Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches System für den Einsatz unter Wasser, insbesondere in großen Wassertiefen. Das System umfasst einen Behälter, der einen Innenraum, der zur Bildung eines zur Umgebung abgeschlossenen und zur Aufnahme eines hydraulischen Druckfluids vorgesehenen Volumens vorgesehen ist, und einen Kompensationskolben aufweist, um das hydraulische Druckfluid im Innenraum wenigstens annähernd unter den Druck zu setzen, der in der Umgebung herrscht. Das System umfasst des Weiteren eine zumindest als Pumpe betreibbaren hydrostatischen Maschine und eine mit der hydrostatischen Maschine mechanisch gekoppelten Elekt- romaschine, die zum Betrieb der hydrostatischen Maschine als Pumpe als Elektromotor arbeitet, und einen Hydrozylinder, dessen Inneres durch einen Kolben, mit dem eine Kolbenstange verbunden ist, in eine kolbenstangensei- tige Zylinderkammer und eine kolbenstangenabseitige Zylinderkammer unterteilt ist, wobei zum Bewegen der Kolbenstange in eine erste Richtung, insbesondere zum Ausfahren der Kolbenstange, von der hydrostatischen Maschine im Betrieb als Pumpe einer ersten Zylinderkammer, insbesondere der kolbenstangenabseitige Zylinderkammer, Druckfluid zuführbar ist.

Solcherart elektrohydraulische Systeme werden vor allem dazu benutzt, um unter Wasser in Wassertiefen bis zu mehreren tausend Metern im Zusammenhang mit der Förderung von Erdöl und Erdgas, mit Bergbau, naturwis- senschaftlichen Erkundigungen oder Infrastrukturprojekten ein Element zu bewegen. So befinden sich zum Beispiel bei Erdöl- oder Erdgasförderanla- gen auf See in großen tiefen Prozessventile, mit denen der Volumenstrom des zu fördernden Mediums geregelt oder abgesperrt werden kann.

Ein elektrohydraulisches System mit den oben angeführten Merkmalen ist zum Beispiel aus der US 3,933,338 bekannt. Dieses System umfasst einen Hydrozylinder, dessen Zylindergehäuse am Gehäuse eines Prozessventils sitzt und der einen Kolben und eine einseitig vom Kolben wegragende Kolbenstange umfasst, über die ein Prozessventilschieber des Prozessventils bewegt werden kann. Die Kolben teilt das Innere des Zylindergehäuses in einen kolbenstangenabseitigen Zylinderraum und in einen kolbenstangensei- tigen Zylinderraum auf. Im kolbenstangenseitigen Zylinderraum ist eine Schraubenfeder untergebracht, die den Kolben im Sinne eines Schließens des Prozessventils beaufschlagt. Das bekannte System umfasst des Weiteren einen Behälter, dessen mit einem Druckfluid gefüllter Innenraum an einer Stelle durch einen beweglichen Kompensationskolben von der Umgebung getrennt ist. Der Kompensationskolben wird an einer ersten Fläche von dem Druck im Innenraum des Behälters und an einer zweiten Fläche, die genauso groß wie die erste Fläche und dieser entgegen gerichtet ist, vom Umgebungsdruck beaufschlagbar ist, so dass im Innenraum derselbe Druck wie in der Umgebung herrscht. Der kolbenstangenseitige Zylinderraum ist mit dem Innenraum des Behälters dauernd fluidisch verbunden. Der kolbenstangenabseitige Zylinderraum ist in Abhängigkeit von der Stellung eines Hydraulikventils entweder mit einer Pumpe oder mit dem Innenraum des Behälters und mit dem kolbenstangeseitigen Zylinderraum verbunden. In der einen Stellung des Ventils kann also von der Pumpe Druckfluid in den kolbenstangeabseitigen Zylinderraum gefördert werden, um die Kolbenstange auszufahren und das Prozessventil zu öffnen. Nach einem Umschalten des Hydraulikventils wird die Kolbenstange durch Federkraft eingefahren, so dass das Prozessventil schließt. Der Erfindung liegt einerseits die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes elektro- hydraulisches System zu schaffen, das sowohl an existierenden als auch an neuen Ausrüstungen installiert werden kann, und andererseits ein kompakt bauendes Prozessventil inklusive eines elektrohydraulischen Systems zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird durch ein elektrohydraulisches System gelöst, das einen Behälter, der einen Innenraum, der zur Bildung eines zur Umgebung abgeschlossenen und zur Aufnahme eines hydraulischen Druckfluids vorgesehe- nen Volumens vorgesehen ist, und einen Kompensationskolben aufweist, um das hydraulische Druckfluid im Innenraum wenigstens annähernd unter den Druck zu setzen, der in der Umgebung herrscht, eine zumindest als Pumpe betreibbaren hydrostatischen Maschine und eine mit der hydrostatischen Maschine mechanisch gekoppelten Elektromaschine, die zum Betrieb der hydrostatischen Maschine als Pumpe als Elektromotor arbeitet, umfasst, wobei die hydrostatische Maschine und die Elektromaschine in dem Innenraum des Behälters angeordnet sind.

Durch die Unterbringung der hydrostatischen Maschine und der elektrischen Maschine in dem Behälter erhält man eine kompakte Einheit, die leicht zu handhaben ist und die leicht an einer Ausrüstung befestigt werden kann. Auf eine komplexe Verrohrung kann weitgehend verzichtet werden. Ein Hydrozy- linder, mit dem das Prozessventil betätigt wird, kann ebenfalls im Behälter aufgenommen und befestigt sein. Es ist jedoch auch möglich, dass der Hyd- rozylinder an der Ausrüstung befestigt ist. Dann ist am Behälter eine entsprechende Öffnung und im Innenraum des Behälters ein entsprechender Freiraum vorzuhalten, in dem der Hydrozylinder aufgenommen wird, wenn der Behälter mit der Ausrüstung, zum Beispiel mit dem Prozessventilgehäuse eines Prozessventils verbunden wird. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht auch darin, dass durch die kompakte Ausführung des elektrohydraulischen Systems die einzelnen Komponenten auf einfache Weise vor dem Angriff durch Seewasser geschützt sind, so dass eine lange Lebensdauer ermöglicht wird. Die Ge- fahr, dass hydraulisches Druckfluid in das Seewasser gelangt, ist verringert, da nicht viele Einzelkomponenten gegen Wasser abgedichtet werden müssen. Eine aufwendige Versorgung von hydraulischer Druckflüssigkeit in die Tiefe ist vermieden. Es ist nur ein elektrisches Kabel notwendig. Ein erfindungsgemäßes elektrohydraulischen System lässt sich auf unterschiedliche Weise vorteilhaft ausgestalten.

So wird es bevorzugt, wenn die hydrostatische Maschine, die im Folgenden kurz als Hydromaschine bezeichnet wird, auch als Hydromotor und die Elekt- romaschine auch als Generator betreibbar sind. Dann kann beim Einfahren der Kolbenstange des Hydrozylinders Druckfluid aus der kolbenstangenabseitigen Zylinderkammer über die Hydromaschine verdrängt werden.

Es können ganz verschiedene Typen von Hydromaschinen verwendet wer- den. Zum Beispiel kann die Hydromaschine eine solche mit einem konstanten Hubvolumen sein. Eine solche Hydromaschine fördert oder schluckt bei jeder Umdrehung einer Triebwelle immer die gleiche Druckfluidmenge. Bevorzugt ist die Hydromaschine in ihrem Hubvolumen verstellbar. Insbesondere zusammen mit einer in ihrer Drehzahl regelbaren Elektromaschine ist dann eine hochdynamische Positionsregelung des Hydrozylinders und damit des von dem Hydrozylinder bewegten Teils möglich.

Wenn die Hydromaschine von positiven Hubvolumina über eine Nullstellung, in der das Hubvolumen null ist, zu negativen Hubvolumina verstellbar ist, so ist sie in dieselbe Drehrichtung und mit dem gleichen Druckanschluss als Pumpe und als Motor betreibbar. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Systems ist die Verbindung zwischen einem Druckan- schluss der Hydromaschine und einer Verbraucherleitung, die für die Versor- gung eines Druckraums eines hydraulischen Verbrauchers, zum Beispiel für die Versorgung einer kolbenstangenabseitigen Zylinderkammer eines Hydro- zylinders vorgesehen ist, über ein im Innenraum des Behälters befindliches Ventil derart steuerbar, dass die Verbindung in einer Ruhestellung, die das Ventil unter der Wirkung einer Feder einnimmt, offen und in einer Schaltstel- lung, die das Ventil unter der Wirkung eines elektrischen Aktors einnimmt, zumindest in Richtung von der kolbenstangenabseitigen Zylinderkammer zur hydrostatischen Maschine gesperrt ist. Das Ventil ist vorteilhafterweise als Sitzventil ausgebildet, so dass in der Sperrstellung über das Ventil keine oder nur eine sehr geringe Leckage auftritt und die Hydromaschine und die Elekt- romaschine außer Betrieb sein können.

Es ist vorteilhaft, wenn im Innenraum des Behälters ein Hydrospeicher mit einem Druckfluidraum untergebracht ist, dem von der Hydromaschine in deren Betrieb als Pumpe Druckfluid zuführbar ist und von dem aus einer Ver- braucherleitung, über die ein Druckraum eines hydraulischen Verbrauchers, zum Beispiel der kolbenstangenseitige Zylinderraum eines Hydrozylinders, mit Druck beaufschlagbar ist, Druckfluid zuführbar ist. Somit kann die kolbenstangenseitige Zylinderkammer mit dem Speicherdruck beaufschlagt werden, so dass bei einem Wegfall oder Ausschalten der Energieversorgung die Kolbenstange auch durch Beaufschlagung mit Speicherdruck eingefahren wird. Bei einer gemeinsamen Verwendung der Federanordnung und des Hydrospeichers wird eine besonders kurze Reaktionszeit auf einen Wegfall der Energieversorgung erhalten. Auch sind durch die Federanordnung und den Hydrospeicher zwei redundante Möglichkeiten gegeben, den Hydrozy- linder in eine Ruhestellung zu bewegen. Vorteilhafterweise ist die Verbindung zwischen der Verbraucherleitung und dem Hydrospeicher über ein im Innenraum des Behälters befindliches Ventil derart steuerbar, dass die Verbindung in einer Ruhestellung, die das Ventil unter der Wirkung einer Feder einnimmt, offen und in einer Schaltstellung, die das Ventil unter der Wirkung eines elektrischen Aktors einnimmt, zumindest in Richtung vom Hydrospeicher zur Verbraucherleitung gesperrt ist.

Vorteilhafterweise ist die Verbraucherleitung und damit die kolbenstangensei- tige Zylinderkammer im Normalbetrieb mit dem Innenraum des Behälters fluidisch verbunden. Durch ein Ventil kann diese Verbindung unterbrochen werden, wenn die zweiten Zylinderkammer mit Speicherdruck beaufschlagt werden soll. Die Verbindung ist durch das Ventil derart steuerbar, dass die Verbindung in einer Ruhestellung, die das Ventil unter der Wirkung einer Feder einnimmt, zumindest in Richtung von der zweiten Zylinderkammer in den Innenraum gesperrt und in einer Schaltstellung, die das Ventil unter der Wirkung eines elektrischen Aktors einnimmt, offen ist.

Das elektrohydraulische System umfasst vorteilhafterweise auch einen Hydrozylinder, dessen Inneres durch einen Kolben, mit dem eine Kolbenstange verbunden ist, in eine kolbenstangenseitige Zylinderkammer und eine kolbenstangenabseitige Zylinderkammer unterteilt ist, wobei zum Bewegender Kolbenstange in eine erste Richtung, insbesondere zum Ausfahren der Kolbenstange, von der hydrostatischen Maschine im Betrieb als Pumpe einer ersten Zylinderkammer, insbesondere der kolbenstangenabseitige Zylinder- kammer, Druckfluid zuführbar ist. Der Hydrozylinder ist bevorzugt ebenfalls in dem Innenraum des Behälters aufgenommen. Dadurch ist die Gefahr einer Leckage nach außen weiter verringert. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass sich der Hydrozylinder zur Betätigung des Prozessventils außerhalb des Behälters befindet und unabhängig von diesem an der Ausrüs- tung befestigt ist. Der Behälter kann dann am Hydrozylinder oder an der Ausrüstung befestigt sein. Der Hydrozylinder umfasst bevorzugt eine mechanische Federanordnung, von der der Kolben in eine zur ersten Richtung entgegengesetzten, zweiten Richtung beaufschlagt ist. Durch eine solche Feder kann die Kolbenstange eingefahren werden, sobald die Energieversorgung des Systems unterbrochen wird.

Der Druck im Druckfluidraum des Hydrospeichers ist im normalen Betrieb höher als der Druck im Innenraum des Behälters und damit höher als der Druck in der zweiten Zylinderkammer und niedriger als der üblicherweise in der Förderleitung am Prozessventil anstehende Druck. Es ist deshalb günstig, wenn in einem die Kolbenstange führenden Zylinderkopf des Hydrozylin- ders axial hintereinander zwei die Kolbenstange umgebende Dichtungen angeordnet sind und der Bereich zwischen den beiden Dichtungen fluidisch mit dem Druckfluidraum des Hydrospeichers verbunden ist. Dadurch ist im Normalbetrieb die Druckdifferenz über die eine Dichtung nur so groß wie die Differenz zwischen dem Druck am Prozessventil und dem Speicherdruck, so dass die Leckage zwischen den beiden Systemen gering ist. Der Kompensationskolben ist, wie an sich bekannt, an einer ersten Fläche von dem Druck im Innenraum des Behälters und an einer zweiten Fläche, die genauso groß wie die erste Fläche und dieser entgegen gerichtet ist, vom Umgebungsdruck beaufschlagbar. Vorteilhafterweise ist nun der Kompensationskolben noch von einer Federanordnung beaufschlagt, die eine zu der Kraft, die der Umgebungsdruck erzeugt, gleichgerichtete Kraft erzeugt. Dadurch wird der Druck im Innenraum des Behälters um das Druckäquivalent der Federkraft höher als der Umgebungsdruck. Es ist sichergestellt, dass kein Salzwasser in den Behälter eindringt. Der Druck im Behälter kann zum Beispiel zwischen 0,1 bar und 2 bar vorzugsweise zwischen 0,5 bar und 2 bar höher als der Umgebungsdruck sein. Durch Erfassung einer oder mehrerer Positionen des Kompensationskolbens durch einen Positionssensor oder mehrere Positionssensoren lässt sich ermitteln, ob die Menge des Druckfluids im Innenraum des Behälters über die Betriebszeit durch Leckage zunimmt oder abnimmt. Dabei muss allerdings berücksichtigt werden, dass sich bei Einfahren und Ausfahren der Kolbenstange das dem Druckfluid zur Verfügung stehende Volumen im Innenraum des Behälters entsprechend dem Querschnitt der Kolbenstange und deren Weg leicht ändert. Dies hat Auswirkungen auf die Position des Kompensationskolbens. Leckage liegt also erst dann vor, wenn die Endpositionen des Kompensationskolbens außerhalb eines bestimmten Bereichs liegen.

Der Kompensationskolben kann durch eine formfeste Scheibe, aber auch durch eine bewegliche, an ihrem Rand eingespannte Membran gebildet sein. Vorteilhafterweise ist der Druckanschluss der Hydromaschine durch ein Druckbegrenzungsventil abgesichert.

Die Erfindung äußert sich auch in einer Vorrichtung zur Anordnung unter Wasser und zur Steuerung eines Volumenstroms eines gasförmigen oder flüssigen Mediums mit einem Prozessventil mit einem Prozessventilgehäuse, mit einem Prozessventilschieber, mit dem der Volumenstrom steuerbar ist, mit einem Hydrozylinder, der an dem Prozessventilgehäuse befestigt ist und mit dem der Prozessventilschieber bewegbar ist und mit einem erfindungsgemäßen elektrohydraulisches System, wobei der Behälter abgedichtet an dem Prozessventilgehäuse befestigt ist

Vorteilhafterweise ragt ein vorhandener Hydrozylinder durch eine Öffnung im Behälter in dessen Innenraum hinein. Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem elektrohydraulischen System, dessen Behälter an einem Prozessventil befes- tigt ist, ist in den Zeichnungen dargestellt. Anhand dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 schematisch die Vorrichtung bei geschlossenem Prozessventil und Figur 2 schematisch die Vorrichtung bei fast ganz offenem Prozessventil.

Das in den Figuren gezeigte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weist ein Prozessventil 10 mit einem Prozessventilgehäuse 1 1 auf, durch das ein Prozessventilkanal 12 hindurchführt, der an seinen Mündungen durch nicht dargestellte Rohre fortgeführt wird und in dem ein gasförmiges oder flüssiges Medium vom Meeresboden zu einem aus dem Meer herausragenden Teil eines Bohrturm oder zu einem Bohrschiff fließt. Die Flussrichtung sei durch den Pfeil 13 angegeben.

In dem Prozessventilgehäuse 1 1 ist ein Hohlraum ausgebildet, der den Prozessventilkanal 12 quert und in dem ein Prozessventilschieber 14 mit einer Durchflussöffnung 15 quer zur Längsrichtung des Prozessventilkanals 12 bewegbar ist. In dem Zustand nach der Figur 1 überdecken sich der Pro- zessventilkanal 12 und die Durchflussöffnung 15 im Prozessventilschieber 14 nicht. Das Prozessventil ist also geschlossen. In dem Zustand nach Figur 2 überdecken sich die Durchflussöffnung 15 und der Prozessventilkanal 12 weitgehend. Das Prozessventil ist fast ganz offen. Ein Prozessventil der gezeigten Art und der beschriebenen Verwendung soll einerseits kontrolliert betätigt werden können und andererseits auch zur Sicherheit beitragen, indem es bei einer Störung schnell und zuverlässig eine Stellung einnimmt, die einem sicheren Zustand entspricht. Vorliegend ist dieser sichere Zustand ein geschlossenes Prozessventil. Erfindungsgemäß wird das Prozessventil durch ein kompaktes elektrohyd- raulisches System 20 betätigt, das unter Wasser direkt am Prozessventil 10 angeordnet ist. Es genügt, dass von dem elektrohydraulischen System aus nur ein elektrisches Kabel 21 an die Meeresoberfläche oder eine andere un- ter Wasser befindliche übergeordnete elektrische Steuerung führt. Das als Ausführungsbeispiel gezeigte elektrohydraulische System 20 weist einen Behälter 22 auf, der an einer offenen Seite am Prozessventilgehäuse 1 1 befestigt ist, so dass ein zur Umgebung abgeschlossener Innenraum 23 vorhanden ist, der mit einem hydraulischen Druckfluid als Arbeitsmittel gefüllt ist. Zur Befestigung an dem Prozessventilgehäuse 1 1 besitzt der Behälter 22 an seiner offenen Seite einen Innenflansch, mit dem er am Prozessventilgehäuse verschraubt ist. Radial außerhalb der Schraubverbindungen ist zwischen dem innenflansch des Behälters 22 und dem Prozessventilgehäuse eine umlaufende Dichtung 16 angeordnet, die in eine umlaufende Nut des Prozess- ventilgehäuses 1 1 eingelegt ist.

Der Behälter ist gegenüber dem unter Wasser herrschenden Umgebungsdruck druckkompensiert. Dazu ist auf einen eine Öffnung 24 in der Behälterwand umgebenden Flachrand 25 mit einem Flansch 26 ein Deckel 27 befes- tigt und zwischen dem Flachrand 25 und dem Deckel 27 eine Membran 28 dicht eingeklemmt. Im Deckel 26 befinden sich Löcher 29, so dass der Raum zwischen Membran und Deckel Teil der Umgebung ist und mit Seewasser gefüllt ist. Durch die Membran 28 ist also der Innenraum 23 gegen die Umgebung abgeschottet. Die Membran wird an ihrer dem Innenraum zugekehr- ten, ersten Fläche von dem Druck im Innenraum und an ihrer dem Deckel 27 zugekehrten, zweiten Fläche, die etwa genauso groß wie die erste Fläche ist, von dem Druck, der in der Umgebung herrscht beaufschlagt und sucht immer eine Lage und Form einzunehmen, in der die Summe aller an ihr angreifenden Kräfte null ist. Damit der Druck im Innenraum 23 geringfügig höher als der Umgebungsdruck ist, wird die Membran 28 gegen den Innendruck zusätzlich vom Umgebungsdruck noch von einer Feder 30 beaufschlagt, die zwischen einem formstabilen, zentralen Membranteller 31 und dem Deckel 27 eingespannt ist. Die Kraft der Feder 30 ist unter Berücksichtigung der Größe der druckbeaufschlagten Flächen der Membran so gewählt, dass der Druck im Innenraum zum Beispiel zwischen 0,5 bar bis 2 bar höher ist als der Umgebungsdruck. An dem Membranteller 31 ist eine Stange 32 befestigt, die in dem Deckel 27 geführt ist, die mit einer Maßverkörperung versehen und Teil eines Gebers sein kann, der die Position des Zentrums der Membran 28 erfasst. Von dem Membranteller 31 kann eine mit einer Maßverkörperung versehene Stange auch in den Innenraum 23 ragen, um dort mit einem Wegaufnehmer zusammenzuwirken. Dann wird der Kontakt mit Seewasser vermieden und die Zuverlässigkeit wird höher.

Im Innenraum 23 des Behälters 22 sind bis auf die Quelle der elektrischen Leistungsenergie und übergeordneter elektrischer Steuersignale alle mecha- nischen, elektrischen und hydraulischen Komponenten untergebracht, die zur Steuerung des Prozessventils 10 notwendig oder vorteilhaft sind.

Da ist zunächst ein Hydrozylinder 35 mit einem Zylindergehäuse 36, das stirnseitig durch einen Zylinderboden 37 und einen Zylinderkopf 38 ver- schlössen ist, mit einem im Innern des Zylindergehäuses 36 in Längsrichtung des Zylindergehäuses verschiebbaren Kolben 39 und mit einer mit dem Kolben 39 fest verbundenen und einseitig von dem Kolben 39 wegragenden Kolbenstange 40, die abgedichtet und in nicht näher dargestellter Weise geführt durch den Zylinderkopf 38 hindurchtritt. Abgedichtet ist der Spalt zwi- sehen der Kolbenstange 40 und dem Zylinderkopf 38 durch zwei im Zylinderkopf in einem axialen Abstand zueinander angeordnete Dichtungen 41 . Am freien Ende der Kolbenstange 40 ist der Prozessventilschieber 14 befestigt. Durch den Kolben 39 ist das Innere des Zylindergehäuses 36 in eine boden- seitige oder auch kolbenstangenabseitige Zylinderkammer 42 und in eine kolbenstangenseitige Zylinderkammer 43 untergeteilt, deren Volumen von der Position des Kolbens 39 abhängen. In der Zylinderkannnner 43 ist eine Schraubendruckfeder 48 untergebracht, die die Kolbenstange 40 umgibt und zwischen dem Zylinderkopf 38 und dem Kolben 39 eingespannt ist, den Kolben also in eine Richtung beaufschlagt, in die die Kolbenstange 40 eingefahren und der Prozessventilschieber 14 zum Schließen des Prozessventils 10 bewegt wird.

Im Innenraum 23 des Behälters 22 befinden sich auch eine hydrostatische Hydromaschine 50, die sowohl als Pumpe als auch als Hydromotor betreibbar ist, und eine Elektromaschine 51 , die mit der Hydromaschine 50 für eine gemeinsame drehende Bewegung mechanisch gekoppelt ist und die sowohl als Elektromotor als auch als Generator betreibbar ist. Die Hydromaschine 50 hat einen Druckanschluss 52 und einen Sauganschluss 53, der zum Innenraum 23 hin offen ist. Die Hydromaschine ist von positiven Hubvo- lumina über eine Nullstellung, in der das Hubvolumen null ist, zu negativen Hubvolumina verstellbar ist, so dass sie in dieselbe Drehrichtung und mit dem gleichen Druckanschluss als Pumpe und als Hydromotor betreibbar ist. Ein positives Hubvolumen sie dabei mit dem Betrieb als Pumpe korreliert. Die Elektromaschine ist in ihrer Drehzahl regelbar und dazu mit einer elektri- sehen Steuereinheit 54 verbunden, die ebenfalls im Innenraum 23 untergebracht und über das abgedichtet aus dem Behälter 22 herausgeführte Kabel 21 mit einer elektrischen Energiequelle an der Meeresoberfläche oder eine unter Wasser angeordnete übergeordnete elektrische Steuerung verbunden ist. Die Drehzahl von Hydromaschine und Elektromaschine wird von einem Drehzahlgeber 55 erfasst und von der Steuereinheit 54 verarbeitet.

Von der Hydromaschine kann im Betrieb als Pumpe aus dem Innenraum 23 angesaugtes Druckfluid über den Druckanschluss 52 zu der Zylinderkammer 42 gefördert werden. Umgekehrt kann Druckfluid aus der Zylinderkammer 42 über die Hydromaschine 50 in den Innenraum 23 des Behälters 22 verdrängt werden. In diesem Sinne ist beim Ausführungsbeispiel die Zylinderkammer 42 die erste Zylinderkammer. In die Verbindung zwischen der Hydromaschi- ne 50 und der Zylinderkammer 42 ist ein im Innenraum 23 befindliches 2/2 Wege-Sitzventil 56 eingefügt, das in einer Ruhestellung, die es unter der Wirkung einer Feder 57 einnimmt, offen und in einer Schaltstellung, in die es durch einen Elektromagneten 58 gebracht werden kann, einen Druckmittel- fluss aus der der Zylinderkammer 42 heraus verhindert.

Im Innenraum 23 befindet sich des Weiteren ein 2/2 Wege-Sitzventil 60, das mit einem Anschluss an die zweite Zylinderkammer 43 angeschlossen und mit dem anderen Anschluss zum Innenraum 23 hin offen ist. Das Ventil 60 nimmt unter der Wirkung einer Feder 61 eine Ruhestellung ein, in der die Zylinderkammer 43 gegen einen Abfluss von Druckmittel in den Innenraum 23 abgesperrt ist, und kann durch einen Elektromagneten 62 in eine Schaltstellung gebracht werden, in der eine offene Verbindung zwischen der Zylin- derkammer 43 und dem Innenraum 23 besteht.

Im Innenraum 23 befindet sich auch ein Hydrospeicher 65 mit einem zylindrischen Speichergehäuse 66, das an der einen Stirnseite zum Innenraum 23 hin offen ist und an der anderen Stirnseite mit einem Boden 67 verschlossen ist, mit einem in Achsrichtung des Speichergehäuses 66 beweglichen Speicherkolben 68 und mit einer Druckfeder 69, die zwischen dem Speicherkolben 68 und einem Anschlag an der offenen Seite des Speichergehäuses 66 eingespannt ist. Zwischen dem Boden 67 und dem Speicherkolben 68 ist ein Druckfluidraum 70 gebildet, dessen Volumen von der Position des Speicher- kolbens 68 abhängt. Dieser ist also mit einer von dem Druck im Druckfluidraum 70 erzeugten Kraft in Richtung einer Vergrößerung des Volumens des Druckfluidraums 70 und in Gegenrichtung von einer durch den Druck im Innenraum 23 erzeugten Kraft und der Kraft der Druckfeder 69 beaufschlagt. Dem Druckfluidraum 70 ist über ein sich im Innenraum 23 befindliche Ventil 75 von der Hydromaschine 50 im Betrieb als Pumpe Druckmittel zuführbar. In Richtung vom Druckfluidraum 70 zur Hydromaschine 50 lässt das Ventil 75 keinen Druckmittelfluss zu. Ist der Druckraum ansonsten abgesperrt, so bewegt sich dabei der Speicherkolben 68 im Sinne einer Vergrößerung des Druckraums, wobei die Druckfeder 69 stärker gespannt wird, die Kraft der Druckfeder zunimmt und dadurch der Speicherdruck im Druckraum über den Druck im Innenraum 23 ansteigt. Weil die Kennlinie der Feder 69 bekannt ist, entspricht jede Position des Speicherkolbens 68 einem bestimmten Druck im Druckfluidraum 70. Eine Endposition des Speicherkolbens 68 und damit der gewünschte maximale Speicherdruck sind durch einen Positionsgeber 71 erfassbar. Wenn der maximale Speicherdruck erreicht ist, wird das Ventil 75 gesperrt, wie dies durch die vom Positionsgeber 71 zu dem Ventil 75 führende, gestrichelte Linie angedeutet ist. Zur Erfassung des Speicherdrucks kann auch ein elektromechanischer Drucksensor verwendet werden. Der Druckfluidraum 70 des Hydrospeichers 65 kann über ein sich im Innenraum 23 befindliche 2/2-Wege-Sitzventil 76 mit der zweiten Zylinderkammer 43 fluidisch verbunden und gegen den Zylinderraum 43 abgesperrt werden. Das Ventil 76 nimmt unter der Wirkung einer Feder 77 eine Ruhestellung ein, in der eine offene Verbindung zwischen der Zylinderkammer 43 und dem Druckfluidraum 70 besteht, und kann durch einen Elektromagneten 78 in eine Schaltstellung gebracht werden, in der die Zylinderkammer 43 gegen einen Zufluss von Druckmittel aus dem Druckfluidraum 70 abgesperrt ist.

Die Ventile 56, 60 und 76 können mit Sensoren zur Stellungsüberwachung ausgerüstet sein, um eine fehlerhafte Funktion durch die elektrische Steuerung sofort zu erkennen.

Über eine Leitung 79 ist der Druckfluidraum 70 mit einem Bereich am Zylinderkopf 38 verbunden, der axial zwischen den beiden Dichtungen 41 liegt. Damit ist bei geladenem Hydrospeicher die Druckdifferenz an der äußeren Dichtung 41 , nämlich die Differenz zwischen dem Druck des geförderten Me- diums im Prozessventil, der auf der einen Seite der äußeren Dichtung 41 ansteht, und dem Druck auf der anderen Seite dieser Dichtung kleiner als die Differenz zwischen dem Druck des geförderten Mediums und dem Druck im Innenraum 23, so dass auch die Leckage verringert ist.

Als weitere Ventile sind in dem Innenraum 23 vorhanden noch ein Druckbegrenzungsventil 80, das an den Druckanschluss 52 der Hydromaschine 50 angeschlossen ist, und in Form eines im Bypass zwischen dem Saugan- schluss 53 und dem Druckanschluss 52 angeordneten und vom Saugan- schluss zum Druckanschluss hin öffnenden Rückschlagventils ein Nach- saugventil 81 angeordnet. Durch das Nachsaugventil 81 wird Kavitation and der Hydromaschine 50 verhindert, wenn diese als Motor betrieben wird und die Zylinderkammer völlig entleert ist oder das Ventil 56 schließt. Damit das Prozessventil 10 auch manuell durch einen Roboter, wie zum Beispiel durch ein Remote Operated Vehicle (ROV) oder ein Autonomous Underwater Vehicle (AUC) betätigt werden kann, ist an dem Behälter 20 eine manuelle Schnittstelle 85 vorhanden, von der ausgehend eine Stange 86 durch den Boden 67 in die Zylinderkammer 43 eintritt und mit dem Kolben 39 gekoppelt ist. In der Schnittstelle 85 kann die Stange 86 zum Beispiel ein

Bewegungsgewinde aufweisen und mit einer mit einem Innengewinde versehenen und axial fixierten Schraubenmutter zusammenwirken, die zur Betätigen des Prozessventils gedreht wird. Die Stange 86 ist dann natürlich verdrehgesichert. Die Mittel zur manuellen Betätigung sind so gestaltet, das die Dichtheit der Zylinderkammer 42 zum Innenraum 23 und die Dichtheit des Innenraums 23 zur Umgebung gewährleistet ist. die Mittel zur manuellen Betätigung können auch so gestaltet sein, dass eine Stange mit dem Kolben des Hydrozyl inders über einen Leerhub gekoppelt ist, der die Bewegung des Kolbens ohne Mitnahme der Stange zulässt. Dann ist zwischen Stange und Mutter nur ein einfaches Gewinde notwendig. Es muss dabei sichergestellt werden, dass sich die Stange nicht von selbst verstellt. Denn dann würde sie die Bewegung des Kolbens behindern. Schließlich ist es auch denkbar, zwischen den Mitteln für eine manuelle Betätigung und dem Kolben des Hydrozylinders eine schaltbare Kupplung anzuordnen. Zusätzlich zu den bisher schon erwähnten Sensoren sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel noch drei Positionssensoren 88 vorhanden, mit denen bestimmte Positionen des Kolbens 39 und damit der Kolbenstange 40 erfasst werden können. Es kann auch nur ein Sensor vorhanden sein, mit dem die Positionen von Kolben 39 und Kolbenstange 40 kontinuierlich erfasst wer- den.

In der Figur 1 ist die Vorrichtung in einem Zustand gezeigt, in dem das Prozessventil 10 geschlossen ist. Die Kolbenstange 40 des Hydrozylinders 35 ist ganz eingefahren. Das Volumen der ersten Zylinderkammer 42 ist minimal, das Volumen der zweiten Zylinderkammer 43 ist maximal. Die Ventile 56, 60 und 76 befinden sich in ihren Ruhestellungen, die Ventile 56 und 76 sind also offen, das Ventil 60 ist gesperrt. In der Zylinderklammer 42 steht derselbe Druck wie im Innenraum 23 an. In der Zylinderklammer 43 steht derselbe Druck wie im Druckfluidraum 70 des Speichers an.

Zum Öffnen des Prozessventils werden die Ventile 60 und 76 in die in der Figur 2 gezeigten Schaltstellungen geschaltet, so dass die Zylinderkammer 43 vom Druckfluidraum 70 des Hydrospeichers 65 getrennt und mit dem Innenraum 23 verbunden ist. Die Hydromaschine 50 wird auf positives Hubvo- lumen gestellt und fördert als Pumpe, angetrieben von der als Elektromotor betriebenen Elektromaschine 51 , Druckmittel. Der Lastdruck in der ersten Zylinderkammer 42 ist bestimmt durch die Kraft der Schraubendruckfeder 48 und durch die Kraft, die der Prozessventilschieber 14 einer Bewegung entgegensetzt. Ist der Lastdruck zunächst kleiner als der Speicherdruck, so fängt nach der Förderung von Druckmittel durch die Hydromaschine 50 der Kolben sofort an, sich in eine erste Richtung, die im Ausführungsbeispiel ei- nem Ausfahren entspricht, zu bewegen, wobei hier bei der Benutzung des Begriffs sofort die für die Kompression des Druckmittels notwendige Druckmittelmenge vernachlässigt sei. Mit zunehmender Spannung der Schraubendruckfeder 48 steigt der Lastdruck an und wird schließlich genauso hoch wie der Speicherdruck. Ist der Lastdruck anfänglich größer als der Speicherdruck, so wird zunächst über das Ventil 75 nur der Hydrospeicher 65 gefüllt bis der Speicherdruck genauso hoch ist wie der Lastdruck. Bei weiterer Förderung von Druckmittel durch die Hydromaschine 50 werden dann der Kolben 39 und mit ihm die Kolbenstange 40 bewegt und gleichzeitig der Hydro- Speicher 65 gefüllt. Erreicht der Speicherdruck den maximalen Wert, schließt das Ventil 75. Während der Bewegung des Kolbens verkleinert sich das Volumen der zweiten Zylinderkammer 43. Druckmittel wird aus der Zylinderkammer 43 über das Ventil 60 in den Innenraum 23 des Behälters 22 verdrängt.

Hat der Prozessventilschieber 14 die gewünschte Position, zum Beispiel die in Figur 2 gezeigte Position erreicht, wird das Ventil 56 geschaltet und damit geschlossen. Die Hydromaschine 53 wird zum Stillstand gebracht, um Energie zu sparen. Durch das Ventil 56 ist die erste Zylinderkammer 42 abge- sperrt, so dass die Position des Prozessventilschiebers gehalten wird. Die Ventile 60 und 76 verbleiben in den in der Figur 2 gezeigten Schaltstellungen.

Durch das Eintauchen der Kolbenstange 40 in das Prozessventilgehäuse 1 1 wird in dem Behälter 22 ein zuvor von dem eintauchenden Abschnitt der Kolbenstange 40 eingenommenes Volumen frei. Die Membran 28 wird sich deshalb während des Ausfahrens der Kolbenstange nach innen in den Behälter hinein bewegen, ohne dass Leckage aufgetreten wäre. Der entsprechende Weg muss berücksichtigt werden, wenn durch einen Positionssensor für die Membran Leckage detektiert werden soll. Für ein kontrolliertes Bewegen des Prozessventilschiebers 14 in Richtung Schließen wird das Ventil 56 in seine Ruhestellung gebracht und die Hydro- maschine auf negatives Hubvolumen gestellt oder bei positivem Hubvolumen der Hydromaschine 50 die Drehrichtung der Elektromaschine 51 gegen die Drehrichtung beim Ausfahren der Kolbenstange 40 umgedreht. Durch die Drehzahl und das Hubvolumen der nun als Hydromotor betriebenen Hydromaschine 50 und die als Generator arbeitende Elektromaschine 51 wird die Geschwindigkeit bestimmt, mit der der Prozessventilschieber 14 unter der Wirkung der Schraubendruckfeder 48 bewegt wird. Während der Einfahrbe- wegung wird aus dem Innenraum 23 Druckmittel in die sich vergrößernde Zylinderkammer 43 nachgesaugt.

Es gibt Situationen, in denen das Prozessventil von einer offenen Stellung schnell in eine geschlossene Stellung gebracht werden soll. Eine solche Si- tuation kann zum Beispiel bei Ausfall der elektrischen Stromversorgung vorliegen. Bei Ausfall der elektrischen Stromversorgung gelangen die Ventile 56, 60 und 76 unter der Wirkung der Federn 57, 61 und 77 in ihre Ruhestellung. Die Hydromaschine ist auf maximales positives Hubvolumen gestellt. In der Ruhestellung des Ventils 56 ist der erste Zylinderraum 42 zur Hydromaschi- ne 50 hin offen. In den Ruhestellungen der Ventile 60 und 76 ist der Zylinderraum 43 zum Innenraum 23 hin abgesperrt und zum Druckfluidraum 70 des Hydrospeichers 65 hin offen und wird deshalb mit Speicherdruck beaufschlagt, der an einer Ringfläche des Kolbens 39 wirkt. Dieser wird nun zusammen mit der Kolbenstange 40 in eine zur ersten Richtung entgegenge- setzten, zweiten Richtung bewegt. Die Kolbenstange wird eingefahren und das Prozessventil 10 geschlossen. Dies geschieht sehr schnell, weil zusätzlich zur Kraft der Schraubendruckfeder 48 auch noch eine Druckkraft wirkt.

Fällt die Federkraft wegen Bruchs der Schraubendruckfeder 48 weg, so lässt sich das Prozessventil auch allein durch Zufuhr von Druckmittel aus dem Hydrospeicher 65 in die Zylinderkammer 43 schließen. Schließlich ist auch noch eine manuelle Betätigung des Prozessventils über die Schnittstelle 85 durch einen Roboter möglich. Gegenüber dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind auch Abwandlungen eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Systems möglich.

Die elektrische Steuerung umfasst in einfachster Form einen Gleichstrom- Motor, ein elektrisches Steuergerät mit entsprechenden analogen und digita- len Ein- und Ausgangsschnittstellen sowie eine geeignete Stromversorgung.

Die elektrische Steuerung umfasst in fortgeschrittener Form einen Drehstrommotor mit entsprechendem Antrieb und Frequenzumrichter, ein elektrische Steuergerät mit entsprechenden analogen und digitalen Ein- und Aus- gangsschnittstellen sowie eine geeignete Stromversorgung und Netzwerkschnittstellen, sowohl LAN, Bus-Systeme als auch Fiber-Optik-Kabel oder Wireless-LAN.

Das elektrische Kabel umfasst neben der Spannungsversorgung auch die elektrischen Signale für die Steuerungskommunikation, wie zum Beispiel Sollwerte, Istwerte und Fehlermeldung.

Eine Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) des elektrohydraulischen Systems ist in der elektrischen Steuerung implementierbar, indem alle Sen- sorsignalen mit entsprechenden Algorithmen, umgesetzt in Form einer Software, ausgewertet werden. Bei Störungsfall kann die Steuerung den Hydro- zylinder autonom in die sichere Ruheposition bringen und die übergeordnete Steuerung informieren. Dazu können präventive und reaktive Wartungsmaßnahmen an die übergeordnete Steuerung kommuniziert werden. Der Behälter kann eine Schnittstelle aufweisen, an der durch einen Roboter hydraulisches Druckfluid nachgefüllt werden kann, wenn dies aufgrund vorhergehender Leckage notwendig sein sollte. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Hydrozylinder 35 in dem Behälter 22 aufgenommen. Denkbar sind jedoch auch Lösungen, bei sich der Hydrozylinder außerhalb des Behälters befindet und an dem Prozessventil befestigt ist. Der Behälter kann dann an dem Hydrozylinder oder an dem Prozessventil befestigt sein.

Bezugszeichenliste

10 Prozessventil

1 1 Prozessventilgehäuse

12 Prozessventilkanal

13 Pfeil

14 Prozessventilschieber

15 Durchflussöffnung

20 elektrohydraulisches System

21 Kabel

22 Behälter

23 Innenraum von 22

24 Öffnung in 22

25 Flachrand

26 Flansch

27 Deckel

28 Membran

29 Löcher in 27

30 Feder

31 Membranteller

32 Stange

35 Hydrozylinder

36 Zylindergehäuse

37 Zylinderboden

38 Zylinderkopf

39 Kolben

40 Kolbenstange

41 Dichtungen

42 Zylinderkammer

43 Zylinderkammer

48 Schraubendruckfeder 50 Hydromaschine

51 Elektromaschine

52 Druckanschluss

53 Sauganschluss

54 elektrischen Steuereinheit

55 Drehzahlgeber

56 2/2 Wege-Sitzventil

57 Feder

58 Elektromagneten

60 2/2 Wege-Sitzventil

61 Feder

62 Elektromagneten

65 Hydrospeicher

66 Speichergehäuse

67 Boden

68 Speicherkolben

69 Druckfeder

70 Druckfluidraum

75 Ventil

76 2/2-Wege-Sitzventil

77 Feder

78 Elektromagneten

79 Leitung

80 Druckbegrenzungsventil

81 Nachsaugventil

85 manuelle Schnittstelle

86 Stange

88 Positionssensor