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Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung, insbesondere für den Einsatz unter Wasser sowie eine Verwendung der Stellvorrichtung zur Betätigung einer Unterwasser-Armatur, insbesondere Tiefseearmatur mit mindestens einem Tiefseeventil, wie etwa einem Tiefsee-Kugel-Ventil.
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Stand der Technik
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Es sind elektrohydraulische Aktuatoren für Tiefseeanwendungen bekannt, die dazu benutzt werden, um unter Wasser in Wassertiefen bis zu mehreren tausend Metern im Zusammenhang mit der Förderung von Erdöl und Erdgas, mit Bergbau, naturwissenschaftlichen Erkundigungen oder Infrastrukturprojekten ein Element zu bewegen. So befinden sich z. B. bei Erdöl- oder Erdgasförderanlagen auf See in großen Tiefen Prozessventile, mit denen der Volumenstrom des zu fördernden Mediums geregelt oder abgesperrt werden kann.
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Bekannte elektrohydraulische Aktuatoren für Tiefseeanwendungen sind üblicherweise zum Ausführen einer Bewegung zum Öffnen und Schließen von Tiefseeventilen eingerichtet. Aufgrund der großen Wassertiefen sind die Komponenten dieser Aktuatoren sehr hohen Drücken ausgesetzt. Es konnte beobachtet werden, dass die mechanischen und hydraulischen Komponenten der Aktuatoren einfacher in eine Umgebung mit entsprechend hohen Drücken integrierbar sind als elektronische Komponenten. Insbesondere für die Integration empfindlicher elektronischer Sensorik zur Erfassung der absoluten Drehwinkelposition eines Drehaktuators werden üblicherweise komplexe, bauraumintensive und/oder kostenintensive Dichtungslösungen eingesetzt, um die Sensorik in einer druckreduzierten Umgebung betreiben zu können.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Nachteile bzw. Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Stellvorrichtung (für den Einsatz unter Wasser) mit einer möglichst einfachen, aber gleichwohl sicheren Schnittstelle zwischen druckempfindlichen Komponenten, wie etwa Sensorkomponenten und weniger druckempfindlichen Komponenten, wie etwa mechanischen Komponenten der Stellvorrichtung angegeben werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Stellvorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung anführen, die mit den Merkmalen aus den Patentansprüchen kombinierbar sind.
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Hierzu trägt eine Stellvorrichtung, insbesondere für den Einsatz unter Wasser bei, mit mindestens einer Kammer, wobei in der Kammer ein um eine Drehachse innerhalb eines begrenzten Drehwinkelbereichs rotierbares, erstes mechanisches Glied gehalten ist, wobei außerhalb der Kammer ein um dieselbe Drehachse rotierbares, zweites mechanisches Glied gehalten ist, wobei zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied eine Magnetkupplung gebildet ist und wobei Magnetelemente der Magnetkupplung derart angeordnet und ausgerichtet sind, dass eine Drehwinkelposition des ersten Glieds zumindest winkelsynchron oder schlupffrei auf eine Drehwinkelposition des zweiten Glieds übertragbar ist bzw. übertragen wird.
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Bei der mindestens einen Kammer kann es sich beispielsweise um eine (ab-) gekapselte bzw. (ab-)geschlossene Kammer handeln. Beispielsweise kann ein Kammerinnenraum gegenüber einem Raum außerhalb der Kammer (vollständig) abgedichtet und/oder von diesem (vollständig) getrennt sein. Die Kammer kann insbesondere dazu beitragen, dass die Stellvorrichtung mit und/oder in mindestens zwei verschiedenen Medien arbeiten kann, wobei eines der Medien in der Kammer und das andere der Medien außerhalb der Kammer vorliegen kann. Die Medien können sich dabei beispielsweise in mindestens einer physikalischen Eigenschaft, wie etwa dem Druck, und/oder in mindestens einer chemischen Eigenschaft voneinander unterscheiden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Stellvorrichtung zwei voneinander getrennte Kammern aufweist, wobei in einer ersten der Kammern das um eine Drehachse innerhalb eines begrenzten Drehwinkelbereichs rotierbare, erste mechanische Glied gehalten ist und wobei in einer zweiten der Kammern das um dieselbe Drehachse rotierbare, zweite mechanische Glied gehalten ist.
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Bei der ersten Kammer kann es sich um eine Hochdruck-Kammer und/oder Getriebe-Kammer handeln. Bei der zweiten Kammer kann es sich um eine Niederdruck-Kammer und/oder Elektronik-Kammer bzw. Sensor-Kammer handeln. Die erste Kammer und die zweite Kammer können mittels einer Trennwand voneinander getrennt sein. Durch die Kammern können Medien voneinander getrennt gehalten sein. Der Grund der Medientrennung kann ein einzustellender Druckunterschied sein. Weitere Gründe können Medienunterschiede, wie etwa Flüssig / Gasförmig, Medienunverträglichkeiten, ein Verhindern ungewollter chemischer Reaktionen der Medien, Temperaturunterschiede und/oder elektrische Leitfähigkeit sein.
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Bei dem ersten mechanischen Glied kann es sich beispielhaft um eine erste Welle handeln. Das erste Glied kann zum Beispiel über ein Getriebe mit einem Stellglied der Stelleinrichtung wirkverbunden sein. Das erste Glied kann beispielsweise derart mit dem Stellglied verbunden sein, dass die Drehwinkelposition des ersten Glieds repräsentativ für die Stellposition des Stellglieds ist. Der Drehwinkelbereich kann beispielsweise auf kleiner als 360° begrenzt sein.
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Bei dem zweiten mechanischen Glied kann es sich beispielhaft um eine zweite Welle handeln. Das zweite Glied kann mit einem Sensor, wie etwa einem Drehwinkelsensor wirkverbunden sein. Durch die winkelsynchrone und/oder schlupffreie Übertragung der Drehwinkelposition auf das zweite Glied kann mittels eines entsprechenden Sensors in vorteilhafter Weise eine Stellposition des Stellglieds erfasst werden.
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Weiterhin kann das zweite Glied (alternativ) beispielsweise mit einem (mechanischen) Anzeigemittel, wie etwa einem Positionsindikator verbunden sein. Die zuletzt genannte Variante ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn keine zweite Kammer vorgesehen ist, beispielsweise um einem Menschen und/oder einem (Tiefsee-) Roboter die Drehwinkelposition des ersten Glieds anzuzeigen. Das Anzeigemittel kann jedoch grundsätzlich auch zusätzlich zu einem Sensor vorgesehen sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die erste Kammer (bzw. die Kammer) mit einem Innen-Druck von 150 bar oder mehr beaufschlagbar ist. Beispielsweise kann die erste Kammer mit einem Innen-Druck von 450 bar oder mehr beaufschlagbar sein. Entsprechend hohe Drücke können insbesondere bei Tiefsee-Anwendungen auftreten. Mechanische und/oder hydraulische Systeme können mit entsprechend hohen Drücken umgehen und somit in der ersten Kammer verortet sein. Demgegenüber sollten insbesondere elektronische Sensorsysteme vor solch hohen Drücken geschützt werden und daher möglichst nicht in der ersten Kammer verortet werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in der zweiten Kammer bzw. außerhalb der einen Kammer mindestens ein Sensor angeordnet ist. Bei dem Sensor kann es sich um einen elektronischen Sensor handeln. Weiterhin kann es sich bei dem Sensor um einen Drehwinkelsensor bzw. einen Sensor zum Erfassen der Drehwinkelposition des zweiten Glieds handeln. Somit kann der Sensor zumindest mittelbar über die hier beschriebene Magnetkupplung auch die Drehwinkelposition des ersten Glieds erfassen.
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Die zweite Kammer kann eine Sensorkammer sein. Beispielsweise kann die zweite Kammer lediglich mit einem im Vergleich zur ersten Kammer geringeren Innen-Druck beaufschlagbar sein. Insbesondere kann in der zweiten Kammer ein Druckniveau eingestellt und/oder aufrechterhalten werden, welches im Wesentlichen dem Druckniveau auf Meeresspiegelhöhe entspricht.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Stellvorrichtung ein elektrohydraulischer Aktuator ist. Beispielsweise kann die Stellvorrichtung ein insbesondere elektrohydraulischer Tiefsee-Aktuator, zum Beispiel zur Betätigung einer Unterwasser-Armatur sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Stellvorrichtung für den Einsatz unter Wasser in Wassertiefen von mindestens eintausend Metern Tiefe geeignet bzw. eingerichtet ist. Dabei kann die Stellvorrichtung für den Einsatz unter Wasser in Wassertiefen von mindestens zweitausend Metern Tiefe geeignet bzw. eingerichtet sein. Beispielsweise können die erste Kammer und/oder die zweite Kammer (jeweils) eine fluiddichte Kapselung aufweisen. Weiterhin können die erste Kammer und/oder die zweite Kammer (jeweils) in der Art eines Druckbehälters gebildet und/oder mit endsprechenden Dichtungen ausgestattet sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass eine mit dem ersten Glied wirkverbundene erste Magnetkupplungskomponente eine Gruppe von in einer Ebene nebeneinander und um die Drehachse verteilt angeordneten Magnetelementen aufweist. Die erste Magnetkupplungskomponente kann an einem Stirnende des ersten Glieds angeordnet sein. Die Ebene kann orthogonal zu der Drehachse ausgerichtet sein. Die Gruppe kann beispielhaft drei, vier oder mehr Magnetelemente umfassen. Die Magnetelemente können gleichmäßig bzw. mit gleichem Abstand zueinander um die Drehachse verteilt angeordnet sein. Die Magnetelemente können jeweils mit einem Permanentmagnet gebildet sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass eine mit dem zweiten Glied wirkverbundene zweite Magnetkupplungskomponente eine Gruppe von in einer Ebene nebeneinander um die Drehachse verteilt angeordneten Magnetelementen aufweist. Die zweite Magnetkupplungskomponente kann an einem Stirnende des zweiten Glieds angeordnet sein. Die Ebene kann orthogonal zu der Drehachse ausgerichtet sein. Die Gruppe kann beispielhaft drei, vier oder mehr Magnetelemente umfassen. Die Magnetelemente können gleichmäßig bzw. mit gleichem Abstand zueinander um die Drehachse verteilt angeordnet sein. Die Magnetelemente können jeweils mit einem Permanentmagnet gebildet sein.
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In diesem Zusammenhang kann die jeweilige Gruppe von Magnetelementen eine Mehrzahl von gleich ausgerichteten Magnetelementen und mindestens ein dazu gegenteilig ausgerichtetes Magnetelement aufweisen. Die Ausrichtung betrifft üblicherweise die Ausrichtung der Pole der Magnetelemente. Beispielsweise können bei der Mehrzahl von gleich ausgerichteten Magnetelementen die gleichartigen Pole dieser Magnetelement (zum Beispiel die jeweiligen Minuspole) in dieselbe Richtung weisen. Dabei kann der entsprechende Pol (zum Beispiel der Minuspol) des gegenteilig ausgerichteten Magnetelements in die entgegengesetzte Richtung weisen. Die Gruppe von Magnetelementen der ersten Magnetkupplungskomponente und die Gruppe von Magnetelementen der zweiten Magnetkupplungskomponente sind in der Regel (magnetisch) zueinander korrespondierend gebildet, insbesondere sodass nach einer zum Übertragen der Drehwinkelposition dienenden Ausrichtung der Gruppen zueinander jeweils gegenteilige magnetische Pole einander gegenüber liegen.
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Zum Beispiel kann das mindestens eine gegenteilig ausgerichtete Magnetelement im Bereich einer bestimmten Drehwinkelposition angeordnet sein. Beispielsweise kann ein gegenteilig ausgerichtetes Magnetelement im Bereich einer bestimmten Drehwinkelposition angeordnet sein bzw. eine bestimmt Drehwinkelposition repräsentieren. Die Gruppe von Magnetelementen der ersten Magnetkupplungskomponente und die Gruppe von Magnetelementen der zweiten Magnetkupplungskomponente können jeweils mindestens ein gegenteilig ausgerichtetes Magnetelement im Bereich einer bestimmten Drehwinkelposition aufweisen, die (magnetisch) zueinander korrespondierend gebildet sind. Eine zum Übertragen der Drehwinkelposition dienende Ausrichtung der Gruppen zueinander ist insbesondere dann abgeschlossen, wenn die gegenteilig ausgerichteten Magnetelemente der beiden Gruppen einander gegenüber liegen.
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Nach einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung einer hier beschriebenen Stellvorrichtung zur Betätigung einer Unterwasser-Armatur vorgeschlagen. Bei der Unterwasser-Armatur kann es sich zum Beispiel um eine Tiefseearmatur zur Steuerung von Fluidströmen in Tiefseeanwendungen, wie etwa bei der Öl- oder Gasförderung handeln. Die Unterwasser-Armatur kann mindestens ein Unterwasser-Ventil, wie beispielsweise ein Kugel-Ventil umfassen, welche mittels der Getriebeeinheit oder des Systems betätigbar ist.
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Die im Zusammenhang mit der Stellvorrichtung erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei der hier vorgestellten Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
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Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigt beispielhaft und schematisch:
- 1: eine Ausführungsvariante einer hier beschriebenen Stellvorrichtung in Schnittdarstellung, und
- 2: eine Detailansicht einer Magnetkupplung, die in der Stellvorrichtung vorteilhaft eingesetzt werden kann.
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1 zeigt beispielhaft und schematisch eine Ausführungsvariante einer hier beschriebenen Stellvorrichtung 1 in Schnittdarstellung. Beispielsweise kann es sich bei der Stellvorrichtung 1 um einen elektrohydraulischen Aktuator handeln. Die Stellvorrichtung 1 ist beispielhaft für den Einsatz unter Wasser geeignet. Beispielhaft kann die Stellvorrichtung 1 für den Einsatz unter Wasser in Wassertiefen von mindestens eintausend Metern Tiefe geeignet sein.
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Die Stellvorrichtung 1 hat beispielhaft zwei voneinander getrennte Kammern 2, 3. Die Kammern 2, 3 können beispielhaft durch eine Trennwand 12 voneinander getrennt sein. In einer ersten der Kammern 2 ist ein um eine Drehachse 4 innerhalb eines begrenzten Drehwinkelbereichs rotierbares, erstes mechanisches Glied 5 gehalten. In einer zweiten der Kammern 3 ist ein um dieselbe Drehachse 4 rotierbares, zweites mechanisches Glied 6 gehalten.
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Zwischen dem ersten Glied 5 und dem zweiten Glied 6 ist eine Magnetkupplung 7, 8 gebildet. Dabei sind Magnetelemente 9, 10 der Magnetkupplung 7, 8 derart angeordnet und ausgerichtet, dass eine Drehwinkelposition des ersten Glieds 5 winkelsynchron und/oder schlupffrei auf eine Drehwinkelposition des zweiten Glieds 6 übertragbar ist.
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Die erste Kammer 2 kann mit einem Innen-Druck von 150 bar oder mehr beaufschlagbar sein. Bei der ersten Kammer 2 kann es sich um eine Getriebekammer handeln, in der ein beispielhaft mechanisches und/oder hydraulisches Getriebe 13 angeordnet ist, welches mechanische Energie von dem ersten Glied 5 auf ein Stellglied 14 der Stellvorrichtung 1 überträgt. Das Stellglied 14 kann zum Betätigen eines Tiefsee-Ventils vorgesehen und eingerichtet sein.
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In der zweiten Kammer 3 kann mindestens ein Sensor 11 angeordnet sein. Der Sensor 11 kann zum Erfassen der Drehwinkelposition des zweiten Glieds 6 vorgesehen und eingerichtet sein. Somit kann der Sensor 11 zumindest mittelbar über die hier beschriebene Magnetkupplung 7, 8 auch die Drehwinkelposition des ersten Glieds 5 erfassen, um vorteilhaft eine Information über die Lage des Stellglied 14 bereitstellen zu können.
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2 zeigt beispielhaft und schematisch eine Detailansicht einer Magnetkupplung 7, 8, die in der Stellvorrichtung 1 vorteilhaft eingesetzt werden kann. Es ist beispielhaft gezeigt, dass eine mit dem ersten Glied 5 wirkverbundene erste Magnetkupplungskomponente 7 eine Gruppe von in einer Ebene nebeneinander und um die Drehachse 4 verteilt angeordneten Magnetelementen 9, 10 aufweist.
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Dabei weist weiter beispielhaft eine mit dem zweiten Glied 6 wirkverbundene zweite Magnetkupplungskomponente 8 eine Gruppe von in einer Ebene nebeneinander um die Drehachse 4 verteilt angeordneten Magnetelementen 9, 10 auf. Weiter beispielhaft weist die jeweilige Gruppe von Magnetelementen 9, 10 eine Mehrzahl von gleich ausgerichteten Magnetelementen 9 und mindestens ein dazu gegenteilig ausgerichtetes Magnetelement 10 auf.
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Das mindestens eine gegenteilig ausgerichtete Magnetelement 10 ist vorteilhaft im Bereich einer bestimmten Drehwinkelposition angeordnet. Dies trägt in besonders vorteilhafter Weise dazu bei, dass eine Drehwinkelposition des ersten Glieds 5 zumindest winkelsynchron oder schlupffrei auf eine Drehwinkelposition des zweiten Glieds 6 übertragen werden kann.
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Die hier beschriebene Stellvorrichtung 1 kann zur Betätigung einer Unterwasser-Armatur verwendet werden.
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Mit der hier beschriebene Stellvorrichtung 1 können insbesondere einer oder mehrere der nachstehend genannten Vorteile ermöglicht werden:
- • Es kann die absolute Position eines Drehaktuators erfasst werden, ohne dass empfindliche elektronische Bauteile in einer Hochdruck Kammer des Aktuators sein müssen und ohne dass Drehantriebe in einen Niederdruck-Bereich mit komplexen Dichtungen weitergeführt werden müssen.
- • Es kann eine zuverlässige Übertragung der Drehposition von einem Antrieb, der in einer Hochdruckkammer (z.B. 450 bar) arbeitet, auf einen anderen Drehantrieb in einer Niederdruckkammer (z.B. 2 bar), ohne eine mechanische, elektrische oder hydraulische Schnittstelle zu benötigen, realisiert werden.