CH685863A5

CH685863A5 - Verfahren zum Vorspannen einer Membran

Info

Publication number: CH685863A5
Application number: CH336091A
Authority: CH
Inventors: Kurt Graf
Original assignee: Baumann & Cie
Priority date: 1991-11-18
Filing date: 1991-11-18
Publication date: 1995-10-31

Description

1

CH 685 863 A5

2

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum wenigstens teilweise Vorspannen einer Membran, auf oder in einer Befestigung, wobei die Vorspannung vom Zentrumsbereich der Membran gegen den peripheren Bereich, wo die Membran mit der Befestigung verbunden ist, gerichtet ist, ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff nach Anspruch 7 sowie Anwendungen der erfindungsgemässen Verfahren.

In verschiedenen Bereichen der Technik werden Metallmembranen, wie beispielsweise aus dünnem Blech, zum Beispiel zum Erfassen von Druckunterschieden oder in akustischen Geräten, mit erhöhter Festigkeit eingesetzt. Diese Membranen sind üblicherweise über einen Ring bzw. Rund- oder Vierkanthohlkörper gespannt und am Rand mitteis Schweissen, Bördeln oder Einklemmen gasdicht geschlossen. Diese Membranen sollten zumindest glatt liegen oder eine bestimmte, radiale Vorspannung aufweisen.

Das radiale Vorspannen von derartigen Membranen wird bisher dadurch erreicht, indem in die vorher am Rand befestigte Membran ringförmige, konzentrische Wülste eingeprägt werden, wobei sich die Vorspannung quer zu den erwähnten Wülsten einstellt. Die Nachteile dieses bekannten Verfahrens bestehen darin, dass beide Seiten der Membran für den Prägevorgang zuganglich sein müssen, d.h. bei einem beispielsweise unten geschlossenen Hohlkörper, auf welchem die Membran aufgespannt ist, das Vorspannen nach diesem Prinzip nicht möglich ist. Zudem ist die hiermit erreichte Radialspannung auf einen relativ kleinen Wert begrenzt. Bei stärkerer axialer Last auf die Membran deformieren die Spannwülste und die Radialspannung wird kleiner oder geht verloren. Zusätzlich verlangt der Prägevorgang einen separaten Arbeitsgang, was die Herstellung von Elementen mit derartig vorgespannten Membranen verteuert.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem Membranen auf einem Halte- oder Tragrahmen vorgespannt angeordnet werden können, ohne die Notwendigkeit eines zusätzlichen Arbeitsvorganges nach dem Anordnen, wie beispielsweise das Anbringen der erwähnten Prägungen. Erfindungsge-mäss wird diese Aufgabe mittels einem Verfahren gemäss dem Wortlaut nach einem der Ansprüche 1 oder 7 gelöst.

Das erfindungsgemäss vorgeschlagene Verfahren basiert auf dem Prinzip, dass die Membran vor dem Befestigen aufgeheizt wird und/oder während dem Befestigungsvorgang auf Temperatur gehalten wird. Durch die Wärmedehnung erfolgt entsprechend der Befestigungsvorgang mit einer in radialer Richtung vergrösserten Membran. Nach dem Erkalten der auf dem Halte- oder Tragrahmen angeordneten Membran weist diese eine radiale Vorspannung auf, die von der Aufheiztemperatur bestimmt wird.

Dabei ist es unerheblich, ob es sich bei der Befestigung, wie einem Trag- oder Halterahmen, auf welcher bzw. auf welchem die Membran bzw. eine

Folie angeordnet bzw. befestigt wird, um einen ringförmigen oder eckigen, wie beispielsweise einen Vierkantträger handelt.

Umgekehrt ist es natürlich auch möglich, den Tragrahmen zu kühlen, wobei sich dieser etwas zusammenzieht, und nach dem Anordnen der Folie bzw. der Membran wieder auf Raumtemperatur zu erwärmen.

In Kombination ist es weiter möglich, sowohl die Folie bzw. die Membran während dem Anordnen zu beheizen und gleichzeitig den Tragrahmen zu kühlen.

Das Befestigen der Membran bzw. der Folie erfolgt vorzugsweise mit dem Verfahren des Laser-schweissens, jedoch lassen sich auch alle anderen Schweissverfahren, wie z.B. Mikroplasmaschweis-sen, Elektronenstrahlschweissen, TIG/WIG-Schweis-sen, elektrisches Widerstandsrollennaht-Schweis-sen, usw., anwenden. Ebenso sind auch mechanische Befestigungsverfahren, wie Bördeln, Einklemmen, usw., anwendbar.

Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich sowohl zum Befestigen von metallenen Membranen oder Folien wie auch für gummielastische oder kunststoffartige Membranen oder Folien, wo beispielsweise durch das Erwärmen ein zusätzlich erfolgender, mechanischer Aufspannvorgang unterstützt wird, um die Spannung weiter zu erhöhen.

Bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den abhängigen An-spüchen definiert.

Die erfindungsgemäss definierten Verfahren eignen sich zum Vorspannen von irgendwelchen Membranen bzw. Folien, wie insbesondere für Membranen in akustischen Anwendungen, wie beispielsweise Sprechmembranen in Atemschutzgeräten, wie auch für die Herstellung von Drucksensoren bzw. Druckaufnehmern, welche vorgespannte Membranen miteinschliessen.

Die Erfindung wird nun nachfolgend beispielsweise und unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch dargestellt im Querschnitt den erfindungsgemässen Befestigungsvorgang einer kreisrunden Membran auf einem Membranträger,

Fig. 2 schematisch im Querschnitt den Befestigungsvorgang einer Membran auf einem anderen Membranträger,

Fig. 3 und 4 schematisch dargestellt im Querschnitt den Befestigungsvorgang einer Membran auf einem Träger mittels mechanischer Befestigungsverfahren, und

Fig. 5 schematisch dargestellt im Querschnitt das Befestigen einer Membran auf einem Träger mittels beidseitigem Beheizen.

In Fig. 1 ist schematisch im Querschnitt der Befestigungsvorgang einer Membran 1 auf einem Membranträger 2 dargestellt. Beim Membran 1 handelt es sich um eine kreisrunde Metallscheibe, und entsprechend ist der Membranträger 2 ebenfalls kreisrund ausgebildet, mittig eine gewölbte, Löcher enthaltende Partie 2a aufweisend. Aufgrund dieser Wölbung ergibt sich in Peripherie eine ringförmige

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

2

3

CH 685 863 A5

4

Schulter 2b, auf welcher die Membran 1 koaxial aufgesetzt wird.

Von oben kommt nun ein zylinder- oder kegelförmiger Heizstössel 3, beispielsweise ebenfalls aus Metall hergestellt mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit (z.B. Kupfer), welcher mittels einer nicht dargestellten Heizeinrichtung, wie beispielsweise einer elektrischen Widerstandsheizung, einer Flammheizung oder Flüssigkeitsheizung auf Temperatur gehalten wird. Die gewünschte Temperaturhöhe wird mittels einem Temperaturfühler 4 und einer nicht dargestellten Regeleinrichtung konstant gehalten. Der Heizstössel 3 umfasst ausserdem eine Bohrung 5 mit stern- und/oder ringförmigen Kanälen 6, mittels welchen über eine Vakuumpumpe die Membran 1 an die Heizfläche 7 angesaugt wird. Damit wird ein optimaler Wärmeübergang über die ganze Fläche der Membran sichergestellt. Infolge der sehr kleinen Blechdicke ist die Membran sehr schnell auf derselben Temperatur wie der Heizstössel. Nachdem der Heizstössel 3 mit der unten angesaugten Membran 1 koaxial mit dem Membranträger 2 angeordnet ist, kann der Randbefestigungsvorgang, beispielsweise mittels Laserschweissen, beginnen. Dabei dient der Rand 8 des Heizstössels 3 als Niederhalter für den zu befestigenden Rand der Membran 1 auf der ringförmigen Schulter 2b des Membranträgers 2. Nach Beendigung des Befestigungsvorganges wird das Vakuum abgestellt und der Heizstössel abgehoben. Beim Erkalten der Membran zieht sich diese radial zusammen, wodurch die Radialspannung aufgebaut wird.

Wie aus Fig. 1 klar erkennbar, wäre beispielsweise ein nachträgliches Prägen der Membran 1 nicht möglich, da diese nur einseitig von oben zugänglich ist. Von unten wäre ein Zuführen eines Prägewerkzeuges nicht möglich, da diese Seite durch die lochförmige Wölbung 2a des Membranträgers 2 versperrt ist.

Die Vorteile des oben erwähnten Verfahrens gegenüber dem bekannten Stand der Technik sind:

- Es ist eine höhere Radialspannung erzielbar,

- die auf diese Weise glattgespannte Membran hält wesentlich grössere axiale Belastungen ohne Deformation aus,

- auch bei überwiegend geschlossenen Hohlkörpern kann eine radial gespannte Membran realisiert werden, und

- das Erzeugen der Radialspannung wird mit dem Randbefestigungsvorgang kombiniert, womit ein zusätzlicher Arbeitsgang für das Spannen entfällt.

Gegebenenfalls ist sogar die Dichteprüfung der Randverbindung zwischen Membran und Membranträger mit dem Befestigungsvorgang kombinierbar.

In Fig. 2 wiederum ist analog Fig. 1 schematisch im Querschnitt das Anordnen einer Membran 1 auf einem Membranträger 2 dargestellt, welcher Membranträger wannenförmig bzw. im Querschnitt u-för-mig ausgebildet ist. Dabei ergibt sich erneut eine ringförmige Verbindung 11 zwischen Membran 1 und Träger 2. Auf eine Beschreibung des Befestigungsvorganges wird verzichtet, da der Heizstössel 3 analog demjenigen von Fig. 1 ausgebildet ist.

Auch die Verbindung gemäss Fig. 2 erfolgt vorzugsweise mittels einem Schweissverfahren.

In den Fig. 3 und 4 sind weitere Ausführungen einer Anordnung einer Membran 1 auf einem Träger 2 dargestellt, wobei es sich wiederum um kreisrunde Anordnungen handeln kann. Im Gegensatz zu den Fig. 1 und 2 wird die randförmige Befestigung zwischen dem Träger 2 und der Membran 1 mittels mechanischen Verfahren bewerkstelligt, wobei in Fig. 3 dies mittels ineinanderbördeln eines äusseren Randes 12 des Trägers 2 in einen inneren Rand 13 der Membran 1 um einen separaten Ring 2a erfolgt. Das Erzeugen der Vorspannung jedoch erfolgt analog dem Verfahren, beschrieben in bezug auf Fig. 1, weshalb erneut auf eine Beschreibung verzichtet wird und der Heizstössel 3 schematisch dargestellt ist.

In Fig. 4 erfolgt das Verbinden von Membran 1 mit Träger 2 durch Einklemmen einer Randpartie 14 der Membran zwischen dem Träger 2 und einem von oben zugeführten Ring 2a.

In Fig. 5 letztendlich wird eine Membran 1 auf einem ringförmigen Träger 2 angeordnet, wobei ein beidseitiges Beheizen der Membran 1 möglich ist. Schematisch wird dies dargestellt durch einen oberen Heizstössel 3 und einen unteren Heizstössel 3a. Der Befestigungs- bzw. Erwärmungsvorgang der Membran bleibt sich aber im Prinzip gleich, wie beschrieben in bezug auf Fig. 1. Allerdings entfällt beim Einspannen der Membran 1 zwischen die beiden Heizstössel 3 und 3a das Anlegen eines Vakuums, wodurch auf Ansaugkanäle verzichtet werden kann.

Die unter Bezug auf die Fig. 1 bis 5 beschriebenen Anordnungen bzw. das erfindungsgemäss beschriebene Verfahren können in x-beliebiger Art und Weise modifiziert, variiert oder abgeändert werden. Auch ist selbstverständlich die Erfindung nicht auf das Anordnen und Vorspannen von kreisrunden Membranen auf einem Membranträger beschränkt, sondern es können x-beliebig ausgestaltete Membranen, wie quadratische, rechteckige, dreieckige, usw., auf einem entsprechenden Rahmen vorgespannt angeordnet werden. Auch können anstelle von metallenen Membranen Kunststoffmembranen, gummiartige Membranen, usw., gemäss dem erfinderisch beschriebenen Prinzip, vorgespannt auf einem Träger, angeordnet werden.

Statt Erwärmen der Membran während dem Befestigungsvorgang ist es natürlich analog auch möglich, stattdessen den Träger zu kühlen. Beim Wiedererwärmen dehnt sich der Träger aus, wodurch die Vorspannung der Membran ebenfalls erhalten wird.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum wenigstens teilweise Vorspannen einer Membran, auf oder in einer Befestigung, wobei die Vorspannung vom Zentrumsbereich der Membran gegen den peripheren Bereich, wo die Membran mit der Befestigung verbunden ist, gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) vor und/oder während dem Anordnen bzw. Befestigen in oder an einer Befestigung (2) erwärmt wird.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

5

CH 685 863 A5

2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Erzeugen einer radial gerichteten Vorspannung in einer wenigstens nahezu kreisrund ausgebildeten Membran (1), welche in oder auf einer Befestigung (2) gehalten bzw. angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1), vor und/oder während dem Anordnen bzw. Befestigen in oder an einem Trägerring (2) erwärmt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) ein oder beidseitig mittels einem Mittel zum Erwärmen (3, 3a) vor und/oder während dem Anordnen bzw. Befestigen auf Temperatur gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung auf eine vorbestimmte Temperatur erfolgt, um nach dem Erkalten der Membran eine bestimmte Vorspannung zu erhalten.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Mittel zum Erwärmen (3, 3a) und der Membran (1) ein Vakuum erzeugt wird, so dass vor und/oder während dem Anordnen bzw. Befestigen die Membran mittels dem Heizmittel gehalten bzw. geführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigen bzw. Anordnen der Membran (1) auf der Befestigung (2) mittels Laserschweissen, Mikroplasmaschweissen, Elektronenstrahlschweissen, TIG/WIG-Schweissen, elektrischem Widerstandsrollennaht-Schweissen, oder mittels mechanischer Befestigungsverfahren, wie Bördeln oder Einklemmen erfolgt.

7. Verfahren zum wenigstens teilweise Vorspannen einer Membran (1) auf oder in einer Befestigung (2), wobei die Vorspannung vom Zentrumsbereich der Membran gegen den peripheren Bereich, wo die Membran (1) mit der Befestigung (2) verbunden ist, gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung vor und/oder während dem Anordnen bzw. Befestigen der Membran an oder auf der Befestigung abgekühlt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und Anspruch 7.

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung einer in der Akustik zu verwendenden Membrananordnung.

10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung eines Drucksensors.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

4