sich regelmäßig negativ auf die spektroskopischen Signale aus. Diese Spiegel werden daher durch einen über einen Aktuator gesteuerten Shutter geschützt, der nur zu bestimmten Zeiten öffnet, und so den Plasmastrahl auf den Spiegel zulässt. Das Öffnen und Schließen muss schnell (< 1 s) erfolgen und die Lebensdauer eines solchen Aktuators sollte möglichst lang sein, da ein regelmäßiger Austausch nicht vorgesehen und nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand durchgeführt werden kann. In [1] wird eine neue Konzeptstudie zu einer Versuchsanordnung für ein ITER Experiment beschrieben, bei der als wesentliche Komponenten ein herausziehbares Rohr, welches an seiner Spitze den Shutter sowie den ersten Spiegel trägt, und welches per remote-handling einen häufigeren Austausch des ersten Spiegels ermöglicht, beschrieben wird. Der Shutter wird über einen pneumatischen Aktuator gesteuert. Der Aktuator weist zwei, einen inneren und einen äußeren Balg auf. Der innere Balg wirkt wie ein pneumatischer Zylinder mit einer Hublänge von ca. 2 mm. Sobald der Aktuator unter Druck gesetzt wird, werden über zwei elastische Platten die beiden Arme des Shutters nach außen gebogen, so dass der Shutter öffnet. Der äußere Balg sichert zusammen mit dem inneren Balg gegenüber dem Vakuum doppelt ab. Auf diese Weise kann eine Reibung des Kolbens im Vakuum gegen die innere Gehäusewand vermieden werden. Die einzigen Oberflächen, die noch einer Reibung ausgesetzt sind, befinden sich vorteilhaft in dem mit einem Medium gefüllten inneren Volumen des Aktuators. Die Konstruktion des Aktuators ist auf drei Drehbewegungen und zwei Auslenkungen beschränkt, und lässt daher nur eine Bewegung entlang der Achse zu.
Eine Funktionsdarstellung eines Aktuators, wie er derzeit beim Diagnosesystem cCXRS für den ITER Tokamak Experimental Fusionsreaktor eingesetzt wird, ist der Figur 1 zu entnehmen. Dieser Aktuator arbeitet nach demselben Prinzip, wie er in der Industrie bereits eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um einen linearen, einfach wirkenden pneumatischen Aktua- tor, bei dem ein Kolben (2) im Inneren eines Zylinders (1) die gewünschte Bewegung (Doppelpfeil) ausführt. Im Unterschied zu den aus der Industrie bekannten Aktuatoren weist dieser jedoch anstelle von Dichtungen, die gegen ein Medium abdichten, für die extremen Bedingungen bei den ITER Experimenten einen doppelten Balg (3) auf. Über den zentralen Einlass wird ein fluides Medium Ml zur Bewegung des Kolbens eingeführt. Dieses drückt den Kol- ben in (+) Richtung. Die Gegenbewegung (-) wird über die Federkraft des Balges realisiert. Der doppelte Balg kann mit einem Prüfgas beaufschlagt werden, welches dazu dient, eine Undichtigkeit zwischen den Hohlräumen des Vakuums und des ersten Mediums Ml zu delektieren. Nachteilig kommt es bei einer Bewegung des Kolbens zu einer Reibung entlang der Flächen, die in der Figur mit (R) gekennzeichnet sind.
Ferner ist aus bislang unveröffentlichten Präsentationen zu einem ITER Divertor Thomson- Streuungs- Diagnosesystem ein Aktuator bekannt, wie er aus der Figur 2 zu entnehmen ist. Es handelt sich auch hierbei um einen linearen, einfachwirkenden pneumatischen Aktuator, bei dem ein Kolben (2) im Inneren eines Zylinders (1) die gewünschte Bewegung (Doppelpfeil) ausführt. In diesem Fall übernimmt der Balg (3) die Abdichtung gegenüber dem fluiden Medium (Ml), welches durch eine zentrale Öffnung über eine Drucksteuerung ein- und ausgelassen wird. Bei dieser Ausführung kann der Kolben (2) nicht nur eine lineare Bewegung entlang des Doppelpfeils ausführen, sondern es ist nachteilig auch eine leichte Drehbewegung des Kolbens sowie eine Kippbewegung innerhalb des Zylinders möglich, wie durch die weiteren Pfeile in der Figur 2 angedeutet. Um diesen Nachteil zu beheben, wäre ein zusätzlich angeordnetes Gleitlager notwenig.
Aufgabe und Lösung.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen wartungsarmen Linearantrieb bereit zustellen, der auch unter extremen Umgebungsbedingungen, wie hohe Temperaturen, Ultrahoch- Vakuum, Wärmestrahlung, elektromagnetische Felder und Neutronenfluss, präzise und langlebig arbei- tet. Der Linearantrieb sollte als Stellmotor für eine Blende V erschlussauslöser oder als Antriebsmechanismus für eine Sensorbewegung geeignet sein. Ferner sollte er mit unterschiedlichen Fluiden, d. h. Gasen oder auch Flüssigkeiten betrieben werden können.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Hauptanspruch. Vor- teilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den darauf rückbezogenen Ansprüchen zu finden,
Gegenstand der Erfindung
Der erfindungsgemäße Aktuator ermöglicht vorteilhaft eine doppeltwirkende Linearbewegung ohne Reibung und ohne Schmierung. Er ist insbesondere für den Einsatz in extremer Umgebung konzipiert, wie beispielsweise hohe Temperaturen bis 400 °C, Ultrahochvakuum <10'6 Pa, thermische Strahlung sowie elektromagnetische Felder und Neutronenflüsse. Er ist damit besonders geeignet, als Linearmotor für einen Shutter oder als Linearantrieb für einen Sensor in einem ITER Experiment eingesetzt zu werden.
Der Aktuator kann verschiedene Größen annehmen und mit unterschiedlichen Fluiden betrieben werden. Der Hub des Kolbens des Aktuators ist dabei prinzipiell von den konstruktiven Anforderungen abhängig, nämlich der Wandstärke, dem inneren bzw. äußeren Durchmesser, dem Material und der Anzahl der flexiblen Elemente, die die Erfindung insbesondere ausmachen. Das ungefähre Verhältnis zwischen dem äußeren Durchmesser und dem Hub liegt in der Regel im Bereich von 40 bis 100. Der erfindungsgemäße Aktuator ist in einer speziellen Ausführungsforrn insbesondere für schnelle, kleine Bewegungen im Bereich von -5 bis +10 mm ausgelegt.
Auf Grund der nicht vorhandenen Reibung und Schmierung ist der erfindungsgemäße Aktuator besonders langlebig und verlässlich. Zudem kann die zur Steuerung des Aktuators benötigte Fluidströmung gleichzeitig für die Kühlung des Aktuators und umliegender Teile eingesetzt werden.
Der Aktuator weist ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse mit einer Endplatte, einer Stirnplatte sowie einen im Inneren des Gehäuses beweglich angeordneten und mit einer Kol- benstange verbundenen Kolben auf
Während im Maschinenbau ein Kolben als ein bewegliches Bauteil verstanden wird, das zusammen mit einem feststehenden Bauteil einen abgeschlossenen Hohlraum bildet und dessen Volumen verändert werden kann, wird im Rahmen der Erfindung der Begriff Kolben für ein bewegliches Bauteil verwendet, welches sich im Inneren des Aktuatorgehäuses befindet, aber von seinen Ausmaßen nicht gasdicht an die Gehäusewand heranreicht, und somit zusammen mit dieser keine zwei abgeschlossenen Hohlräume ausbildet. Dennoch weist der erfindungsgemäße Kolben eine fest mit ihm verbundene Kolbenstange und auf beiden Seiten eine Kolbenfläche auf.
Die mit dem Gehäuse fest verbundene Endplatte umfasst die Zu- und Ableitungen für zwei fluide Medien. Da der erfindungsgemäße Aktuator doppeltwirksam ausgestaltet ist, wird eine positive Bewegung des Kolbens über ein erstes Medium bewirkt, und die negative Gegenbewegung aktiv durch ein zweites Medium.
Die Zuleitung für die positive Bewegung des Kolbens ist zentral angeordnet und reicht in das Innere des Gehäuses hinein. Die Zu- und Ableitung für das zweite Medium sind vorteilhaft am äußeren Rand der Endplatte vorgesehen. Die ebenfall fest mit dem Gehäuse verbundene Stirnplatte weist eine Öffnung auf, durch die die Kolbenstange aus dem Gehäuse heraus geführt wird. Die Öffnung ist gegenüber der beweglichen Kolbenstange durch keine Dichtung abgedichtet. Die Abdichtung gegenüber der beweglichen Kolbenstange erfolgt durch ein Balgsystem, welches die Stirnplatte des Gehäu- ses und den Kolben verbindet. Der Kolben weist im Inneren des Gehäuses selbst eine im
Wesentlichen zylindrische Aufweitung auf, die um die zentrale Zuleitung des ersten fluiden Mediums herumreicht.
Flexible Elemente, die sowohl mit der axialen Zuleitung des ersten fluiden Mediums als auch mit der zylindrischen Aufweitung des Kolbens fest verbunden sind, ermöglichen eine lineare Bewegung des Kolbens innerhalb des Gehäuses, ohne dass es zu einer Verdrehung des Kolbens oder zu einem Kippen innerhalb des Gehäuses kommen kann. Die im Wesentlichen zylindrische Aufweitung des Kolbens wird über wenigstens ein flexibles Element in einem radialen festen Abstand um die zentrale Zufuhrungsleitung gehalten, wobei eine Bewegung des Kolbens (Hub) entlang der zentralen Zufuhrungsieitung auf Grund der Flexibilität der Elemente in einem gewissen Maße möglich ist. Vorteilhaft sind mehrere flexible Elemente entlang der zentralen Zuführungsleitung angeordnet. Durch die Führung über das flexible Element bzw. die flexiblen Elemente ist sichergestellt, dass der Kolben nur eine exakt lineare Bewegung entlang der Achse des Gehäuses, bzw. der zentralen Zufuhrungsieitung, ausführen kann.
Die Ausbildung von zwei Hohlräumen innerhalb des Aktuatorgehäuses, die für die doppeltwirksame Kolbenbewegung notwendig ist, wird durch ein weiteres flexibles Balgsystem sichergestellt, welches die zylindrische Aufweitung des Kolbens mit der Endplatte oder mit dem Aktuatorgehäuse gasdicht verbindet. Dadurch werden innerhalb des Aktuators zwei Hohlräume geschaffen.
Der erste Hohlraum für das erste fluide Medium wird durch den mittleren Teil der Endplatte, das zweite Balgsystem sowie der im Wesentlichen zylindrischen Aufweitung des Kolbens und der inneren Kolbenfläche begrenzt. Eine Abführungsleitung für das erste Medium ist in der Endplatte vorgesehen. Der zweite Hohlraum für das zweite fluide Medium wird begrenzt durch den äußeren Teil der Endplatte, der äußeren Gehäusewand, der Stirnplatte, dem ersten Balgsystem, der äußeren Kolbenfläche und gegebenenfalls einem Teil der im Wesentlichen zylindrischen Aufweitung des Kolbens und dem zweiten flexiblen Balgsystem.
Neben der zentralen Zuführung für das erste fluide Medium befindet sich dementsprechend der Auslass für das erste fluide Medium im mittleren Teil der Endplatte, während die Zuführung und der Auslass für das zweite Medium vorteilhaft im äußeren Bereich der Endplatte oder sogar in dem Aktuatorgehäuse angeordnet sein können.
Die flexiblen Elemente dürfen keine geschlossene Fläche zwischen der zentralen Zuführungsleitung und der im Wesentlichen zylindrischen Aufweitung des Kolbens bilden, sondern weisen zumindest Durchbrüche bzw. Öffnungen auf, durch die das erste fluide Medium, welches durch die zentrale Zuführung gelangt, entlang des Zwischenraums zwischen der zentralen Zuführung und der zylindrischen Aufweitung des Kolbens in Richtung Endplatte strömen kann. Die Geometrie und Anzahl der Öffnungen sind einerseits so bemessen, dass ein schneller Medienaustausch stattfinden kann, auf der anderen Seite jedoch die Stabilität und die Funktion der Abstandseinhaltung und Führung der zylindrischen Aufweitung des Kolbens entlang der zentralen Zufuhrungsleitung nicht gefährdet sind.
In der einfachsten Ausführung eines flexiblen Elementes besteht dies aus einem elastischen Band. Der Einsatz von wenigstens drei elastischen Bändern, die in nahezu gleichem Abstand radial zwischen der zentralen Zuführung des ersten Mediums und der im Wesentlichen zylindrischen Aufweitung des Kolbens angeordnet sind, kann ausreichen, um die geforderte Zentrierung der im Wesentlichen zylindrischen Aufweitung des Kolbens um die zentrale Zuführungsleitung sicherzustellen und gleichzeitig die notwendige lineare Bewegung des Kolbens entlang der zentralen Zufiihrungsleitung zu ermöglichen. Eine weitere Ausgestaltung wäre beispielsweise ein scheibenförmiges, elastisches Element. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des elastischen Elements sieht ein scheibenförmiges elastisches Element vor, welches wenigstens zwei Knickungen aufweist, und somit ähnlich wie ein Balg aufgebaut ist und daher besonders einfach eine laterale Bewegung zulässt. Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Aktuators ist wie folgt: Für eine positive Bewegungsrichtung des Kolbens wird das erste fluide Medium über die zentrale Zuleitung in den Aktuator geleitet. Die Ableitung des ersten Mediums kann dabei geschlossen oder zumindest reduziert werden, so dass sich in Summe ein positiver Druck aufbaut. Wenn sich der Druck im Raum für das erste Medium erhöht, wird der Kolben von der Endplatte weg und aus dem Aktuator hinausgedrückt. Sofern der Auslass für das zweite Medium geöffnet ist, kann das zweite fluide Medium gleichzeitig aus dem Raum für das zweite Medium über die Ableitung aus dem Aktuator herausgedrückt werden. Umgekehrt wird für eine negative Bewegung des Kolbens aktiv das zweite fluide Medium in den äußeren, durch die Gehäusewand und die zylindrische Aufweitung des Kolbens gebildeten Ring des Aktuator eingeleitet, so dass der Kolben, insbesondre die zylindrische Aufweitung, von der Stirnseite weggedrückt wird. Der Raum für das erste fluide Medium wird dabei zusammengedrückt und das erste Medium wird zumindest teilweise über die Ableitung aus dem Aktuator entfernt.
Bei Anwendungen, bei denen Neutronenflüsse eine Rolle spielen, kann sich die Notwendigkeit einer Kühlung für den Aktuator ergeben. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird in einem solchen Fall das erste und/oder zweite Medium gleichzeitig als Kühlmedium einge- setzt. So kann sichergestellt werden, dass egal ob eine positive oder negative Bewegung des Kolbens erwünscht ist, immer ein gewisser Medienfluss durch den Aktuator und damit ein Kühleffekt erfolgt. Das bedeutet beispielsweise, dass für eine Druckerhöhung des ersten Mediums die Ableitung desselben nur reduziert werden darf, um einen, wenn auch geringen, Mediendurchfluss zu garantieren. In dem Fall, in dem auch das zweite Medium als Kühlmittel fungiert, kann beispielsweise die Erhöhung des ersten Mediums auch gegen einen geringen Druck (z. B. 0,5 bar) des zweiten Mediums erfolgen, der dadurch erreicht wird, dass trotz einer gewünschten positiven Bewegung das zweite Medium aktiv in den Aktuator eingeleitet wird. In einer vorteilhaften Ausführung des Aktuators ist das Gehäuse des Aktuators selbst als
Zylinder ausgestaltet. Die zentrale Zuführungsleitung für das erste Medium ist insofern eine axiale Zufuhrungsleitung. Ein zylindrisches Gehäuse ist einfach herzustellen, weist weniger Dichtungsprobleme als ein quaderförmiges Gehäuse auf, und ist strömungstechnisch besser geei net, fluide Medien in seinem Inneren schnell zu bewegen. Ferner lässt sich so der äußere Raum für das zweite Medium volumenmäßig minimieren, was ebenfalls für eine schnelle Steuerung vorteilhaft ist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Aktuators sieht vor, dass die im Wesentlichen zylindrische Aufweitung des Kolbens über eine senkrecht zur Achse stehende Scheibe mit dem Kolben verbunden ist. Der Vorteil dieser senkrecht angeordneten Scheibe ist, dass sie eine besonders große Angriffsfläche für sowohl das erste, als auch das zweite Medium darstellt, und somit über eine Druckerhöhung eines der beiden Medien eine schnelle Umsetzung in Bewegungsenergie möglich ist.
Vorteilhaft ist auch die im Wesentlichen zylindrische Aufweitung des Kolbens als zylindrische Ausführung vorgesehen. Dadurch können identische flexible Elemente entlang der axialen Zufuhrungsleitung eingesetzt werden, da der zu überbrückende Abstand zwischen der zentralen Zuführungsleitung und der zylindrischen Aufweitung jeweils identisch ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Aktuators ist das flexible Element am Ende der im Wesentlichen zylindrischen Aufweitung des Kolbens, bzw. am Anfang der zentralen Zuführungsleitung, vorgesehen. Ein solches flexibles Element an dieser Stelle und die Füh- rung des Kolbens an der Stirnseite ermöglichen vorteilhaft eine nahezu exakt lineare Bewegung des Kolbens.
In einer vorteilhaften Ausführung des Aktuators sind flexible Elemente an wenigstens zwei Stellen der zentralen Zuführungsleitung vorgesehen. Insbesondere vorteilhaft ist die Anord- nung eines weiteren flexiblen Elements am Ende der axialen Zuführungsleitung. Allein über diese beiden Elemente kann eine sichere Führung des Kolbens im Inneren des Aktuatorgehäu- ses gewährleistet werden.
Je nach Anforderungen kann ein Fachmann die optimale Anzahl der flexiblen Elemente wäh- len. Anstelle eines scheibenförmigen Elementes können natürlich auch zwei oder mehrere elastische, radial angeordnete Bänder die Aufgabe des flexiblen Elementes übernehmen. In einer sehr einfachen Ausführung der Erfindung umfasst das flexible Element wenigstens zwei elastische Federn oder Bänder, die radial um die zentrale Zuführung zwischen dieser und der im Wesentlichen zylinderförmigen Aufweitung des Kolbens angeordnet sind. Die Federn halten die im Wesentlichen zylinderförmige Aufweitung des Kolbens radial in gleichem Abstand von der zentralen Zuführung und lassen insofern nur eine Bewegung des Kolbens entlang der Achse der zentralen Zuführung zu.
Die Größe der maximalen Auslenkung des Kolbens bestimmt sich einerseits durch die Elastizität des flexiblen Elements und ferner bauartbedingt durch den freien Raum, den der Kolben im Inneren des Aktuatorgehäuses einnehmen kann. Für die Anwendung bei den ITER-
Experimenten wird beispielsweise eine Auslenkung der Kolbenstange durch den Aktuator im Bereich von typischerweise -1 bis +2 mm angestrebt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Aktuators ist das flexible Element in Form eines scheibenförmigen Elementes mit einer zentralen Aussparung ausgeführt, welches mit seinem inneren Durchmesser die zentrale Zuführung kontaktiert und mit seinem äußeren Durchmesser die im Wesentlichen zylinderförmige Aufweitung des Kolbens. Dieses Element kann sich vorteilhaft ähnlich wie ein Faltenbalg„ziehharmonikaartig" zusammenfalten. Dadurch wird in gewissen Grenzen die lineare Bewegung des Kolbens entlang der Achse der zentralen Zuführung ermöglicht, ohne dass der radiale Abstand beeinflusst wird. Für den Druckausgleich und für den Transport des ersten Mediums innerhalb des ersten Raumes weisen diese flexiblen Elemente entsprechende Öffnungen auf, die einen raschen Stoffaustausch ermöglichen, um so schnelle Schaltzeiten des Aktuators zu ermöglichen. Als Material für das flexible Element sind insbesondere eine Titanlegierung (Ti6Al-4V), nichtrostender Stahl 316 L(N) oder auch Alloy 718 geeignet. Die wichtigen Materialeigenschaften für einen Einsatz als flexibles Element in der Erfindung sind dabei ein nicht zu hohes Elastizitätsmodul, hohe zulässige Spannung und gute Schweißfähigkeit. Für den Einsatzbereich bei hohen Temperaturen oberhalb von 80 °C sind als erstes oder zweites fluides Medium insbesondere gasartiges Helium oder Argon geeignet. Für schnelle Schaltbzw. Ansprechzeiten des Aktuators hat es sich als günstig herausgestellt, wenn als erstes und/oder zweites fluides Medium nicht kompressible Medien eingesetzt werden. Demgegen- über sind als erstes oder zweites fluides Medium auch Wasser oder Öl geeignet, wenn die Einsatztemperaturen unterhalb von 80 ° C liegen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Aktuators weist dieser Mittel zur Überprüfung der Gasdichtigkeit zwischen dem zweiten Medium und dem Vakuum auf. Dies ist insbesondere not wenig, wenn mit Tritium haltiger Atmosphäre gegen Vakuum gearbeitet wird. In diesem Fall ist das erste Balgsystem als doppeltes Balgsystem ausgeführt. Im Inneren dieses doppelten Balgsystems befindet sich eine Art Prüfgas. Das doppelte Balgsystem ist über ein Leitungssystem verbunden, welches von der Stirnseite her in das Innere des doppelten Balgsystems hineinreicht. Durch eine Überprüfung des Prüfgases kann somit schnell erfasst werden, falls eine Undichtigkeit zwischen den Hohlräumen des Vakuums und des zweiten Mediums auftreten sollte.
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass dadurch eine Einschränkung des Schutzbereiches bewirkt werden soll. In den Figuren bedeuten:
1 Aktuatorgehäuse mit Endplatte (EP) und Stirnplatte (SP)
2 Kolben mit damit verbundener Kolbenstange (KS)
3 zweites Balgsystem zur Abdichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Medium
4 Hohlraum für das zweite fluide Medium
5 Hohlraum für das erste fluide Medium
6 flexibles Element
7 erstes Balgsystem zur Abdichtung zwischen dem zweiten Medium und der Umgebung auf der Kolbenseite, kann gegebenenfalls doppelwandig ausgeführt sein
M 1 , M2 erstes und zweites fluides Medium
M3 Prüfgas
R Reibungsfläche
Es zeigen:
Figur 1 : doppeltwirkender Zylinder aus [1] Figur 2: einfach wirkender Aktuator aus einer unveröffentlichten ITER Präsentation Figur 3: Ausfuhrungsforrn des erfindungs gemäßen Aktuators
Figur 4: Ausfiihrungsform des erfindungsgemäßen Aktuators mit Prüfgas
Figur 5: verschiedene Ausführungsformen des erfindungs gemäßen flexiblen Elements Figur 6: Anwendungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Aktuator zur Steuerung eines
Shutters für ITER Experimente
In der Figur 5 ist das Funktionsprinzip der erfindungs gemäßen flexiblen Elemente dargestellt. Die flexiblen Elemente (6) insbesondere in Form von Bändern, Federn, Segmenten oder scheibenförmigen Elementen mit und ohne Knickung, verbinden die zentrale Zuführungsleitung (3) mit der im Wesentlichen zylindrischen Aufweitung des Kolbens (2). Sie dienen einerseits der Zentrierung der im Wesentlichen zylindrischen Aufweitung des Kolbens um die zentrale Zuführungsleitung, lassen jedoch auf Grund ihrer Elastizität eine Lateralbewegung zu.
Denkbare und geeignete Formen für die erfindungsgemäßen flexiblen Elemente sind beispielsweise elastische Bänder, vorgebogene Federn oder scheibenförmige Elemente mit und ohne Knickungen. Ein mögliches Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Aktuators wird in Figur 6 gezeigt. Der Aktuator wird zur Steuerung eines Shutters im Rahmen eines ITER Experiments eingesetzt. Die Umgebungsbedingungen auf der Kolbenseite sind extrem: Temperaturen bis 400 °C, Ultrahochvakuum <10"6 Pa, thermische Strahlung sowie elektromagnetische Felder und Neutronenflüsse. Der erfindungsgemäße Aktuator ist in der Lage, den Shutter innerhalb von ca. 0,7 Sekunden zu öffnen oder zu schließen. Die spezielle Ausgestaltung des 1 Meter langen Shutters ermöglicht bei einer Hubbewegung des Aktuators von nur 2 mm eine Öffnung des Shutters von ca. 50 mm.
In der Anmeldung zitierte Literatur
[1] Sadakov, S, Baross T, Biel W, Borsuk V, Hawkes N, von Hellermann M, Gille P, Kiss G, Koning J, Knaup M et al.;„Conceptual design of the ITER upper port plug for Charge exchange diagnostic", Fusion Engeneering and Design 84 (2009) 1671-1675.

Claims

Patentansprüche
1. Linearer Antrieb
- mit einem Gehäuse mit einer Endplatte und einer Stirnplatte,
- mit einem im Inneren des Gehäuses beweglich angeordneten und mit einer Kolbenstange verbundenen Kolben,
- wobei die mit dem Gehäuse fest verbundene Endplatte eine zentrale Zuführung für ein erstes Medium aufweist, welches in das Innere des Gehäuses hineinreicht,
- wobei die Endplatte oder das Gehäuse ein Mittel zur Abführung für das erste fluide Medium und Mittel zur Zu- und Abführung für ein zweites fluides Medium aufweisen,
- wobei die mit dem Gehäuse fest verbundene Stirnplatte eine Öffnung zur Durchführung der Kolbenstange aus dem Gehäuse heraus aufweist, und wobei die Stirnfläche gegenüber dem beweglichen Kolben durch ein erstes Balgsystem abgedichtet ist,
- wobei der Kolben im Inneren des Gehäuses eine im Wesentlichen zylindrische Aufweitung aufweist, die um die zentrale Zuführung angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass wenigstens ein flexibles Element die im Wesentlichen zylindrische Aufweitung des Kolbens und die zentrale Zuführungsleitung verbindet, und
- dass ein zweites Balgsystem derart zwischen der im Wesentlichen zylindrischen Aufweitung des Kolbens und der Endplatte oder dem Gehäuse angeordnet ist, dass dadurch im Inneren des Aktuators zwei gasdicht voneinander getrennte Hohlräume ausgebildet sind,
- wobei die Mittel zur Zu- und Abführung für das erste fluide Medium mit dem ersten Hohlraum, und die Mittel zur Zu- und Abführung für das zweite fluide Medium mit dem zweiten Hohlraum verbunden sind.
2. Linearer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Balgsystem zwischen der im Wesentlichen zylindrischen Aufweitung des Kolbens und der Endplatte des Aktuators ausgebildet ist.
3. Linearer Antrieb nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Balgsystem die im Wesentlichen zylindrische Aufweitung des Kolbens nahe der Kolbenstange kontaktiert.
4. Linearer Antrieb nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens zwei flexible Elemente die im Wesentlichen zylindrische Aufweitung des Kolbens und die zentrale Zuführungsleirung an unterschiedlichen Stellen der zentralen Zufuhrungsleitung verbinden.
5. Linearer Antrieb nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die flexiblen Elemente als elastische Bänder ausgebildet sind.
6. Linearer Antrieb nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die flexiblen Elemente scheibenförmig ausgebildet sind und jeweils wenigstens eine Falte aufweisen.
7. Linearer Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die flexiblen Elemente Öffnungen zur Durchleitung eines fluiden Mediums aufweisen.
8. Linearer Antrieb nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die im Wesentlichen zylindrische Aufweitung des Kolbens eine zylindrische Form aufweist, die über eine senkrecht zur Kolbenstange angeordnete Scheibe mit dieser verbunden ist.
9. Linearer Antrieb nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuse des Aktuators zylindrisch ausgestaltet ist.
10. Linearer Antrieb nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dass alle Mittel zur Zu- und Abführung für die beiden fluiden Medien an der Endplatte angeordnet sind.
1 1. Linearer Antrieb nach Anspruch 1 bis 10,
mit einem doppelwandig ausgeführten ersten Balgsystem, welches über eine von der Stirnseite in das Innere des Balgsystems mündende Leitung mit Prüfgas beaufschlagt werden kann.
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