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Die
Erfindung betrifft ein Membranventil mit einer Membrandichtung zum
statischen Dichten eines Dicht- und/oder Strömungsraums gegenüber der Umgebung
insbesondere für
den pharmazeutischen und/oder lebensmitteltechnischen Bereich, umfassend
ein Ventilgehäuse,
das mindestens einen Eingang und einen Ausgang für das durch den Dicht- und/oder
Strömungsraum
strömende
Medium sowie einen im Bereich des Eingangs oder Ausgangs ausgebildeten
Ventilsitz aufweist, ein das Ventilgehäuse auf der dem Ventilsitz
gegenüber
liegenden Seite abdeckendes Deckelelement, einen Ventilkörper, dem die
Membrandichtung zugeordnet ist, eine Ventilstange, die mit dem Ventilkörper in
Wirkverbindung steht und zum Bewegen des Ventilkörpers aus einer ersten Endposition „Ventil
geöffnet" über Zwischenpositionen in eine
zweite Endposition „Ventil
geschlossen" und
umgekehrt ausgebildet und eingerichtet ist, sowie ein mechanisches,
auf der Druck abgewandten Seite der Membrandichtung angeordnetes
Stützmittel
zum Stützen
der Membrandichtung bei Druckbeaufschlagung.
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Derartige
Membranventile kommen insbesondere in der pharmazeutischen und lebensmitteltechnischen
Industrie zum Einsatz, wobei der Einsatz solcher Ventile nicht auf
die genannten Bereiche beschränkt
ist. Gerade jedoch bei der Förderung
von flüssigen
Medien in der pharmazeutischen und lebensmitteltechnischen Industrie
existieren hohe Anforderungen in Bezug auf die Sterilität und die
Sterilisierbarkeit der Förderleitungen
und insbesondere auch der Armaturen mit den entsprechenden Ventilen
zum Öffnen
und Sperren der Förderleitungen. Aus
den genannten Gründen
sind so genannte dynamische Dichtungen zu vermeiden. Die gattungsgemäßen Membranventile
mit den entsprechenden Membrandichtungen werden auch als statische
Dichtungen bezeichnet. In diesem Zusammenhang bedeutet statisch,
dass die Membrandichtung fest, also ohne Relativbewegung, im Bereich
des Ventilgehäuses
und/oder des Deckelelementes angeordnet ist. Durch die statische
Einbindung der Membrandichtung wird der Dicht- und/oder Strömungsraum
z. B. innerhalb von Förderleitungen
oder dergleichen gegenüber
der Umgebung bzw. Umwelt sicher abgedichtet. Anders ausgedrückt ermöglichen
die Membranventile mit ihren Membrandichtungen Relativbewegungen
zwischen zwei Elementen, beispielsweise zwischen der bewegbaren
Ventilstange mit dem Ventilkörper
einerseits und dem feststehenden Ventilgehäuse mit zugeordnetem Deckelelement,
indem die Membrandichtung ihre Form/Gestalt ändert.
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Aus
dem oben genannten ergibt sich die Hauptfunktion der Membrandichtung,
nämlich
den Dicht- und/oder Strömungsraum
mit einem beweglichen Ventilkörper
gegenüber
der Umgebung/Umwelt abzudichten. Konstruktionsbedingt sind wesentliche Abschnitte
der Membrandichtung freitragend, da die Membrandichtung lediglich
mit einem äußeren Randbereich üblicherweise
zwischen dem Ventilgehäuse und
dem Deckelelement oder einem anderen feststehenden Element des Membranventils
eingebunden und damit unterstützt
ist. Bei Beaufschlagung der Membrandichtung mit einem Druck wirkt
dieser auf die freitragenden Abschnitte, was dazu führt, dass sich
die Membrandichtung aufbläht
und sogar platzen kann. Da die Membrandichtung zur Form-/Gestaltänderung
flexibel ausgebildet sein muss, scheidet eine größeren Drücken standhaltende Wandstärke der
Membrandichtung aus. Es ist daher üblich, dass der Membrandichtung
auf der Druck abgewandten Seite ein Stützmittel zugeordnet wird, das
dem Innendruck entgegenwirkt.
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Es
ist bekannt, für
ein gattungsgemäßes Membranventil,
das z. B. aus der
DE
7241059 U bekannt ist, als Stützmittel einen Stützring vorzusehen, der
an der Ventilstange befestigt und mit dieser bewegbar ist. Dadurch
ist der Stützring
in der Endlage „Ventil
geschlossen" in
Anlage mit der Membrandichtung, wodurch eine vollständige Unterstützung gewährleistet
ist. Zum Wechsel der Ventilstellung von der Endlage „Ventil
geschlossen" in
die Endlage „Ventil
geöffnet" wird die Ventilstange
in eine zurückgezogene
Stellung bewegt, wodurch auch der Stützring von der Membrandichtung
abhebt. Damit ist die Membrandichtung in der Endlage „Ventil
geöffnet" nicht mehr abgestützt, sondern
wiederum freitragend, was zu den weiter oben beschriebenen Problemen
führt.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und
kostengünstiges
Membranventil zu schaffen, deren Membrandichtung in allen Betriebszuständen abgestützt wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Membranventil der eingangs genannten Art
dadurch gelöst,
dass das mechanische Stützmittel
mindestens zwei Stützelemente
aufweist, wobei die beiden Stützelemente
auf der der Membrandichtung zugewandten Seite jeweils eine unterschiedliche
Unterstützungskontur
aufweisen, die in Abhängigkeit
der Position des Ventilkörpers
mit der Membrandichtung zur Bildung einer Stützfläche wechselseitig in Kontakt
bringbar ist. Dadurch wird auf überraschend
einfache und zuverlässige
Weise erreicht, dass die Membrandichtung in allen Positionen, nämlich sowohl
den beiden Endpositionen als auch in den Zwischenpositionen abgestützt ist.
In den Endpositionen wird die Membrandichtung jeweils durch eines
der Abstützelemente abgestützt. In
den Zwischenpositionen wir die Membrandichtung partiell von beiden
Stützelementen
getragen.
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Eine
zweckmäßige Weiterbildung
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Stützelement
als Basiselement ortsfest angeordnet ist, während das andere Stützelement
als Stellelement relativ zum Basiselement bewegbar ist. Damit wird
die wechselseitige Bereitstellung des Stützmittels für die jeweilige Stützfunktion
entsprechend der Position des Ventilkörpers einfach und wirkungsvoll
sichergestellt.
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Vorteilhafterweise
greifen die beiden Stützelemente
kammartig ineinander. Zum einen wird dadurch erreicht, dass die
Membrandichtung gleichmäßig über den
Umfang bzw. die freitragende Fläche gestützt wird.
Zum anderen erlaubt es die genannte Ausbildung, dass die Stützelemente
durch die Verschachtelung derselben ineinander verschiebbar sind,
so dass je nach Position entweder nur die eine Unterstützungskontur
oder nur die andere Unterstützungskontur
oder beide Unterstützungskonturen
in Kontakt mit der Membrandichtung bringbar sind.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
zeichnet sich dadurch aus, dass die Anzahl der Stützabschnitte
für jedes
Stützelement
größer als
drei ist. Anders ausgedrückt
kann jedes Stützelement
nahezu beliebig viele Stützabschnitte
aufweisen. Je mehr Stützabschnitte
vorgesehen sind, desto kleiner ist die Teilung der Stützelemente.
Das führt
dazu, dass sich die von der Membrandichtung zu überbrückende Spannweite zwischen
zwei benachbarten und beabstandeten Stützabschnitten eines Stützelementes
verringert. Damit kann die Membrandichtung bei gleich bleibender
Größe der Stützfläche höhere Betriebsdrücke aufnehmen,
was das Einsatzgebiet der Membranventile vergrößert.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung
sind die durch die beiden Stützelemente
erzeugbaren Stützflächen mindestens
in den beiden Endpositionen gleich groß. Somit ist eine gleichmäßige Verteilung
der Stützflächen für die Positionen
des Ventilkörpers
geschaffen. Vorzugsweise sind die Stützflächen auch in den Zwischenpositionen
gleichgroß,
was den zuvor beschriebenen Effekt unterstützt.
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Weitere
bevorzugte oder zweckmäßige Merkmale
und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der Beschreibung. Besonders bevorzugte Ausführungsformen werden anhand
der beigefügten
Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Membranventils in einer Endposition „Ventil
geschlossen",
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2 eine
perspektivische Darstellung des Membranventils gemäß 1 in
einer Endposition „Ventil
geöffnet",
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3 eine
Schnittansicht des Membranventils gemäß 1 in der
Endposition „Ventil
geschlossen",
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4 die
Schnittansicht gemäß 3 in
einer Zwischenposition „Ventil
in Mittelstellung",
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5 die
Schnittansicht gemäß 3 in
der Endposition „Ventil
geöffnet",
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6 eine
perspektivische Darstellung des Abstützmittels in einer Position,
in der das Abstützelement
zum Abstützen
in der Endposition „Ventil
geschlossen" gegenüber dem
Abstützelement
zum Abstützen
in der Endposition „Ventil
geöffnet" zurückgezogen
ist,
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7 eine
perspektivische Darstellung des Abstützmittels in einer Position,
in der das Abstützelement
zum Abstützen
in der Endposition „Ventil
geschlossen" gegenüber dem
Abstützelement
zum Abstützen
in der Endposition „Ventil
geöffnet" hervorgehoben ist,
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8 eine
Draufsicht auf das Abstützelement
zum Abstützen
in der Endposition „Ventil
geöffnet",
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9 eine
Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie
I-I der 8, 10 eine
Seitenansicht des Abstützelementes
gemäß 8,
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11 eine
Draufsicht aus das Abstützelement
zum Abstützen
in der Endposition „Ventil
geschlossen", und
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12 eine
Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie
II-II der 11.
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Das
dargestellte Membranventil dient zum Öffnen und Schließen eines
Dicht- und/oder Strömungsraums
insbesondere in der pharmazeutischen oder lebensmitteltechnischen
Industrie. Selbstverständlich
ist das Membranventil auch in anderen Bereichen einsetzbar.
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Die 1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Membranventil 10 in
einer Endposition „Ventil
geschlossen". Das
Membranventil 10 ist mit einer Membrandichtung 11 versehen.
Damit wird ein statisches Dichten eines Dicht- und/oder Strömungsraums 12 gegenüber der
Umgebung bzw. Umwelt erreicht. Anders ausgedrückt ist die Membrandichtung 11 im
Bereich ihrer Dichtflächen
keinen dynamischen Belastungen ausgesetzt. Allerdings ist die Membrandichtung 11 besonders
geeignet, den Strömungsraum 12 mit
einem beweglichen Ventilkörper 13,
der innerhalb des Strömungsraums 12 bewegbar
ist, gegenüber der
Umgebung abzudichten. Das Membranventil 10 umfasst ein
Ventilgehäuse 14,
das mindestens einen Eingang 15 und einen Ausgang 16 für das durch
den Strömungsraum 12 strömende, insbesondere
flüssige
Medium aufweist. Die Zuordnung, welches der Eingang 15 und
welches der Ausgang 16 ist, kann beliebig gewählt sein.
Des Weiteren weist das Ventilgehäuse 14 mindestens
einen Ventilsitz 17 auf. Dieser Ventilsitz 17,
der in seiner Form und Lage zu dem Ventilkörper 13 korrespondiert,
ist in der gezeigten Ausführungsform
im Bereich des Ausgangs 16 ausgebildet. Die Lage des Eingangs 15 bzw.
Ausgangs 16 kann innerhalb des Ventilgehäuses 14 auch
variieren und von der gezeigten Anordnung abweichen. An dem Eingang 15 und
dem Ausgang 16 sind (nicht dargestellte) Leitungen, Anschlüsse oder
dergleichen zum Erstellen eines vorzugsweise im Wesentlichen geschlossenen
Systems anschließbar.
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Dem
Ventilgehäuse 14 ist
ein Deckelelement 18 zum allseitigen Abschließen des
Strömungsraums 12 zugeordnet.
Das Deckelelement 18 kann direkt oder über Zwischenelemente lösbar am
Ventilgehäuse 14 angeordnet
sein. In der gezeigten Ausführungsform
ist das Deckelelement 18 am Ventilgehäuse 14 auf der dem
Ventilsitz 17 gegenüberliegenden Seite
angeordnet. Innerhalb des Strömungsraums 12 ist
der Ventilkörper 13 angeordnet.
Dem Ventilkörper 13,
der eine „schnullerartige" Form aufweist, ist
die Membrandichtung 11 zugeordnet. Die Membrandichtung 11 kann
mit dem Ventilkörper 13 einstückig ausgebildet
sein. In anderen Ausführungsformen
ist die Membrandichtung 11 über den Ventilkörper 13 übergezogen
oder an diesem befestigt. Der Ventilkörper 13 ist mit seiner
Dichtfläche 19 dem
Ventilsitz 17 zugewandt. Die Membrandichtung 11 ihrerseits
steht auf der der Dichtfläche 19 gegenüber liegenden
Seite des Ventilkörpers 13 mit
einem kragenförmigen,
flexiblen Ende 20 über.
Dieses umlaufende Ende 20 dient einerseits als Dichtfläche 21 der
Membrandichtung 11, wobei das Ende 20 zum Herstellen
der Dichtfunktion und zum Befestigen zwischen dem Ventilgehäuse 14 und
dem Deckelelement 18 oder dergleichen angeordnet und durch
Schrauben 22 oder dergleichen verspannt ist. Andererseits
dient das außerhalb
des Ventilgehäuses 14 und
des Deckelelementes 18 in den Strömungsraum 12 ragende freitragende
Ende 20 zum Ausgleich der Bewegungen des Ventilkörpers 13.
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Weiterhin
ist eine Ventilstange 23 Bestandteil des Membranventils 10.
Die Ventilstange 23 steht mit dem Ventilkörper 13 in
Wirkverbindung und ist zu diesem Zwecke mit diesem verbunden. Mittels
der linear bewegbaren Ventilstange 23, die in bekannter
Weise im Deckelelement 18 geführt ist, ist der Ventilkörper 13 aus
einer ersten Endposition „Ventil
geöffnet" (siehe z. B. 2) über Zwischenpositionen
in eine zweite Endposition „Ventil
geschlossen" und
zurück
bewegbar. Die einzelnen Positionen des Ventilkörpers 13 sind auch
noch einmal aus den 3 bis 5 zu entnehmen.
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Da
die Membrandichtung 11 lediglich mit dem äußeren Rand
des Endes 20 am Ventilgehäuse 14 und dem Deckelelement 18 eingebunden
ist, ist der wesentliche Teil des Endes 20 freitragend.
Um ein unkontrolliertes Aufblähen
oder gar Reißen
der dünnwandigen
Membrandichtung 11 im Bereich des kragenförmigen Endes 20 bei
in den Strömungsraum 12 einströmendem oder
im Strömungsraum 12 stehendem
Medium zu verhindern, ist der Membrandichtung 11 auf der
Druck abgewandten Seite ein Stützmittel 24 zugeordnet.
Das Stützmittel 24 dient zum
mechanischen Stützen
der Membrandichtung 11 bei Druckbeaufschlagung.
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Das
mechanische Stützmittel 24,
das im Detail den 6 bis 12 zu
entnehmen ist, besteht aus mindestens zwei Stützelementen 25, 26.
Die Stützelemente 25, 26 sind
unter Bildung mehrere Stützabschnitte 27, 28 segmentiert
ausgebildet. Jedes Stützelement 25, 26 weist
auf der der Membrandichtung 11 zugewandten Seite 29 jeweils
eine Unterstützungskontur 30, 31 auf.
Vorzugsweise unterscheiden sich die beiden Unterstützungskonturen 30, 31 voneinander.
Es ist jedoch auch denkbar, dass die beiden Unterstützungskonturen 30, 31 gleich
sind. Die Unterstützungskonturen 30, 31 sind
in Abhängigkeit
der Position des Ventilkörpers 13 mit
der Membrandichtung 11 zur Bildung einer Stützfläche in Kontakt
bringbar. Anders ausgedrückt
können
die Unterstützungskonturen 30, 31 wechselseitig
zur Bildung einer Stützfläche mit
Teilen der Membrandichtung 11 in Kontakt treten.
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Eines
der Stützelemente 25 ist
als Basiselement 32 ortsfest angeordnet. Das andere Stützelement 26 ist
als Stellelement 33 relativ zum Basiselement 32 bewegbar,
wobei es keine Rolle spielt, welches der beiden Stützelemente 25, 26 ortsfest
bzw. bewegbar ist. In der beschriebenen Ausführungsform ist das Basiselement 32 am
Deckelelement 18 lösbar befestigt,
vorzugsweise mittels Schrauben 34 oder dergleichen. Das
relativ zum Basiselement 32 bewegbare Stellelement 33 ist
an der Ventilstange 23 befestig und mittels dieser zusammen
mit dem Ventilkörper 13 linear
bewegbar. Zur Ausführung
der linearen Bewegung der Ventilstange 23 ist diese in
dem Basiselement 32 gleitend geführt und in weiteren dem Deckelelement 18 zugeordneten
(nicht näher beschriebenen)
Elementen gelagert.
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Die
Ventilstange 23 ist entlang ihrer Mittelachse M bewegbar,
die auch die Mittelachse für
die beiden Stützelemente 25, 26 bildet.
Die Stützelemente 25, 26 sind
rotorförmig
ausgebildet und greifen kammartig ineinander. Das bedeutet, dass
die Stützabschnitte 27, 28 der
aufeinander bzw. ineinander gesteckten Stützelemente 25, 26 abwechselnd
nebeneinander liegen. Mindestens drei Stützabschnitte 27, 28 für jedes
Stützelement 25, 26 sind
vorgesehen, die sich gleichmäßig über den
Umfang verteilen. Bevorzugt sind jedoch mehr als drei Stützabschnitte 27, 28 für jedes
Stützelement 25, 26 vorgesehen.
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Das
Basiselement 32 (siehe insbesondere 8 bis 10)
ist in Draufsicht scheibenförmig ausgebildet
und weist mittig bzw. zentrisch eine Bohrung 35 zum Durchtritt
der Ventilstange 23 auf. Die Stützabschnitte 27, die
innenseitig die Unterstützungskontur 30 formen,
sind an einer gemeinsamen Grundplatte 36 angeordnet bzw.
bevorzugt einstückig
mit dieser ausgebildet. Die einzelnen Stützabschnitte 27 sind
beabstandet zueinander und bilden um die Bohrung 35 herum
einen geschlitzten Schaft 37 zur gleitenden bzw. geführten Aufnahme
des Stellelementes 33 und zur Führung der Ventilstange 23. Das
Basiselement 32 ist vorzugsweise zum Stützen der Membrandichtung 11 in
der Endposition „Ventil geöffnet" ausgebildet.
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Das
Stellelement 33 (siehe insbesondere 11 und 12)
ist in Draufsicht propellerförmig ausgebildet
und weist mittig bzw. zentrisch ebenfalls eine Bohrung 38 auf.
Die Bohrung 38 dient zum Durchtritt der Ventilstange 23 bzw.
von Befestigungsmitteln, mit denen das Stellelement 33 an
der Ventilstange 23 befestigt ist. Die Stützabschnitte 28,
die innenseitig die Unterstützungskontur 31 formen,
sind im Bereich eines zentralen Schaftes 39 angeordnet, in
dem auch die Bohrung 38 ausgebildet ist. Die einzelnen
Stützabschnitte 28 sind
beabstandet zueinander angeordnet. Das Stellelement 33 ist
vorzugsweise zum Stützen
der Membrandichtung 11 in der Endposition „Ventil
geschlossen" ausgebildet.
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Die
Stützelemente 25, 26 können in
ihrer Funktion jedoch auch vertauscht sein. In der in den Figuren
dargestellten Ausführungsform
ist das Stellelement 33 in der Endposition „Ventil
geöffnet" gegenüber dem
Basiselement 32 derart vollständig zurückgezogen, dass ausschließlich die
Unterstützungskontur 30 des
Basiselementes 32 vorsteht und in Kontakt mit der Membrandichtung 11 bringbar
ist (siehe Zustand in 6). Anders ausgedrückt stehen die
Stützabschnitte 27 über den
Stützabschnitten 28. Die 7 zeigt
den umgekehrten Fall für
die Endposition „Ventil
geschlossen". In
dieser Endposition ist das Stellelement 33 in der hervorgehobenen
Position, so dass ausschließlich
die Stützabschnitte 28 mit ihrer
Unterstützungskontur 31 mit
der Membrandichtung 11 in Kontakt bringbar sind.
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Die
durch die beiden Stützelemente 25, 26 erzeugbaren
Stützflächen sind
mindestens in den Endpositionen gleich groß. Das bedeutet, dass sich die
aufsummierten Flächen
der Unterstützungskonturen 30, 31 in
etwa entsprechen. Selbstverständlich kann
das Flächenverhältnis auch
variieren. Für
eine gleichmäßige Unterstützung der
Membrandichtung 11 ist jedoch ein ausgeglichener Stützanteil
von 50% bevorzugt. In den Zwischenpositionen stehen die beiden Unterstützungskonturen 30, 31 der
beiden Stützelemente 25, 26 jeweils
teilweise mit der Membrandichtung 11 in Kontakt.
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Die
Unterstützungskonturen 30, 31 des
jeweiligen Stützelementes 25, 26 entsprechen
auf der der Membrandichtung 11 zugewandten Seite 29 der äußeren geometrischen
Formen, die die Membrandichtung 11 in der jeweiligen Endposition
einnimmt bzw. einnehmen soll. Dabei sind die Unterstützungskonturen 30, 31 derart
ausgebildet und ausgeformt, dass sie in den Endpositionen aber auch
in den Zwischenpositionen flächig
an der Membrandichtung 11 anliegen.
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Das
Schaltprinzip des Membranventils 10 wird anhand der 3 bis 5 näher beschrieben:
In
der Endposition „Ventil
geschlossen" gemäß 3 ist
der Ventilkörper 13 eng
und dichtend am Ventilsitz 17 anliegend. Die Membrandichtung 11 schmiegt sich
unter Druckbeaufschlagung eng und nahezu ausschließlich an
die Unterstützungskontur 31 des Stellelementes 33.
Zu der Unterstützungskontur 30 des
Basiselementes 32 besteht in dieser Endposition kein Kontakt.
Beim Bewegen in die Mittel- oder Zwischenposition (siehe 4)
löst sich
der Kontakt der Membrandichtung 11 kontinuierlich von der
Unterstützungskontur 31,
während
sich die Membrandichtung gleichzeitig und ebenfalls kontinuierlich
an die Unterstützungskontur 30 des
Basiselementes 32 schmiegt. In den Zwischenpositionen ist
die Membrandichtung 11 also gleichmäßig mit beiden Unterstützungskonturen 30, 31 teilweise
in Kontakt. Durch die Bewegung aus der Endposition „Ventil
geschlossen" in
die Endposition „Ventil
geöffnet" wird das Stellelement 33 immer
weiter hinter bzw. in das Basiselement 32 zurück bzw.
hinein gezogen, bis die Unterstützungskontur 31 des
Stellelementes 33 soweit hinter der Unterstützungskontur 30 des
Basiselementes 32 liegt, dass sich die Membrandichtung 11 eng
und nahezu ausschließlich
an die Unterstützungskontur 30 des
Basiselementes 32 schmiegt (siehe 5). Damit
ist die Membrandichtung 11 unabhängig von ihrer Position stets
und permanent gleichmäßig unterstützt, wodurch
auch hohe Betriebsdrücke
durch die Membrandichtung 11 aufgenommen werden können.