DE10062790A1

DE10062790A1 - Membranventil mit Kunststoffkörper

Info

Publication number: DE10062790A1
Application number: DE2000162790
Authority: DE
Inventors: Ulrich Klebe; Johann Pongraz
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2002-07-11

Abstract

Das Membranventil ist gekennzeichnet durch eine Kunststoffmembran 7, einen Kunststoffgrundkörper 1 und nichtmetallische Flächen im gasberührten Bereich des Membranventils. Vorteilhaft wird das Oberteil des Membranventils durch übliche metallische Teile gebildet. Das Membranventil wird vorzugsweise für aggressive Gase, insbesondere für Reinstgasanwendungen, verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Membranventil für Gase und die Verwendung eines Kunst stoffgrundkörpers bei einem Membranventil.

Ein Membranventil aus metallischen Bauteilen wird in der DE 39 35 171 A1 be schrieben.

Der Betrieb eines metallischen Gasventiles mit korrosiven Gasen wie Chlorwasser stoff, Bromwasserstoff, Chlor, Ammoniak, Wolframhexafluorid oder Gasgemische mit einer reaktiven Komponente ist bei Reinstgasanwendungen sehr problematisch, da eine Verunreinigung oder Kontamination mit Metallionen, die vom Ventilwerkstoff stammen, im Gasanwendungsbereich in vielen Fällen unbedingt vermieden werden muß. Dies trifft insbesondere für den Gaseinsatz bei der Herstellung von Halbleiter bauelementen zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein korrosionsbeständiges Hochdruckven til für Gase bereitzustellen.

Gelöst wurde die Aufgabe durch ein Membranventil mit den in Anspruch 1 beschrie benen Merkmalen.

Das Membranventil weist einen Grundkörper (Gehäusekörper) aus Kunststoff (Kunststoffgrundkörper) auf. Als Kunststoff werden beispielsweise Polyolefin, Fluor polymer, Polyacetal, Polyester oder Polyamid, z. B. Polypropylen (PP), Polyether etherketon (PEEK), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE). Als Kunststoffwerkstoff werden thermoplastische Kunststoffe wie technische Kunststoffe oder chemikalienresistente Kunststoffe, insbesondere Hochleistungskunststoffe, be vorzugt eingesetzt. Der Kunststoffgrundkörper besteht vorzugsweise aus einem Teil, kann aber auch aus mehreren, auch aus unterschiedlichem Material bestehenden Teilen zusammengesetzt werden.

Der Kunststoffgrundkörper enthält einen eingehenden und einen ausgehenden Gas kanal. Beide Gaskanäle sind mit dem sogenannten Ventilraum verbunden. Der Ven tilraum wird im allgemeinen im unteren Bereich von dem Kunststoffgrundkörper und im oberen Bereich von der Ventilmembran begrenzt. Der Ventilraum hat in der Regel einen kreisrunden Querschnitt, in dessen Mitte ein Gaskanal (Gaseingangskanal o der Gasauslaßkanal) mündet und um die Mündungsöffnung des zentralen Gaska nales der Ventilsitz angeordnet ist. Der Ventilgrundkörper aus Kunststoff weist im Unterschied zu üblichen metallischen Ventilgrundkörpern vorteilhaft einen Ventilsitz mit besonderer Gestalt (besonderer Geometrie) auf.

Der Ventilsitz weist in der Regel eine ringförmige Dichtfläche oder Schließfläche auf. Die Schließfläche ist vorzugsweise flach ausgeführt. Schließfläche liegt vorteilhaft in einer Ebene, die senkrecht, nahezu senkrecht oder im Bereich von 60 bis 120° zur Ventilverstellachse verläuft. Bevorzugt wird eine senkrechte oder nahezu senkrechte Ausrichtung der Schließfläche. In diesem Fall ist die Gesamtschließfläche ein flacher Ring. Bei einer leicht geneigten Schließfläche (z. B. Bereich von 60 bis 120° zur Ventilverstellachse) liegt die ringförmige Schließfläche auf dem Mantel eines mehr oder weniger stumpfen Kegels. Die Breite der Schließfläche in einem Ringteil liegt im allgemeinen im Bereich von 0,5 bis 10 mm, vorzugsweise 2 bis 6 mm, insbesondere 2 bis 3 mm. Auf die Gesamtschließfläche wird zum Verschließen des Ventiles die Membran gedrückt, wodurch ein Gaskanal verschlossen wird.

Die Ventilmembran ist in der Regel scheibenförmig. In mechanisch unverformtem Zustand ist die Membran vorzugsweise auf der schließenden Seite im wesentlichen flach, insbesondere im Bereich, der zur Abdeckung des Ventilsitzes dient. Die Ven tilmembran besteht teilweise oder vollständig aus einem Kunststoff, der in der Regel elastisch ist. Der Kunststoff ist vorzugsweise ein Elastomer wie Gummi oder synthe tischer Kautschuk. Synthetische Kautschuke sind beispielsweise ACM, ANM, CM, CFM, CSM, EPDM, EPM, EVA, FPM, IM, CO, ECO, PO, ABR, BR, CR, IIR, IR, NBR, NCR, NR, PBR, SBR, SCR, SIR, T, FSi, PSi, PVSi, Si, VSi, AFMU, AU und EU. Die Bedeutung der Abkürzungen für synthetische Kautschuke sind in "Hans Domining, "Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften", VDI-Verlag, Düsseldorf, 1976", S. 5 und 6, erläutert, worauf hiermit bezug genommen wird. Besonders bevorzugt als Kunststoff sind Fluorelastomere und chlorhaltige Elastomere.

Die Membran weist vorzugsweise einen Stützkörper, insbesondere ein Einlegeteil, auf. Der Stützkörper besteht aus Kunststoff, Keramik oder Metall, vorzugsweise aus Metall (z. B. Stahl, Aluminium oder Messing). Der Stützkörper weist vorteilhaft ein Membranstützteil und ein Verbindungsteil auf. Das Stützteil des Stützkörpers ist in der Regel platten- oder scheibenförmig. Vorteilhaft wird das Stützteil teilweise oder vollständig bei der Herstellung der Membran in der Membran verankert, z. B. durch Einvulkanisieren.

Für Hochdruckanwendungen wird ein festeres oder steiferes Membranmaterial be vorzugt, z. B. Hartgummi. Die Kunststoffmembran ist für Hochdruck dicker ausgelegt und weist in diesem Fall eine Dicke im Bereich von z. B. 1 bis 3 mm auf.

Die Membran weist vorteilhaft einen Dichtrand auf, der als Dichtelement zwischen Membran und Kunststoffgrundkörper dient. Vorzugsweise ist der Dichtrand auf dem Rand der zum Ventilraum gerichteten Seite der Membran angeordnet. Der Dichtrand ist vorteilhaft wulstförmig oder gerundet (z. B. halbrund). Zur Aufnahme des Dicht randes der Membran weist die der Membran gegenüberliegende Seite des Kunst stoffgrundkörpers vorteilhaft eine umlaufende Vertiefung (z. B. Nut oder Rille) im Be reich des Ventilraumrandes auf.

Der Membranstützkörper ist beispielsweise über das Verbindungsteil mit dem Druck körper verbunden. Der Membranstützkörper kann auch Teil des Druckkörpers sein, wobei sich das Verbindungsteil erübrigt. Zur Verbindung der Membran mit dem Druckkörper wird beispielsweise der Druckkörper im Bereich der Unterseite modifi ziert. Z. B. wird der Druckkörper mit einer zentralen zylindrischen Öffnung (z. B. Boh rung) versehen, die zur Aufnahme des Verbindungsteiles (z. B. ein zylindrischer Stift) des Membranstützkörpers dient. Verbindungsteil und die untere Öffnung des Druck körpers können mit einem Schraubgewinde versehen werden, so daß das Verbindungsteil in den Druckkörper geschraubt werden kann. Die Verschraubung wird vor teilhaft durch ein Klebmittel fixiert.

Die Ventilspindel des Membranventils ist vorzugsweise zwei- oder mehrteilig. Die Ventilspindel weist beispielsweise ein Ventilspindeloberteil und einen getrennten Druckkörper auf, wie in der DE 39 35 171 A1 beschrieben und worauf hiermit bezug genommen wird. Ventilspindeloberteil und Druckkörper sind vorzugsweise aus Me tall.

Vorteilhaft wird das Oberteil eines gebräuchlichen Membranventils, z. B. das Oberteil des in der DE 39 35 171 A1 beschriebenen Membranventils mit einem modifizierten Druckkörper, mit der Kunststoffmembran und dem Kunststoffgrundkörper kombiniert. Auf diese Weise können im nicht gasberührten Bereich des Ventils metallische Bauteile, insbesondere konventionelle Bauteile, eingesetzt werden, die in der Regel günstigere mechanische Eigenschaften (z. B. eine höhere Stabilität) als Kunststoff teile aufweisen. Im gasberührten Bereich des Ventils kommt das Gas nur mit nicht- metallischen Teilen oder Oberflächen in Berührung

Statt mit einem handbedienbaren Ventiloberteil wird das Unterteil mit der Kunst stoffmembran und dem Kunststoffgrundkörper vorteilhaft mit einem Pneumatikkopf oder Pneumatik-Ventiloberteil kombiniert. Das Pneumatikventil mit Kunststoffgrund körper und Kunststoffmembran kann analog zu den Pneumatikventilen der Baureihe MV1 von Messer Griesheim aufgebaut werden (siehe Katalog "Gase mit hoher Rein heit 2000", Messer Griesheim GmbH, S. 170; oder im Internet:
http:/ /www.spezialgase.de).

Die Anschlüsse für Gaseingang und Gasausgang am Ventilgrundkörper sind bei spielsweise herkömmliche Schlauch- oder Leitungsanschlußelemente (z. B. Klemm ringverschraubungen), die auch aus Kunststoff erhältlich sind. Die Anschlußele mente können direkt in den Kunststoffgrundkörper eingelassen werden, so daß Ü bergangsstücke für den Anschluß des Ventiles nicht benötigt werden.

Mit den beschriebenen Membranventilen mit Kunststoffgrundkörper lassen sich Ven tile für den Hochdruckbereich (z. B. Gasdruck größer als 50 bar, z. B. 300 bar) reali sieren. Die Membranventile mit Kunststoffgrundkörper erlauben eine kompaktere Bauweise und sind preiswerter als marktübliche Kunststoffventile herstellbar.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Schema eines Membranventiles gemäß der Erfindung im Quer schnitt.

Das in Fig. 1 gezeigte Beispiel eines Membranventiles gemäß der Erfindung weist einen Grundkörper 1 aus Kunststoff auf, der den eingehenden Gaskanal 2 und den ausgehenden Gaskanal 3 (Auslaßkanal) enthält. Der Kunststoffkörper ist z. B. aus PP, PEEK, PVDF oder PTFE. Die Auswahl des Kunststoffes hängt ab von der ge wünschten chemischen Resistenz und dem vorgesehenen Gasdruck. Im oberen Be reich des Grundkörpers 1 ist der Ventilsitz 6 angeordnet, der ein ringförmiges oder scheibenförmiges Plateau aufweist, vorzugsweise mit flacher Schließfläche in einer Ebene senkrecht zur Ventilachse A-A. Zwischen Ventilsitz 6 und Ventilmembran 7 befindet sich der sogenannte Ventilraum. Die Kunststoffmembran 7 ist vorzugsweise scheibenförmig und enthält einen Dichtrand, der von der Vertiefung 5 (Dichtrille oder Nut) aufgenommen wird. Die Membran 7 wird an deren Rand zwischen Kunststoff körper 1 im Bereich der Vertiefung 5 und Kopfschraube 12 eingespannt. Vorteilhaft wird die Membran 7 über eine definierte Toleranz (Höhe) des Stegs im Ventilkörper 1 und der Höhe (Dicke) der Membran 7 definiert vorgepreßt, ohne daß dabei der Werkstoff der Membran übermäßig beansprucht oder zum Fließen gebracht wird. Auf diese Weise wird eine dauerelastische Abdichtung der Membran erreicht mit be ständiger Rückstellkraft. Die Membran besteht vorzugsweise aus einem syntheti schen Kautschuk wie EPDM oder einem Fluorelastomer. Die Membran 7 umgibt den unteren Teil (Stützteil) des Membranstützkörpers 8. Das vorzugsweise scheibenför mige Stützteil wird bei der Herstellung der Membran in das Membranmaterial integ riert, z. B. einvulkanisiert. Das obere Teil des Membranstützkörpers 8 dient als Ver bindungsteil zur Befestigung der Membran an dem Druckkörper 10. Der Druckkörper 10 weist an der Unterseite beispielsweise eine Gewindeöffung auf, in die das Ver bindungsteil eingeschraubt wird. Die Verschraubung zwischen Membranstützkörpers 8 und Druckkörper 10 wird vorteilhaft mit einem Klebmittel (z. B. Sekundenkleber) fixiert. Der Druckkörper 10 ist kraftschlüssig, aber drehbar mit der Ventiloberspindel 11 verbunden. Druckkörper 10, Ventiloberspindel 11 und Kopfschraube 12 bilden das Ventiloberteil und sind vorzugsweise aus Metall. Als Ventiloberteil können Teile konventioneller Membranventile eingesetzt werden. Das Ventiloberteil ist beispiels weise aufgebaut wie in der DE 39 35 171 A1 beschrieben und worauf hiermit bezug genommen wird. Die Kopfschraube 12 wird auf das Gewinde 4 des Grundkörpers 1 eingeschraubt. In dem Ventilgrundkörper 1 sind die Anschlüsse 13 angeordnet. Die Anschlüsse 13 sind beispielsweise übliche Klemmringverschraubungen. Der gasbe rührte Raum (Gaskanäle 2 und 3 und der Ventilraum) enthält in dem Membranventil gemäß der Erfindung keine metallischen Oberflächen. Das Gas kommt nur mit Kunststoffoberflächen in Berührung. Eine Kontamination des Gases mit Metallionen wird dadurch verhindert.

Die Richtung des Gasflusses kann in dem gezeigten Beispiel ohne weiteres ver tauscht werden.

Bezugszeichen

1

Kunststoffgrundkörper

2

eingehender Gaskanal

3

ausgehender Gaskanal

4

Gewinde am Kunststoffgrundkörper

5

umlaufende Vertiefung zur Aufnahme des Dichtrandes der Membran

6

Ventilsitz

7

Kunststoffmembran

8

Membranstützkörper

9

Dichtelement

10

Druckkörper

11

Ventilspindeloberteil

12

Kopfverschraubung

13

Anschlußteil

Claims

1. Membranventil, gekennzeichnet durch eine Kunststoffmembran (7), einen Kunst stoffgrundkörper (1) und nichtmetallische Flächen im gasberührten Bereich des Membranventils.

2. Membranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff grundkörper (1) einen im wesentlichen flachen Ventilsitz (6) aufweist.

3. Membranventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunst stoffgrundkörper (1) im Anschluß an die Ventilraumflächen eine umlaufende Vertie fung (5) zur Aufnahme eines Membran-Dichtelementes aufweist.

4. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffmembran (7) einen Membranstützkörper (8) aufweist.

5. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Verbindungsteil mit dem Druckstück (10) der Ventilspindel verbun den ist.

6. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Membranventil ein gebräuchliches Oberteil mit metallischen Teilen aufweist.

7. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Membranventil ein Pneumatik-Oberteil aufweist.

8. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffgrundkörper (1) einen zentralen Gaskanal (2) aufweist, der in der Mitte des Ventilraumes mündet, wo ein ringförmiger Ventilsitz (6) mit flacher oder ringför miger Oberfläche angeordnet ist.

9. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffgrundkörper (1) einen Ventilsitz (6) aufweist, dessen Schließfläche ei ne Ebene senkrecht, nahezu senkrecht oder im Bereich von 60 bis 120° zur Ventil verstellachse (A-A) aufweist.

10. Membranventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließfläche ringförmig ist

11. Verwendung eines Kunststoffgrundkörpers (1) bei einem Membranventil.

12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff grundkörper (1) in Kombination mit einer Kunststoffmembran (7) eingesetzt wird.

13. Verwendung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffgrundkörper (1) in Kombination mit einem gebräuchlichen Ventiloberteil eingesetzt wird.