Die Erfindung betrifft eine Prozesskomponente nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

In der Lebensmittelindustrie, der Biotechnologie und in der Pharmazie werden höchste Anforderungen an die Sauberkeit, Reinigbarkeit und Geschlossenheit der Produktionsanlagen und ihrer Prozesskomponenten gestellt. In einer Art Prozesskomponente wird ein Stellkörper in ihrem Inneren zwischen zwei Endstellungen bewegt, beispielsweise in einem Ventil das Schließelement zwischen einer Offen- und einer Schließstellung. Die Herausforderung ist es nun, zur

Herstellung hygienischer und aseptischer Bedingungen das Innere der

Prozesskomponente gegen einen Au ßenraum abgedichtet zu halten und gleichzeitig vom Au ßenraum eine Bewegung des Stellkörpers im Inneren zu bewirken.

In der Ventiltechnik ist hierzu bekannt, den Durchtritt einer Schaltstange, die Antrieb und Schließelement miteinander verbindet, in das Ventilgehäuse mit einem Balg EP 945658 B1 oder einer Membran WO2013/170931 A1 abzudichten. Die mechanische Belastung dieser Dichtelemente stellt jedoch eine Schwachstelle dar.

Vorteilhafter wäre es, die Bewegung des Schließelements berührungsfrei und ohne Schaltstange auszuführen. Dies ist im Bereich der so genannten Füllventile bekannt, mit denen beispielsweise Flaschen und Dosen befüllt werden.

Die DE 1 600 717 schlägt vor, das Schließelement als Magnetkern auszuführen, welcher in einer Magnetspule angeordnet ist und durch diese bewegt wird. In der Offenstellung wird das Schließelement an seiner gesamten Au ßenfläche von einem strömenden Medium umspült.

Die DE 600 21 062 stellt ein Ventil mit einem nadelförmigen Schließelement vor. In einer Offenstellung und in einer Schließstellung wird das Schließelement von den Kräften jeweils einer Dauermagnetanordnung gehalten. Jede Dauermagnetanordnung ist einer der Stellungen zugeordnet. Zu jeder Stellung ist zudem eine elektrische Spule vorgesehen, mit der das Schließelement gegen die Haltekraft der

Dauermagnetanordnung der jeweils anderen Stellung bewegt werden kann. Diese Lösungen sind zum Teil seit Jahrzehnten bekannt und werden für

vergleichsweise kleine Fluidströmungen und -drücke eingesetzt. Sie sind jedoch bisher noch nie für größere Rohrleitungsquerschnitte, beispielsweise im

Durchmesserbereich von 50 mm bis 200 mm, eingesetzt worden.

Die Aufgabe der Erfindung war daher, eine für große Leitungsquerschnitte skalierbare Prozesskomponente mit Magnetanordnung zu schaffen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Prozesskomponente mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die davon abhängigen Ansprüche 2 bis 9 geben vorteilhafte

Weiterbildungen an.

Die Prozesskomponente besitzt einen ersten und einen zweiten Anschluss und einen Stellkörper, welcher in einem den ersten mit dem zweiten Anschluss

fluidverbindenden Hohlraum der Prozesskomponente angeordnet ist und in einer axialen Richtung innerhalb des Hohlraums in eine erste Stellung und zweite Stellung bringbar ist. Die Prozesskomponente umfasst weiterhin einen Permanentmagneten, eine erste elektrische Spule und eine zweite elektrische Spule. Es ist nun vorgesehen, dass erste Spule, Permanentmagnet und zweite Spule in dieser Reihenfolge in der axialen Richtung hintereinander angeordnet sind und ein Joch vorgesehen ist und Permanentmagnet, Stellkörper und Joch in der ersten Stellung einen ersten geschlossenen magnetischen Kreis und in der zweiten Stellung einen zweiten geschlossenen magnetischen Kreis bilden, dass die erste elektrische Spule eingerichtet ist, den ersten magnetischen Kreis zu kompensieren und die zweite elektrische Spule eingerichtet ist, den zweiten magnetischen Kreis zu kompensieren, und dass Hohlraum und Stellkörper so geformt sind, dass die Prozesskomponente von einer zwischen erstem und zweitem Anschluss ausbildbaren Fluidströmung durchsetzbar ist. Kompensieren bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zu einem ersten Magnetfeld mit einer ersten Polung ein zweites Magnetfeld mit einer zum ersten Magnetfeld gegensinnigen Polung erzeugt und dem ersten Magnetfeld überlagert wird, so dass sich die Felder in der Summe aufheben.

Diese Anordnung von Permanentmagnet und Spulen erlaubt es, den Stellkörper mit permanentmagnetischen Kräften in den Stellungen zu halten. Die Spulen müssen nur zum Bewegen des Stellkörpers bestromt werden, oder um kurzzeitig hohe Haltekräfte zu erzeugen. Da die Magnetkreise für die erste und die zweite Stellung von einem Permanentmagneten magnetisch gespeist werden, ist nur eine geringe Menge Magnetmaterial notwendig. Im Zusammenwirken der Merkmale wird erreicht, dass die Prozesskomponente einen großen Leitungsquerschnitt aufweisen kann. Durch diese Merkmale werden magnetische Kräfte im Ventil zum Schließen und Bewegen des Stellkörpers bewirkt, welche den quadratisch mit dem Leitungsdurchmesser zunehmenden Fluidkräften gewachsen sind. Das Verhältnis von elektrischer

Leistungsaufnahme zu strömungswirksamen Leitungsquerschnitt erlaubt es erstmalig, das Einsatzfeld über Füllventile hinaus auf Prozesskomponenten zu erweitern, beispielsweise in Brauereien, der Milchwirtschaft und der Feinchemie. Es ist somit eine sehr gute Skalierbarkeit gegeben. Ein anderer Vorteil ist die Möglichkeit, auf Magnetmaterial im Stellkörper zu verzichten, wodurch im Schadensfall Kontamination des Produkts mit Magnetmaterial von Vorneherein ausgeschlossen ist.

Anhand eines Ausführungsbeispiels sollen die Erfindung erklärt und die Vorteile erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 : Längsschnitt durch eine Prozesskomponente in einer ersten Stellung eines Stellkörpers;

Fig. 2: Längsschnitt durch eine Prozesskomponente in einer zweiten

Stellung des Stellkörpers;

Fig. 3: Querschnitt durch die Prozesskomponente der ersten Weiterbildung entlang der Linie A-A;

Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt entlang einer Längsachse L durch eine als Ventil 1 ausgeführte Prozesskomponente. Das Ventil 1 weist einen ersten Anschluss 2 und einen zweiten Anschluss 3 zur Aufnahme eines Fluids auf. Diese Anschlüsse 2 und 3 sind verbindbar mit dem Leitungssystem einer Prozessanlage, beispielsweise der Lebensmittelindustrie, der Biotechnologie und in der Pharmazie.

Das Ventil 1 umfasst einen Stellkörper 4, der in einem Innengehäuse 5 des Ventils 1 angeordnet ist, welches einen Hohlraum 6 angeordnet. Der Hohlraum 6 stellt eine Fluidverbindung zwischen den Anschlüssen 2 und 3 her. In dem Hohlraum 6 ist der Stellkörper 4 entlang der Längsachse L verschiebbar und kann verschiedene

Stellungen innerhalb des Innengehäuses 5 einnehmen. Eine erste Stellung ist in Fig.

1 gezeigt, eine zweite Stellung in Fig. 2. Eine erste elektrische Spule 7 umgibt das Innengehäuse 5 derart, dass ihre

Wicklungen ganz um das Innengehäuse 5 umlaufen. Auf einer dem ersten Anschluss 2 abgewandten Seite der ersten elektrischen Spule 7 ist ein Permanentmagnet 8 vorgesehen. Auf einer der ersten elektrischen Spule 7 abgewandten Seite des

Permanentmagneten 8 ist eine zweite elektrische Spule 9 angeordnet. Diese zweite elektrische Spule 9 umfasst Wicklungen, die vollständig um das Innengehäuse 5 umlaufen. Erste elektrische Spule 7, Permanentmagnet 8 und zweite elektrische Spule 9 sind somit in dieser Reihenfolge entlang der Längsachse L und in somit einer axialen Richtung hintereinander angeordnet.

Zur Führung der Magnetfelder, die durch den Permanentmagneten 8, sowie durch erste elektrisch Spule 7 und zweite elektrische Spule 9 entstehen und erzeugbar sind, ist ein Joch aus magnetisch leitendem Material vorgesehen. Das Joch umfasst einen ersten Abschlusskörper 10, der auf einer dem ersten Anschluss 2 zugewandten Seite der ersten elektrischen Spule 7 angeordnet ist und das Innengehäuse 5 berührt. Auf einer dem zweiten Anschluss 3 zugewandten Seite der zweiten elektrischen Spule 9 ist ein zweiter Abschlusskörper 11 angeordnet, der ebenfalls das Innengehäuse 5 berührt.

Ein Außenkörper 12 berührt ersten und zweiten Abschlusskörper 10 und 11 sowie den Permanentmagneten 8. Der Permanentmagnet 8 kann direkt an dem

Innengehäuse 5 montiert sein. Alternativ kann, wie in Fig. 1 gezeigt, zwischen Permanentmagnet 8 und Innengehäuse 5 ein Jochabschnitt 13 angeordnet sein, der sowohl mit dem Permanentmagneten 8 als auch dem Innengehäuse 5 in

berührendem Kontakt steht. Der Jochabschnitt 13 kann einteilig mit dem

Innengehäuse 5 ausgeführt sein.

Zur Begrenzung der Bewegung des Stellkörpers 4 innerhalb des Hohlraums 6 entlang der Längsachse L sind ein erster mechanischer Anschlag 14 und ein zweiter mechanischer Anschlag 15 vorgesehen. Der erste mechanische Anschlag 14 befindet sich in Bezug zur Längsachse L zwischen dem ersten Anschluss 2 und der ersten elektrischen Spule 7. Der zweite mechanische Anschlag 15 befindet sich in Bezug zur Längsachse L zwischen der zweiten elektrischen Spule 9 und dem zweiten Anschluss 3. Der Stellkörper 4 besitzt ein Verschlusselement 16, mit welchem der erste Anschluss 2 verschließbar ist. Eine optionale Dichtung 17 ist derart am Stellkörper 4 angeordnet, dass sie in der in Fig. 1 gezeigten ersten Stellung des Stellkörpers 4 mit dem ersten mechanischen Anschlag 14 dichtend zusammenwirkt. Vorteilhaft umfasst der erste mechanische Anschlag 14 einen Ventilsitz 18. Stellkörper 4, Dichtung 17 und erster mechanischer Anschlag 14 können so ausgeführt sein, dass es zu einer linienartigen Berührung der Dichtung 17 mit dem Ventilsitz 18 kommt und zwischen Stellkörper 4 und erstem mechanischem Anschlag 14 ein enger Spalt verbleibt, der mit der Dichtung 17 abgedichtet ist. Der Spalt kann im Bereich eines Zehntels eines

Millimeters liegen.

Der Stellkörper 4 umfasst einen Längskörper 19, welcher sich in Richtung der Längsachse L erstreckt und aus einem magnetisch leitenden Material geformt ist. Der Längskörper 19 ist vorzugsweise so gestaltet, dass er mehrere Funktionen besitzt. Zum einen besitzt er eine radiale Ausdehnung, die zusammen mit der

Längserstreckung eine Ausrichtung und Führung des Stellkörpers 4 und

Verschlusselements 16 im Hohlraum 6 bewirkt. Die Ausdehnung des Längskörpers in Richtung der Längsachse L ist vorzugsweise nach den folgenden Gesichtspunkten bemessen. In der erster Stellung steht der Längskörper 19 in Kontakt mit dem ersten mechanischen Anschlag 14. Der Längskörper 19 erstreckt sich dann in Richtung der Längsachse L über die erste elektrische Spule 7 und den Permanentmagneten 8. In einer zweiten Stellung, die in Fig. 2 dargestellt ist, befindet sich der Längskörper 19 in Kontakt mit dem zweiten mechanischen Anschlag 15. Der Längskörper 19 erstreckt sich dann über den Permanentmagneten 8 und die zweite elektrische Spule 9. Durch das Zusammenwirken mit den mechanischen Anschlägen 14 und 15 erfüllt der Längskörper 19 die Funktion des Positionierens des Stellkörpers 4 in Richtung der Längsachse L. Neben den genannten Funktionen übernimmt der Längskörper 19 auch das Führen der Magnetfelder zum Schließen von magnetischen Kreisen, wie nachfolgend näher erläutert werden wird.

In Fig. 1 ist der Stellkörper 4 in der ersten Stellung gezeigt, in der er sich in Kontakt mit dem ersten mechanischen Anschlag 14 befindet, wobei der Kontakt unter

Ausbildung des bereits erwähnten Spaltes zwischen Dichtung und Ventilsitz 18 besteht. In dieser Stellung ist ein erster magnetischer Kreis geschlossen, der

Längskörper 19, ersten Abschlusskörper 10, Außenkörper 12 und Jochabschnitt 13 umfasst. Ebenfalls in diesem Magnetkreis befindet sich der Dauermagnet 8, dessen Magnetfeld den Magnetkreis speist. In dem Magnetkreis bildet sich ein erstes Magnetfeld M1 aus, welches eine Haltekraft bewirkt, die den Stellkörper 4 in der ersten Stellung fixiert.

Um den Stellkörper 4 aus der ersten Stellung zu entfernen, wird impulsartig eine Spannung an die erste elektrische Spule 7 angelegt. Durch den entstehenden Stromimpuls wird dem ersten Magnetkreis kurzzeitig ein erstes Gegenfeld G1 aufgeprägt. Seine Polung ist dem ersten Magnetfeld M1 entgegengerichtet, so dass sich die Felder M1 und G1 weitgehend kompensieren, kein Feld verbleibt und die Haltekraft wegfällt. Der Permanentmagnet 8 übt nun eine Reluktanzkraft auf den Längskörper 19 aus, so dass der Stellkörper 4 aus der ersten Stellung hinaus in Richtung des zweiten mechanischen Anschlags 15 bewegt wird. Um den Stellkörper 4 weiter in die zweite Stellung zu bewegen, kann an die zweite Spule 9 eine Spannung zur Erzeugung eines Stromflusses und Magnetfeldes angelegt werden, welches Magnetfeld die Bewegung des Stellkörpers 4 bewirkt.

In Fig. 2 ist der Stellkörper 4 in der zweiten Stellung gezeigt, in der sich der

Längskörper 19 des Stellkörpers 4 in Kontakt mit dem zweiten mechanischen Anschlag 15 befindet. In dieser Stellung ist ein zweiter magnetischer Kreis geschlossen, der den Permanentmagneten 8, den zweiten Abschlusskörper 11 , den Außenkörper 12, den Jochabschnitt 13 und den Längskörper 19 umfasst. In dem zweiten Magnetkreis wird durch den Permanentmagneten 8 ein zweites Magnetfeld M2 erzeugt. Die Feldlinien des zweiten Magnetfeldes M2 umgeben in den genannten Bauteilen geführt die zweite elektrische Spule 9. Durch das Magnetfeld M2 wird eine Haltekraft erzeugt, die den Längskörper 19 des Stellkörpers 4 in Kontakt mit dem zweiten mechanischen Anschlag 15 hält.

Um den Stellkörper 4 aus der zweiten Stellung zu entfernen, wird impulsartig eine Spannung an die zweite elektrische Spule 9 angelegt. Durch den entstehenden Stromimpuls wird dem zweiten Magnetkreis kurzzeitig ein zweites Gegenfeld G2 aufgeprägt. Seine Polung ist dem zweiten Magnetfeld M2 entgegengerichtet, so dass sich die Felder M2 und G2 weitgehend kompensieren, kein Feld verbleibt und die Haltekraft wegfällt. Der Permanentmagnet 8 übt nun eine Reluktanzkraft auf den Längskörper 19 aus, so dass der Stellkörper 4 aus der zweiten Stellung hinaus in Richtung des ersten mechanischen Anschlags 14 bewegt wird. Um den Stellkörper 4 in die erste Stellung zu bewegen, kann an die erste Spule 7 eine Spannung zur Erzeugung eines Stromflusses und Magnetfeldes angelegt werden, welches

Magnetfeld die Bewegung des Stellkörpers 4 bewirkt.

In der zweiten Stellung des Stellkörpers 4 gemäß Fig. 2 gibt das Verschlusselement 16 den ersten Anschluss 2 frei. Der Stellkörper 4 und der Hohlraum 6 sind so geformt, dass die Prozesskomponente von einer zwischen erstem und zweitem Anschluss 2 und 3 ausbildbaren Fluidströmung durchsetzbar ist. Im gezeigten Beispiel wird dies erreicht, indem sich der Längskörper 19 in Richtung eines Umfangs des Stellkörpers 4 nur über eine Teillänge erstreckt und das Verschlusselement 16 in der zweiten Stellung umströmbar ist, indem entlang des Umfangs wenigstens abschnittsweise ein Freiraum zwischen Innengehäuse 5 und Verschlusselement 16 vorgesehen ist.

Zur Verdeutlichung zeigt Fig. 3 einen Schnitt auf Höhe der Linie A-A aus Fig. 1.

Zwischen dem Außenkörper 12 und dem Innengehäuse 5 ist der Permanentmagnet 8 angeordnet. In einer in der Zeichenebene liegenden Umfangsrichtung sind

benachbart zum Permanentmagneten 8 auf einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite weitere Permanentmagneten 8a und 8b vorgesehen. Sie berühren den Jochabschnitt 13, welcher auf einer dem

Innengehäuse 5 abgewandten Seite breit genug ist, mit allen Permanentmagneten 8, 8a und 8b in vollflächigem Kontakt zu stehen. Auf einer dem Innengehäuse 5 zugewandten Seite weist der Jochabschnitt 13 eine Breite auf, die etwa einer Breite des Längskörpers 19 entspricht. Die Abmessungen sind so gewählt, dass die von den Permanentmagneten 8, 8a und 8b induzierten Magnetfelder in Richtung auf den Längskörper 19 gebündelt werden, das Innengehäuse 5 durchsetzen und weitgehend verlustfrei in den Längskörper 19 übertreten. Hierdurch ist eine hohe Dichte von Feldlinien im Längskörper 19 gegeben, womit die Haltekraft bei geschlossenem Magnetkreis erhöht wird. Alternativ zu einer Mehrzahl von Permanentmagneten 8, 8a und 8b kann ein bogenartig geformter Permanentmagnet eingesetzt werden.

Alternativ oder zusätzlich kann eine weitere Ebene von Permanentmagneten parallel zu Permanentmagnet 8 in Richtung der Längsachse L vorgesehen sein. Die

Permanentmagneten 8, 8a und 8b stehen in berührendem Kontakt mit dem

Außenkörper 12, damit die Magnetfelder möglichst gut verlustarm übertragen werden. Dazu können Leitstücke 21 benutzt werden, die Spalte vermeiden. Alternativ kann der Außenkörper 12 Formelemente aufweisen, die die Funktion der Leitstücke 21 a und 21 b übernehmen, oder die Permanentmagnete 8a und 8b sind formschlüssig geformt. Alternativ zur gezeigten Ausführung kann der Jochabschnitt 13 einstückig mit dem Innengehäuse 5 ausgeführt sein.

Der Außenkörper 12, die Permanentmagneten 8, 8a und 8b, der Jochabschnitt 13 und die Leitstücke 21a und 21 b bilden zusammen eine Permanentmagnetanordnung 20. Vorzugsweise sind entlang des Umgangs des Innengehäuses 5 mehrere

Permanentmagnetanordnung 20, 20a, 20b, 20c und 20d vorgesehen, wobei vorzugsweise jede mit einem einzelnen Längskörper 19 des Stellkörpers 4

zusammenwirkt, der zu diesem Zweck eine Mehrzahl Längskörper 19 aufweist.

Zwischen benachbarten Längskörpers 19 ist ein Kanal 22 zur Strömungsführung ausgebildet, wobei sich der Kanal 22 bis zum Verschlusselement 16 fortsetzt. Dies ist so bemessen, dass das Verschlusselement 16 in der zweiten Stellung von Fluid umströmbar ist, das durch den ersten oder den zweiten Anschluss 2 und 3 eintritt, und dass in der ersten Stellung eine hinreichende Sperrwirkung des Verschlusselements 16 zur Unterbindung einer Fluidströmung zwischen erstem und zweitem Anschluss 2 und 3 gegeben ist.

In einer Weiterbildung ist das Innengehäuse 5 aus einem magnetisch gut leitendem Material hergestellt, so dass die magnetisch wirksamen Luftspalte in den

Magnetkreisen reduziert werden, insbesondere im Bereich des Jochabschnitts 13 und den Kontaktbereichen zu erstem Abschlusskörper und zweitem Abschlusskörper 10 und 11. Vorteilhaft ist es, wenn die magnetischen Leitfähigkeiten der Materialien für Innengehäuse 5 und Längskörper 19 etwa in der gleichen Größenordnung liegen.

Es ist vorteilhaft, den ersten mechanischen Anschlag 14, den zweiten mechanischen Anschlag 15 oder beide Anschläge 14 und 15 und die jeweils korrespondierende Fläche am Stellkörper 4 konisch auszuformen, wie es in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist. Hierdurch ist bei der Bewegung des Stellkörpers 4 in Richtung der Längsachse L aus einer von erster und zweiter Stellung die Zunahme des magnetisch aktiven Spaltes zwischen Anschlusskörper 10 und 11 und Stellkörper 4 kleiner als die vom Stellkörper 4 entlang der Längsachse L zurückgelegte Strecke. Die Haltekraft wird auf diese Weise langsamer abgebaut als beispielsweise bei einer zur Längsachse L

senkrechten Fläche. Außerdem verbessert eine solche Gestaltung die Führung eines Fluidstromes durch die Prozesskomponente. Bezugszeichenliste

1 Ventil

2 erster Anschluss

3 zweiter Anschluss

4 Stellkörper

5 Innengehäuse

6 Hohlraum

7 erste elektrische Spule

8, 8a, 8b Permanentmagnet

9 zweite elektrische Spule

10 erster Abschlusskörper 1 1 zweiter Abschlusskörper 12 Außenkörper

13 Jochabschnitt

14 erster mechanischer Anschlag

15 zweiter mechanischer Anschlag

16 Verschlusselement

17 Dichtung

18 Ventilsitz

19 Längskörper

19a, 19b, 19c, 19d Längskörper

20, 20a, 20b, 20c, 20d Permanentmagnetanordnung 21 a, 21 b Leitstück

22 Kanal

L Längsachse

M1 erstes Magnetfeld

M2 zweites Magnetfeld

G1 erstes Gegenfeld

G2 zweites Gegenfeld