NO339333B1 - Membranaktuator - Google Patents

Description

OMRÅDE FOR OPPFINNELSEN

[0001]Den foreliggende oppfinnelse angår generelt å styre ventilaktuatorer og, mer nøyaktig, membranaktuatorer med en membran som tettende griper inn i en aksel til aktuatoren.

BAKGRUNN

[0002]Styringsventiler er vanligvis benyttet i prosess-styringssystemer. Generelt, kan en styringsventil benyttes for å manipulere et strømningsfluid for å regulere en prosess som er varierbar til en ønsket innstilt verdi, og for å transportere eller av-levere et fluid fra en kilde til en destinasjon, etc. En styringsventil-sammenstilling innbefatter typisk et ventillegeme, en aksel og en aktuator for å sørge for driv-kraften via akselen for å operere ventilen (f.eks. for å posisjonere en plugg eller strømningsstyringsdel innen ventilen).

[0003]Fjær- og membranpneumatiske aktuatorer er vanligvis referert til som membranaktuatorer og er ofte valgt til bruk med styringsventiler på grunn av deres driftssikkerhet. Membranaktuatorer innbefatter typisk en foring som inneholder en membran, en aktuatoraksel og én eller flere fjærer for å returnere aktuatorakselen til en kjent posisjon i fravær av et styringstrykk påført membranen. Membranaktuatorer mottar typisk et variabelt gasstrykk (f.eks. luft) på én side av membranen for å bevege aktuatorakselen og derved åpne og lukke eller modulere en styringsventil. Styringsvirkningen til aktuatoren avhenger av utformingen av membranen, membranplaten, returfjærene og aktuatorakselen. Membranaktuatorer kan utformes for direkte å virke slik at et øket styringstrykk forlenger membranen og aktuatorakselen bort fra aktuatorforingen. Alternativt kan membranaktuatorer utformes for å være reverserende virkende slik at det økte lufttrykket trekker tilbake membranen og aktuatorakselen.

[0004]Uavhengig av typen av styringsvirkning som membranaktuatoren er utformet for, er aktuatorakselen, som også kan refereres til som en spindel, mekanisk koplet eller festet til membranen. Typisk går et endeparti av akselen eller spindelen gjennom en senteråpning av membranen, og én eller flere mekaniske festeelementer (f.eks. skiver, muttere, bolter, etc.) er benyttet for å klemme eller på annen måte feste senterpartiet av membranen til akselen eller spindelen. På denne måten bevirker bevegelse eller forskyvninger av membranen i samsvar med styringstrykkforandringer tilhørende bevegelse eller forskyvninger av aktuatorakselen elle spindelen. For å muliggjøre at et styringstrykk opprettholdes på én side av membranen, er typisk åpningen, gjennom hvilken enden av aktuatorakselen eller spindelen går, typisk forseglet for å forhindre lekkasje rundt akselen eller spindelen gjennom åpningen. Kjente teknikker for å tette senteråpningen av en membran, gjennom hvilken en aksel eller spindel går, benytter imidlertid typisk et relativt komplekst og kostbart arrangement av skiver, o-ringer og spesialiserte komponenter.

[0005]US 3934480 A omtaler en senteråpning i en membran som er forseglet ved å benytte en elastisk ring koplet til membranen og klemt omkring en stempelstang. Stempelstangen er anordnet med en skulder og et ringformet spor som forløper i lengderetningen aksialt innover fra overflaten av skulderen. Den nedre side av den elastiske ring låser en fortykket bølgeformet membranende i dette ringformede spor.

[0006]US 5417143 A omtaler en blokkeringssammenstilling med en sperre-mekanisme ved hvilken innretning et stempel kan være manuelt nedtrykket og sperret i en blokkeringsposisjon hvor en låsebolt er forhåndsinnsatt ved inngrep med en aktuatorstang til en uttømmings/lasteventil el, slik at som svar på aksial forlengelse av aktuatorstangen som er tilstrekkelig for å innrette et låsespor i aktuatorstangen med låsebolten, vil låseinngrepet derimellom oppstå for å begrense ytterligere aksial forlengelse av aktuatorstangen, uten ytterligere tiltak på delen av operatøren. Automatisk frigjøring av låsebolten fra låsesporet til aktuatorstangen oppstår i samsvar med aksial tilbaketrekking av aktuatorstangen, ved å bevirke fråkopling av sperremekanismen for å tillate en returfjær til å tilbakestille stempelet.

[0007]US 4774874 A omtaler en bølgeformet membran for innfesting mellom et stempel og en sylinder. Membranen omfatter en indre radial seksjon med sirkulær konfigurasjon som kan festes til stempelet, et ytre ringformet skjørt som kan festes i sylinderen og en bølgeformet vegg mellom nevnte indre radialseksjon og nevnte ytre ringformede skjørt. Den indre flate av overgangen mellom den indre radiale seksjon med den bølgeformede veggen er utformet med en ringformet vulst som kan mottas innen et ringformet spor dannet i stempelet for å feste den indre radiale seksjon av den bølgeformede membran dertil uavhengig av andre festemidler. I tillegg er det ytre ringformede skjørt utformet ved et mellomliggende parti av sin ytre flate med et ringformet spor som kan mottas over enden av en ringformet vegg av sylinderen for å klemme det ytre ringformede skjørt mellom den ringformede vegg og en endevegg av sylinderen, også uavhengig av andre festemidler.

SAMMENFATNING

[0008]Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved en membranaktuator, omfattende: en bevegelig komponent; en membran med en senteråpning og et integralt tetningsfremspring anbrakt omkring en periferi av senteråpningen, hvori tetningsfremspringet er utformet for tettende å oppta den bevegbarekomponent av membranaktuatoren, kjennetegnet ved at tetningsfremspringet er radialt adskilt fra senteråpningen og at membranaktuatoren videre omfatter: en foring, en første ende av den bevegbare komponent er anbrakt på innsiden av foringen, en andre ende av den bevegbare komponent strekker seg på utside av foringen; og

en membranplate koplet til membranen, hvori membranplaten danner en stiv oppbakking for membranen og presser tetningsfremspringet inn i tettende inngrep med den bevegbare komponent av membranaktuatoren.

[0009]Foretrukne utførelsesformer av membranaktuatoren er videre utdypet i kravene 1 til og med 14.

[0010]I et beskrevet eksempel, har en membran til bruk i en membranaktuator en senteråpning og et integralt tettende fremspring frembrakt omkring en periferi av senteråpningen. I tillegg, er det tettende fremspringet utformet for tettende å oppta en bevegbar komponent av membranaktuatoren.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0011]Fig. 1 er et tverrsnittsriss av en styringsventil med en kjent fjær og membranaktuator.

[0012]Fig. 2 er et forstørret tverrsnittsriss av et parti av den kjente membran og aktuatoraksel-sammenstilling i fig. 1.

[0013]Fig. 3 er et tverrsnittsriss av en eksempelstyringsventil med en fjær og membranaktuator med en membran tettende opptatt mot en skulder til en aktuatoraksel.

[0014]Fig. 4 er et forstørret tverrsnittsriss som viser et parti av eksempelmembranen og aktuatoraksel-sammenstillingen i fig. 3.

[0015]Fig. 5 er et forstørret tverrsnittsriss som viser et alternativt tettende inngrep mellom membranen og akselen til eksempeltetnings-apparatet i fig. 3 og 4.

DETALJERT BESKRIVELSE

[0011]Eksempelapparatet for å tette membraner mot aktuatoraksler i membranaktuatorer beskrevet heri eliminerer det relativt komplekse og kostbare tetningsapparatet som benyttes i mange kjente membranaktuatorer. Mer nøyaktig, innbefatter et eksempel beskrevet heri, en membran med en senteråpning og et integralt tettende fremspring slik som en tetningsperle anbrakt omkring en periferi av senteråpningen. Tetningsfremspringet er utformet for tettende å oppta en skulder til en aksel av en membranaktuator. Spesielt kan tetningsfremspringet (f.eks. tettende perle) oppta en ringformet fordypning i skulderen til akselen, og derved muliggjøre at membranen tetter mot akselen uten behovet for å anvende et relativt komplekst og kostbart arrangement med ytterligere o-ringer, skiver etc, som tradisjonelt har blitt benyttet for å tilveiebringe en slik tetning.

[0012]Før eksempelmembranen og aktuatoraksel-tetningsapparatet nevnt ovenfor beskrives, er det tilveiebrakt en kort beskrivelse av et kjent tetningsapparat i forbindelse med fig. 1 og 2. Ved å gå til fig. 1, er et tverrsnittsriss av en styringsventil 100 med en kjent fjær og membranaktuator 101 fremskaffet. Som vist i fig. 1, har membranaktuatoren 101 en øvre foring 102 og en nedre foring 104, som er koplet sammen med et flertall av skulder-festeranordninger 106, 108 atskilt langs en utvendig kant av foringene 102 og 104 på en konvensjonell måte. En membran 110 er fanget mellom foringene 102 og 104 og atskiller rommet innen foringen 102 og 104 og atskiller rommet innen foringene 102 og 104 til et styretrykk-kammer 112 og et atmosfæretrykk-kammer 114. En membranplate 116 tilveiebringer en stiv oppbakking for membranen 110 og, som omtalt mer detaljert nedenfor i forbindelse med fig. 2, tilrettelegger for det tettende inngrepet av membranen 110 mot en aktuatorspindel eller aksel 118 via en tetningssammenstilling 120. I tillegg er spindelen eller akselen 118 operativt koplet til en spindel eller aksel 122 av styringsventilen 100 via en kopling 124. Kompresjonsfjærer 126 er anordnet mellom membranplaten 116 og en indre vegg 128 av den øvre foring 122 og således er utformet for å presse eller forspenne membranen 110, membranplaten 116 og aktuatorakselen 118 mot styringsventilen 100. Som et resultat, er spindelen eller akselen 122 til styringsventilen 100, som er vist som en to-veis pluggventil, forspent for å lukke styringsventilen 100 (dvs. for å hindre eller beskytte fluidstrømning gjennom ventilen 100).

[0013]Under operasjon, kan et styringstrykksignal være fremskaffet til kammeret 112 via en styringstrykkport 130 for å variere trykket i kammeret 112. Samtidig varieres trykket i kammeret 112, trykket i kammeret 114 er opprettholdt ved vesentlig atmosfærisk trykk via en port eller ventilasjon 132. Således, ettersom trykk i kammeret 112 øker over atmosfæretrykk, er membranen 110 presset og flyttet mot den øvre foring 102 mot kreftene til fjærene 126 for å trekke aktuatorakselen 118 og således akselen 122 til styringsventilen 100 mot øvre foring 102, og derved åpne styringsventilen 100. Omvendt, ettersom trykk i kammeret 112 avtar, beveger membranen 110 seg mot den nedre foring 104 og således flytter aktuatorakselen 118 og akselen 122 for å lukke ventilen 100. Selv om membranaktuatoren 101 er utformet for å tilveiebringe en direktevirkende styring slik at økt trykk tjener til å åpne styringsventilen 100, kan en motsatt virkende utforming anvendes isteden.

[0014]Fig. 2 er et forstørret tverrsnittsriss av tetningsfremstillingen 120 til den kjente membranaktuatoren 101 i fig. 1. Som vist i fig. 2, har membranen 110 og membranplaten 116 respektive senteråpninger 200 og 202 gjennom hvilken ender 204 til aktuatorakselen 118 kan gå. Skiver 206 og 208 ligger på hver side av membranen 110 og membranplaten 116 og tjener til å motta og spre eller fordele en trykktetningskraft påført via en mutter 210 som er skrudd på enden 204 til akselen 118 og stammet mot skiven 206. Som det kan ses i fig. 2, er skiven 208 mekanisk stoppet mot en skulder 212 til akselen 118 og således, ettersom mutteren 210 er strammet, er økende trykk-kraft påført skivene 206 og 208, membranplaten 116, membranen 110 og o-ringene 214, 216 og 218.

[0015]Mer nøyaktig, for å tette åpningen 200 til membranen 110, er mutteren 210 strammet for å trykke sammen o-ringene 214 og 216 mellom skiven 208 og membranen 210 og for å trykke sammen o-ringen 218 mellom skiven 208 og skulderen 212. På denne måten kan en lekkasjebane gjennom åpningen 200 til membranen 110 tettes for å tilrettelegge vedlikehold av en trykkdifferanse mellom kammerne 112 og 114 til aktuatoren 101 (fig. 1). Imidlertid, som det vil verdsettes fra beskrivelsen av den kjente tetningssammentilling 120 vist i fig. 1 og 2, er et relativt stort antall og komplekst arrangement av komponenter benyttet for å tette åpningen 200 til membranen 110. Videre kan skiven 208 kreve spesiell fabrikasjon for å tilveiebringe en avfasing eller lignende for å motta o-ringen 218 og slik spesiell fabrikasjon kan tilføre betydelig kostnad til tetningssammenstillingen 120.

[0016]Fig. 3 er et tverrsnittsriss av en eksempelfjær og membranaktuator 300 som eliminerer behovet for å benytte ytterligere o-ringer og andre komponenter som typisk benyttes for å tette en membran mot en aktuatoraksel (f.eks. den kjente tetningssammenstilling 120 vist i fig. 1 og 2). Med referanse til fig. 3, omfatter membranaktuatoren 300 en membran 316 fanget mellom den øvre foring 302 og nedre foring 304 koplet sammen med et flertall av skrudde festeanordninger 306, 308, som fester foringene 302 og 304 ved en ytre kant. Membranen 316 atskiller de øvre og nedre foringer 302 og 304 i et atmosfærisk trykk-kammer 322 og et styringstrykk-kammer 324. Den øvre foring 302 er også anordnet med en luft-ventilering 310 for å opprettholde et omgivende atmosfærisk lufttrykk i kammeret 322. Den nedre foring 304 er anordnet med et styringstrykk-innløp 312 for å motta et styringstrykk for å variere trykket i styringstrykk-kammeret 324. En membranplate 318 tilveiebringer en stiv oppbakking for membranen 316 og, som beskrevet i større detalj nedenfor i forbindelse med fig. 4, tilrettelegger det tettede inngrepet av membranen 316 mot en aktuatorspindel eller aksel 320 via en tetningssammenstilling 326. Fjærer 314 er anordnet mellom membranplaten 318 og en indre vegg 328 til den øvre foring 302. Fjærene 314 er utformet for å presse membranen 316, membranen 318 og aktuatorakselen 320 bort fra den øvre foringen 302 og mot en styringsventil (ikke vist) som er operativt koplet til akselen 320. Som vist i eksempelet i fig. 3, er aktuatoren 300 utformet for direkte virknings-styring. En motsatt virkende utforming kan imidlertid også benyttes isteden.

[0017]Fig. 4 er et forstørret tverrsnittsriss av tetningssammenstillingen 306 til eksempel-membranaktuatoren 300 i fig. 3. Med referanse til fig. 4, er i tetningssammenstillingen 326, membranen 316 direkte tettende koplet til en skulder 414 til akselen 320. Mer nøyaktig, innbefatter membranen 316 et integralt tetningsfremspring 404 som er anbrakt omkring en periferi av en senteråpning 412 i membranen 316. Som vist i fig. 4, er tetningsfremspringet 404 utformet som en tetningsperle med en buet profil som støter mot senteråpningen 412. Andre geo-metrier og lokaliseringer av det integrale tetningsfremspringet 404 kan imidlertid benytte isteden. For eksempel, kan tetningsfremspringet 404 anvende et rektangulært profil og/eller kan være radielt atskilt eller forskjøvet fra senteråpningen 412 for å tilveiebringe det samme eller lignende resultater som eksempelutformingen viser i fig. 4. Membranen 316 er fortrinnsvis, men ikke nødvendigvis, laget av et elastomerisk materiale og kan videre innbefatte duk eller andre forsterkningslag for å tilveiebringe en ønsket stivhet, styrke, livssyklus, etc.

[0018]Uavhengig av den spesielle geometri og lokalisering av det integrale tetningsfremspring 404, er tetningsfremspringet 404 utformet for tettende å oppta og kople til en bevegbar komponent av en membranaktuator. Spesielt er tetningsfremstillingen 404 utformet for mekanisk å kople og tettende oppta aktuatorakselen 320. I eksempelet i fig. 4, er skulderen 414 vesentlig perpendikulær til den langsgående akse av akselen 320 og innbefatter et ringformet spor eller fordypning 406 utformet for å motta tetningsfremspringet 404. Den ringformede fordypning 406 er vist som å ha et rektangulært profil. Ethvert annet passende profil kan imidlertid benyttes isteden for å oppnå en mekanisk kopling og tettende inngrep mellom tetningsfremspringet 404 og akselen 320. I tillegg, idet skulderen 414 er vist som å være vesentlig perpendikulær til den langsgående akse av akselen 320, kunne skulderen 414 være ved enhver annen vinkel i forhold til den langsgående akse av akselen 320.

[0019]Et endeparti 408 av akselen 320 er dimensjonert eller av størrelse for å ha en relativt mindre diameter enn den gjenværende av akselen 320 for å oppta eller gå gjennom senteråpningen 412 i membranen 316, senteråpningen 410 i membranplaten 318 og en skive 400. Endepartiet 408 til akselen 320 er videre utformet for å oppta eller motta minst én festeanordning slik som f.eks. en mutter 402. I dette eksempel, er endepartiet 408 til akselen 320 gjenget for å motta mutteren 402, som er strammet for å presse skiven 400, membranplaten 318 og tetningsfremspringet 404 mot skulderen 414 til akselen 320. På denne måten er tetningsfremspringet 404 presset inn i den ringformede fordypning 406 for å danne en tetning mellom membranen 316 og akselen 320 og derved vesentlig eliminere lekkasje mellom akselen 320 og membranen 316 via senteråpningen 412 til membranen 316.

[0020]Skiven 400 kan være utformet for å ha en plan overflate med en senteråpning. Andre skiveutforminger og/eller ytterligere skiver kan imidlertid benyttes isteden. Foreksempel kunne én eller flere skiver, Belleville-skiver, fjærskiver, etc. benyttes istedenfor eller i tillegg til skiven 400. Videre kunne skiven 400 og/eller enhver ytterligere skive være laget av metall, plast eller ethvert passende materiale. I tillegg, idet festeanordningen 402 er vist som en enkel mutter, kunne andre og/eller ytterligere festeanordninger benyttes. For eksempel, kunne en selvlåsende mutter, skyvemutter, og/eller enhver annen type av festeanordning eller låseanordning være benyttet istedenfor eller i tillegg til festeanordningen 402 for å holde membranen 316 i et tettende inngrep med akselen 320.

[0021]Fig. 5 er et forstørret tverrsnittsriss som viser et alternativt tetningsinngrep mellom membranen og akselen til eksempeltetnings-apparatet i fig. 3 og 4. Som vist i fig. 5, er et lag av materiale 500 anbrakt mellom tetningsfremspringet 404 og den ringformede fordypning 406. Materialet 500 kan være et klebemiddel eller noe annet materiale for å tilrettelegge tetningsinngrepet av tetningsfremspringet 404 med fordypninger 406. Videre, kan materialet 500 fore hele fordypningen 406 eller kun et parti av fordypningen 406.

[0022]Selv om visse eksempel-apparater har blitt beskrevet heri, er området og dekningen av dette patent ikke begrenset til dette. I motsetning dekker dette patent alle fremgangsmåter, apparater og artikler for fremstilling som rettferdig faller innen området av de vedføyde kravene, enten bokstavelig eller under ekvivalensdoktrinen.

Claims (14)

1. Membranaktuator (300), omfattende: en bevegelig komponent (320); en membran (316) med en senteråpning (412) og et integralt tetningsfremspring (404) anbrakt omkring en periferi av senteråpningen, hvori tetningsfremspringet er utformet for tettende å oppta den bevegbarekomponent (320) av membranaktuatoren, karakterisert vedat tetningsfremspringet er radialt adskilt fra senteråpningen og at membranaktuatoren (300) videre omfatter: en foring (302, 304), en første ende av den bevegbare komponent er anbrakt på innsiden av foringen, en andre ende av den bevegbare komponent strekker seg på utside av foringen; og en membranplate (318) koplet til membranen, hvori membranplaten danner en stiv oppbakking for membranen og presser tetningsfremspringet (404) inn i tettende inngrep med den bevegbare komponent av membranaktuatoren.

2. Membranaktuator som angitt i krav 1, karakterisert vedat tetningsfremspringet (404) er utformet for mekanisk å kople til den bevegbare komponent.

3. Membranaktuator som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert vedat tetningsfremspringet (404) omfatter en tetningsperle.

4. Membranaktuator som angitt i et hvilket som helst av krav 1 til 3,karakterisert vedat senteråpningen til membranen er posisjonert for å motta den bevegbare komponent til membranaktuatoren.

5. Membranaktuator som angitt i et hvilket som helst av krav 1 til 4,karakterisert vedat den bevegbare komponent (320) er en aksel, nevnte aksel (320) har en ringformet fordypning (406) ved en første ende på en skulder (414) av akselen.

6. Membranaktuator som angitt i krav 5, karakterisert vedat skulderen (414) omfatter en overflate som er vesentlig perpendikulær til en langsgående akse av akselen (320).

7. Membranaktuator som angitt i krav 5 eller 6, karakterisert vedat et parti av akselen er utformet for å motta i det minste én festeanordning (402) for å kople membranen (316) til akselen (320).

8. Membranaktuator som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav 5 til 7, karakterisert vedat den ringformede fordypning (406) mekanisk kopler membranen (316) til akselen (320).

9. Membranaktuator som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav 5 til 8, karakterisert vedat partiet av membranen (316) er krummet.

10. Membranaktuator som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav 5 til 9, karakterisert vedat den ringformede fordypning (406) har et rektangulært profil.

11. Membranaktuator som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav 5 til 10; karakterisert vedat den videre omfatter et lag av materiale (500) mellom membranen (316) og den ringformede fordypning (406).

12. Membranaktuator som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav 5 til 11; karakterisert vedat et endeparti (408) av akselen (320) er utformet for å gå gjennom senteråpningen (412) til membranen (316) for å motta en festeanordning (402) for å kople membranen og membranplaten (318) til akselen.

13. Membranaktuator ifølge krav 12, karakterisert vedat festeanordningen (402) påfører en kompresjons-kraftfor å presse membranen (316), membranplaten (318) og tetningsfremspringet (404) mot fordypningen (406) og skulderen (414).

14. Membranaktuator som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav 5 til 13, karakterisert vedat fordypningen (406) til akselen (320) er dimensjonert for å motta og tette mot det integrale tetningsfremspringet (404) til membranen (316).