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Ventil
Die Erfindung bezieht sich auf Ventile, insbesondere Hochdruckventile mit einem einen Durch- flusskanal begrenzenden, eine seitliche Öffnung aufweisenden Gehäuse und einer an deren Rand einge- spannten, an ihrer dem Durchflusskanal abgewendeten Seite mit Hilfe eines bewegten Abstützorganes un- terstützten Membran, die einen rohrförmigen Halsteil aufweist sowie mit einem Verschlussorgan, das mit einem zum Rande der Öffnung koaxial angeordneten Ventilsitz zusammenwirkt und dessen Abstand von dem Sitz mittels eines Betätigungsmechanismus veränderbar ist, der in einem von dem Durchflusskanal getrennten Raum untergebracht ist. Infolge der Anordnung der Membran ist keine Stopfbüchse erfor- derlich, die eine hohe Reibung hat und deren hermetische Abdichtung schwierig ist.
Ferner trennt die
Membran den Betätigungsmechanismus von dem das Ventil durchströmenden Medium, so dass auch bei
Verwendung einer aus üblichen Metallen bestehenden Legierung für den ersteren korrodierend wirkende
Medien führende Leitungen mit solchen Absperrorganen ausgestattet werden können.
Die Anordnung einer Abstützung für die Membran sichert die Verwendbarkeit solcher Ventile auch bei höheren Drücken.
Bei einem bekanntgewordenen Ventil der eingangs beschriebenen Art ist ein Ventilteller vorgesehen, der mit Hilfe eines schaftförmigen Betätigungsgliedes bewegbar ist. Das Ende des inneren rohrförmigen Teiles einer stulpenförmigumgeschlagenenMembran ist mitdiesem Teller, das Ende des äusseren Stulpen- mantels mit dem Gehäuse dicht verbunden. Steht die Flüssigkeit innerhalb des Ventilgehäuses unter Druck, so wird der rohrförmige innere Teil der Membranstulpe an den Schaft und der Stulpenmantel gegen das Gehäuse gedrückt, so dass beide unterstützt sind. Für die Umschlagfalte ist ein eigener Anschlag vorgesehen, der sich beim Bewegen des Ventiltellers jeweils mit halber Geschwindigkeit wie dieser hebt oder senkt und daher stets an der Falte anliegt.
Wenn bei dieser Konstruktion auch für eine Unterstützung der Membran bei jeder Stellung des Ventiltellers vorgesorgt ist, so sind doch einige Mängel nicht zu übersehen. Die Membran wird bei Betätigung des Ventils umgerollt, also sehr stark verformt und weiters führt der bewegliche Stützanschlag zu einem komplizierten und teuren Aufbau.
Überdies ist eine bei höheren DrUk- ken brauchbare Verbindung zwischen einer Membran und einem gesonderten Ventilteller bisher nicht bekannt
All diese Mangel lassen sich vermeiden, wenn erfindungsgemäss die in an sich bekannter Weise mit dem Verschlussorgan einstückig ausgebildete Membran in einer der Schliessstellung entsprechenden Gestalt geformt ist, bei welcher die Membran von der Einspannstelle aus im wesentlichen trichterförmig in den wenigstens annähernd zylindrischen Halsteil übergeht, diesem trichterförmigen Membranteil ein seiner Hohlform angepasstes, in unveränderlichem Abstand vondem eigentlichen Verschlussorgan angeordnetes und mit diesem bewegbares Abstützorgan zugeordnet und die Bewegung der Membran beim Übergang von der Schliess-in die Offenstellung auf eine Verschiebung ohne wesentliche Faltenbildung beschränkt ist.
Die beim Übergang von der Offen- in die Schliessstellung auftretende, verhältnismässig geringfügige Verformung der Membran gestattet die Verwendung härterer Membranmaterialien, die auch für das eigen.. liche Verschlussorgan brauchbar sind. Solche Ventile sind einwandfrei noch bei Drücken anwenubar, die z. B. dreimal so gross sind als der Druck, der mit einem Membranventil gleichen Durchgangsquerschnittes beherrschbar ist, das ein Wehr aufweist.
Sie sind überdies auch bei strömenden Medien zu verwenden, deren chemische oder physikalische EigenschaftenMembranmaterialien bedingen, die für die Membranen von Ventilen desWehrtyps oder mitgerademDurchgang nicht oder nur mit Einschränkungen in Frage kommen, weil sie den dort auftretenden Verformungen nicht oder wenigstens nicht dauernd gewachsen sind.
Weil die Membran entsprechend der Schliessstellung geformt ist, kann sie die in dieser und in benachbarten Stellungen auftretenden Druckbeanspruchungen in einem von aus einer Verformung herrüh-
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rendenSpannungen freien Zustand aufnehmen, in dem sie gegenüber chemischen und physikalischen Ein- wirkungen am widerstandsfähigsten ist.
Zufolge ihrer Ausbildung geht die Membran von ihrer Einspannstelle aus mit verhältnismässig schwa- cher Krümmung stetig in ihren annähernd zylindrischen Halsteil über und ist über den grössten Teil der im wesentlichen trichterförmigen Übergangszone von einem ihrer Gestalt angepassten Abstützorgan unter- stützt. Ohne Unterstützung bleibt ein Ringgebiet, das bei richtiger Formgebung des Abstützorganes und seiner Stützfläche schmal ist.
Obwohl dieses Gebiet beim Schliessen des Ventiles trachtet, sich zum Rand hin zu verbreitern, blei- ben etwaige Spannungen gering, selbst wenn das Ventil so montiert ist, dass in Schliessstellung der Druck ausserhalb des Sitzes, d. h. auf den ausserhalb des mittleren Teiles gelegenen Teil der Membran wirkt.
Vorzugsweise wird das Ventil jedoch so eingebaut, dass die Membran in Schliessstellung nicht dem Druck des strömungsfähigen Mediums ausgesetzt ist.
Das oben erwähnte Ringgebiet kann verschmälert werden, wenn nach einem Merkmal der Erfindung ein zusätzliches ortsfestes Abstützorgan mit einer ringförmigen Abstützfläche angeordnet ist, die sich von derEinspannstelle bis in die Nähe des bewegten Abstützorganes erstreckt. In geschlossenem Zustand ist die Membran über den vollen Durchmesser des mit dem Verschlussorgan bewegbaren Abstützorganes von diesem unterstützt und längs einer schmalen ringförmigen Randzone von der Stützfläche des ortsfesten Abstütz- organes abgehoben. Im geöffneten Zustand liegt die Membran an dem ortsfesten Abstützorgan auf und am Rande des beweglichen Abstützorganes hebt sie sich von diesem im Bereich einer schmalen Ringzone ab.
In jeder Stellung ist der Membranbereich, für den keine Unterstützung wirksam wird, auf einen sehr schmalen Ring beschränkt und für die Funktion und Lebensdauer des Ventils bedeutungslos.
Das ortsfeste Abstützorgan kann als in eineAusnehmung eines zum Abdecken der seitlichen Gehäuse- öffnung eingerichteten Flansches einlegbarer Ring ausgebildet und gegebenenfalls mit einer Ringnut versehen sein, die mit einer in Nähe des Randes an der Membran vorgesehenen Dichtungsrippe zusammenwirkt.
Dieses Stützorgan kann aber auch als einspringender Flansch an der Haube sitzen, welche die Betätigungsvorrichtung des Ventils enthält. Die beim Übergang von der Schliess- in die Offenstellung des Ventils herbeigeführte relativ kleine Verformung der Membran beschränkt die auftretenden Spannungen auf ein in der Praxis unschädliches Ausmass. Insbesondere bleiben die Randgebiete der Membran praktisch spannungsfrei.
Einer der Vorteile der Begrenzung der Spannungen in der Nähe des Randes der Membran auf einen niedrigen Wert besteht darin, dass die Erzielung einer guten Abdichtung um den Rand der Membran herum erleichtert und dass es überflüssig wird, die Membran mit einem im Querschnitt fischschwanzartigoder ähnlich gestalteten Rand zu versehen, wenn auch eine Dichtungsrippe zweckmässig sein kann.
Ein weiterer Vorteil der Herabsetzung von Spannungen auf einen niedrigen Wert besteht darin, dass auf das Einbetten einer Gewebebewehrung in die Membran verzichtet werden kann. Dadurch wird die Herstellung der Membranen vereinfacht und die Gefahr eines chemischen Angriffes herabgesetzt. Ferner wird eine genügende örtliche elastische Verformung möglich, ohne dass die Gefahr eines Bruches einer eingebetteten Gewebebewehrung besteht.
Das mit der Membran einstückige eigentliche Verschlussorgan ist zweckmässig als eindenzylindrischen Halsteil abschliessender gewölbter Boden ausgebildet und der mit diesem zusammenwirkende Ventilsitz vorzugsweise kegelförmig gestaltet.
Die erste Berührung erfolgt dann linear oder nur entlang einer sehr schmalen Fläche, so dass mit einer verhältnismässig geringen Kraft leicht ein dichter Verschluss auch gegen einen hohen Druck erzielt werden kann.
Die mit dem Verschlussorgan einstückigenMembranen können aus einheitlichem Material mit durchwegs gleichem Elastizitätsmodul bestehen. Sie sind einfacher herzustellen, als Membranen mit Härteabstufung.
Ein geeignetes Membranmaterial ist beispielsweise eine Nitrilgummiverbindung mit einer britischen Normhärte von 90 bis 950. Je nach dem beabsichtigten Verwendungszweck kommen aber auch inerte Materialien wie Butylgummi, halogenierte Kohlenwasserstoffe, insbesondere Polytetrafluoräthylen und andere ähnlich indifferente Materialien, wie z. B. Polymonochlortrifll oräthylen, in Frage. Auch das ganze Ventilgehäuse kann mit jedem der verwendeten inerten Membranmaterialien ausgekleidet werden.
Eine Steigerung der Härte durch die Beimengung von inerten festen Füllstoffen ist immer angezeigt, soferne die erforderliche Biegsamkeit nicht unzulässig herabgesetzt wird.
Die Erfindung gestattet die Anwendung von Membranmaterialien, die, wie z. B. Polytetrafluor- äthylen oder Butylhartgummi, genügend hitzebeständig sind, um derart ausgestattete Membranventile
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auch zur Steuerung von Nassdampf brauchbar zu machen.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der
Zeichnung veranschaulicht sind, in welcher Fig. l im Axialschnitt eine erste Ausführungsform des Ventils in geschlossenem Zustand, Fig. 2 diese Ausführungsform, ebenfalls im Axialschnitt, rechts in vollständig geöffnetem und links in teilweise geöffnetem Zustand und Fig. 3 im Axialschnitt eine zweite Ausführung- form, links in geschlossenem und rechts in offenem Zustand zeigt.
Das in den-Fig. l und 2 dargestellte Ventil besteht aus einem Ventilgehäuse 11, das von einem Kanal durchsetzt ist und trägt an dessen Enden Anschlüsse 12, 13, die beispielsweise als Gewindestutzen zum An- schluss an eine Rohrleitung ausgebildet sind. Je nach der Grösse und der beabsichtigten Verwendung kön- nen aber auch beliebige andere bekannte Verbindungsorgane, beispielsweise Flanschen, verwendet sein.
Zwischen den Stutzen 12 und 13 ist im Kanal ein Ringsitz 14 angeordnet, der in dem dargestellten Bei- spiel konisch ausgebildet ist.
In dem Gehäuse ist gegenüber dem Ventilsitz eine Ausnehmung 15 vorgesehen, an deren Aussenrand eine ringförmige ebene Einspannfläche grenzt. Auf dieser Fläche liegt die Randzone einer drehsymmetri- schenMembran auf, die mit Hilfe einer gegen die Ausnehmung nach innen vorspringenden Beilagscheibe 17 gehalten ist. Die Beilagscheibe ist in eine Vertiefung an dem Flansch einer Haube 18 eingesetzt, welche mit geeigneten Klemmorganen, beispielsweise mit Stiftschrauben und Muttern 19, mit dem Gehäuse ver- bunden ist.
Die auf diese Weise eingespannte, harte, aber biegsame und zusammendrückbare Membran enthält keine eingebettete Gewebebewehrung und erstreckt sich mit stetig gerundetem Meridian von einer knapp innerhalb des eingespannten Randes liegenden Stelle in einen wenigstens annähernd zylindrischen Hals- teil 21, der von einem im wesentlichen massiven Ende 22 abgeschlossen ist, das mit dem Sitz 14 zusammenwirkt und somit das eigentliche Verschlussorgan des Ventils bildet. Das Ende 22 ist hier mit einem scharfen Rand dargestellt, wird aber, da es aus biegsamem Material besteht, unter dem vollen Schliessdruck so verformt, dass es sich längs einer schmalen Fläche an den Sitz 14 anlegt.
Zum Öffnen und Schliessen des Ventils sind eine Spindel 23 und ein mit dieser verbundenes Stützorgan 24 vorgesehen. Diese beiden Teile können einstückig oder aber der einfacheren Herstellung wegen gesondert und mit geeigneten Mitteln, beispielsweise einem Querstift 25, aneinander befestigt sein.
Zum Öffnen oder Schliessen des Ventils muss die Spindel 23 von Hand aus oder mit Hilfe irgend eines bekannten Servomechanismus axial verschoben werden. Sie kann beispielsweise mit einem Schraubengewinde 26 versehen sein. das mit einer Mutter 27 zusammenwirkt, die in der Haube 18 drehbar aber in Axialrichtung unverschiebbar gelagert und mit einem Handrad 28 verkeilt ist. Um eine Mitnahme der Spindel beim Drehen der Mutter zu verhindern, ist seitlich an dem Stützorgan 24 ein Ansatz oder Lappen 29 vorgesehen, der in eine Nut 31 der Haube 18 eingreift. Um die Reibung herabzusetzen kann zwischen der Mutter 27 und der Haube 18 ein Axial-Kugellager 32 vorgesehen sein.
Da der von der Einspannstelle ausgehende, im wesentlichen trichterförmige Übergangsteil der Membran aus starkem Material besteht, ist zum Öffnen des Ventils eine beträchtliche Zugkraft erforderlich. Die Kraft wird auf die Membran mit Hilfe eines Metalleinsatzes übertragen, der in den Halsteil eingepresst oder eingebettet und an dem Stützorgan befestigt ist. Der Einsatz kann, wie dargestellt, eine Schraube mit einem langen Kopf 33 und einem Gewindeschaft 34 sein, der die Membran durchsetzt und in ein Gewindeloch des Stützorgans 24 eingeschraubt ist. Der Kopf reicht über fast die ganze Länge des Halsteiles und stellt wirkungsmässig einen Fortsatz des Stützorgans 24 dar. Der Kopf kann mit durchgehenden Löchern versehen sein, in welche das gepresste Material eintreten kann, so dass die Verankerung verbessert wird.
Die Bewegung zum Öffnen des Ventils wird hier dadurch begrenzt, dass sich das obere Ende des Organs 24 bei vollständig geöffnetem Ventil an das untere Ende der Mutter 27 anlegt (Fig. 2 rechts).
Die Membran ist in einer der Schliessstellung des Ventils entsprechenden Form hergestellt und zeigt in unbelastetem Zustand daher im wesentlichen die in Fig. 1 wiedergegebene Form, wobei auf das Einspannen des Randes und ein gewisses axiales Zusammendrücken des mittleren Teiles 22 Rücksicht genommen ist. Diese Zugaben sind jedoch klein, weil, wie vorstehend erwähnt, die Membran vorzugsweise aus relativ hartem Material gepresst wird. Die der Membran zugekehrte Fläche des Stützorgan ist so geformt, dass sie bei geschlossenem Ventil, auch ohne Druckeinwirkung eines das Ventil durchströmenden Mediums zur Gänze im wesentlichen satt an der Membranrückseite anliegt. Der Durchmesser des Stützorgans 24 entspricht bis auf einen angemessenen Bewegungsspielraum dem Durchmesser der lich- ten Öffnung der Beilagscheibe 17.
Wenn der Druck des strömungsfähigen Mediums nicht auf die Membran einwirkt, steht diese im Bereiche einer Ringzone von der Beilagscheibe ab. Wenn das Ventil in der bevor-
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schmal ist, genügen relativ kleine Kräfte zur Herbeiführung eines dichten Verschlusses auch bei hohem Druck des strömungsfähigen Mediums.
Es sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemässe Ausbildung den Membranen eine solche Eigenfestigkeit verleiht, dass sie sowohl unter Vakuum als auch bei hohen Drücken und schwierigen Betriebsbedingungen verwendet werden können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Ventil, insbesondere Hochdruckventil, mit einem einen Durchflusskanal begrenzenden, eine seitliche Öffnung aufweisenden Gehäuse und einer an deren Rand eingespannten, an ihrer dem Durchflusskanal abgewendeten Seite mit Hilfe eines bewegten'Abstützorgans unterstützten Membran, die einen rohrförmigen Halsteil aufweist sowie mit einem Verschlussorgan, das mit einem zum Rande der Öffnung koaxial angeordneten Ventilsitz zusammenwirkt und dessen Abstand von dem Sitz mittels eines Betätigungsmechanismus veränderbar ist, der in einem von dem Durchflusskanal getrennten Raum untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die in an sich bekannter Weise mit dem Verschlussorgan einstückig aus- gebildete Membran in einer der Schliessstellung entsprechenden Gestalt geformtist,
bei welcher die Membran von der Einspannstelle aus im wesentlichen trichterförmig in den wenigstens annähernd zylindrischen Halsteil übergeht, dass diesem trichterförmigenMembranteil ein seiner Hohlform angepasstes, in unveränderli- chem Abstand von dem eigentlichen Verschlussorgan angeordnetes und mit diesem bewegbares Abstützorgan zugeordnet und dass die Bewegung der Membran beim Übergang von der Schliess- in die Offenstellung auf eine Verschiebung ohne wesentliche Faltenbildung beschränkt ist.