DE102007039395A1

DE102007039395A1 - Membranantrieb und Verfahren zum Herstellen eines Membranantriebs

Info

Publication number: DE102007039395A1
Application number: DE102007039395A
Authority: DE
Inventors: Fritz Müller
Original assignee: Gebr Mueller Apparatebau GmbH and Co KG
Current assignee: Gebr Mueller Apparatebau GmbH and Co KG
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2027-08-22
Also published as: DE102007039395B4; EP2028377A2; DE102007059922B4; EP2028377B1; DE102007059922A1; EP2028377A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Membranantrieb zum Antrieb einer Ventilspindel mit einem Gehäuse, einer Membran, die mit ihrem radial äußeren Bereich mit einem Gehäuse dicht verbunden ist und im Gehäuse eine Kammer schafft, einem Membranteller, gegen den sich die Membran abstützt, wobei der radial äußere Bereich der Membran an der Innenseite einer Hülse anliegt und die Hülse dicht im Gehäuse fixiert ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Membrantriebs.

Description

Die Erfindung betrifft einen Membranantrieb für eine Ventilspindel, mit einem Gehäuse, einer Membran, die mit ihrem radial äußeren Bereich mit dem Gehäuse dicht verbunden ist und im Gehäuse eine Kammer schafft und einem Membranteller, gegen den sich die Membran abstützt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Membranantriebs.
Derartige pneumatische oder hydraulische Antriebseinheiten dienen zur Erzeugung von Hubbewegungen von Stellgliedern, insbesondere von Ventilen, zum Drosseln strömender Medien. Die Membranantriebe sind in der Regel einfach und robust aufgebaut und zeichnen sich durch hohe realisierbare Stellgeschwindigkeiten aus. Dabei ist in ein Gehäuseunterteil eine Stellmembran eingesetzt, die den Gehäuseinnenraum in zwei Kammern unterteilt. In die eine Kammer wird das Steuermedium, zum Beispiel und Über- oder Unterdruck stehende Luft eingeleitet, wodurch die Lage der Membran entgegen der Kraft einer Rückstellfeder verändert wird. Das Gehäuseunterteil wird mit einem Gehäuseoberteil verschlossen, was entweder durch eine Umbördelung des Randes des einen Gehäuseteils um den Rand des anderen Gehäuseteils erfolgt oder mittels einer Verschraubung, wofür die beiden Gehäuseteile Flansche aufweisen müssen. Sowohl bei der Bördelung als auch bei der Verschraubung wird von den Rändern der beiden Gehäuseteile die Membran an ihrem radial äußeren Rand gehalten. Dieser Aufbau hat sich vielfach bewährt, er besitzt jedoch beim Einsatz derartiger Membranantriebe in Reinräumen oder bei Produktionsanlagen der Lebensmittelindustrie oder Biochemie den wesentlichen Nachteil, dass sich Keime festsetzen können. Außerdem sind die Außenabmessungen derartiger Membranantriebe relativ groß.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Membranantrieb bereitzustellen, welcher auch in kritischen Umgebungen, insbesondere in Reinräumen, eingesetzt werden kann und der zudem bei gleicher Leistung geringere Abmessungen besitzt.
Diese Aufgabe wird mit einem Membranantrieb der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der radial äußere Bereich der Membran an der Innenseite einer Hülse anliegt und die Hülse dicht im Gehäuse fixiert ist.
Der wesentliche Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, dass der radial äußere Bereich der Membran nicht mehr in radialer Richtung abragt, sondern dadurch, dass er an einer Hülse anliegt, sich in axialer Richtung erstreckt. Die Hülse dient nun als Verbindungsmittel, über welches die Membran mit dem Gehäuse verbunden wird. Da sich der Randbereich der Membran nicht mehr in axialer Richtung erstreckt, muss hierfür nicht mehr der übliche Spannraum, zum Beispiel die Bördelung oder der Flansch, vorgesehen werden. Die Gehäuseteile können stumpf aufeinandergesetzt werden. Dadurch verkleinert sich der Außendurchmesser des Membranantriebs bei gleichbleibend großem Innenraum, zum anderen kann eine glatte Außenseite geschaffen werden, an welcher sich keine Keime festsetzen können bzw. welche relativ einfach dekontaminiert werden kann.
Erfindungsgemäß kann der äußere Randbereich der Membran an der Innenseite der Hülse oder aber auch an der Außenseite der Hülse befestigt werden. Dabei klemmt die Hülse die Membran an die Innenseite des Gehäuseunterteils.
Mit Vorzug ist der radial äußere Teil der Membran an die Hülse, insbesondere an die Innenseite der Hülse, anvulkanisiert, angeklebt oder angeschweißt. Hierdurch wird auf relativ einfache Art und Weise eine dichte Verbindung von Membran und Hülse geschaffen.
Besteht die Membran aus einem Kunststoff, insbesondere einem Elastomer, welches zudem noch Gewebe verstärkt sein kann, dann eignet sich die Vulkanisation beziehungsweise die Verklebung von Membran und Hülse, wohingegen bei einer Ausführung der Membran aus einer Edelstahlfolie, die Verschweißung sich anbietet, sofern die Hülse ebenfalls aus Metall besteht.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der radial äußere Rand der Membran als Dichtlippe ausgebildet ist, die die Hülse in axialer Richtung und radial nach außen überragt. Auf diese Weise liegt der als Dichtlippe ausgebildete Rand der Membran unter Vorspannung an der Innenumfangsfläche des Gehäuseunterteils an und dichtet die dort gebildete Kammer gegenüber der Außenseite ab. Bei glatter Innenumfangsfläche des Gehäuseunterteils, was insbesondere bei Tiefziehteilen der Fall ist, bedarf es keiner weiteren Abdichtung.
Mit Vorteil ragt die Dichtlippe in Richtung auf den Boden des Gehäuses ab. Wird in der dort gebildeten Kammer ein Druck angelegt, verstärkt sich der Anpressdruck der Dichtlippe an die Innenumfangsfläche der Gehäuseunterseite, wodurch die Abdichtung verstärkt wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Hülse spielfrei in das Gehäuseunterteil eingesetzt, insbesondere in dieses eingepresst ist. Hierfür wird eine spezielle Einpressvorrichtung verwendet, welche die Hülse mit daran befestigter Membran verformungsfrei in das Gehäuseunterteil einschiebt. Dabei überragt die Hülse vorteilhaft das Gehäuseunterteil, so dass der überragende Abschnitt der Hülse eine Führung für das Gehäuseoberteil bildet. Die Hülse erstreckt sich somit über die beiden Ränder von Gehäuseoberteil und Gehäuseunterteil. Das Gehäuseoberteil und das Gehäuseunterteil können mit ihren Außenflächen fluchtend ineinander übergehen, was den wesentlichen Vorteil besitzt, dass sich in diesem Bereich keine Keime festsetzen können. Außerdem wird der Außendurchmesser des Membranantriebs, wie bereits erwähnt, nicht unnötig vergrößert.
Erfindungsgemäß ist das Gehäuseunterteil mit dem Gehäuseoberteil verschweißt. Dabei kann das Gehäuse aus Metall, insbesondere Edelstahl, oder Kunststoff bestehen. Auch die Hülse kann aus Metall, insbesondere aus Edelstahl, oder aus Kunststoff bestehen. Werden die beiden Gehäuseteile miteinander verschweißt, kann die aus dem gleichen Material bestehende Hülle im gleichen Schweißvorgang mit an das Gehäuse angeschweißt werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch mit einem Verfahren gelöst, welches die Merkmale des Anspruchs 14 aufweist. Dieses Verfahren besitzt den wesentlichen Vorteil, dass aufgrund des modularen Aufbaus des Membranantriebs, die Montage einfach und maschinell durchführbar ist, und die Membran exakt in das Gehäuseunterteil eingesetzt werden kann, da sie an der Hülse gegriffen und spielfrei im Gehäuse platziert werden kann. Die Rückstellfeder kann dabei im Gehäuseunterteil oder im Gehäuseoberteil angeordnet sein, je nachdem ob die Membran eine Unterdruck- oder Überdruckkammer abschließt.
Um eine dichte Verbindung von Membran und Hülse zu erzielen, wird die Membran an die Innenseite oder Außenseite der Hülse anvulkanisiert, angeklebt oder angeschweißt. Die Verbindungsart wird dabei von den Materialien der Membran und der Hülse bestimmt. Dabei wird die Hülse derart mit der Membran verbunden, dass der radial äußere Rand der Membran in axialer und radialer Richtung über die Hülse hinaussteht, so dass dieser Rand in Form einer Dichtlippe an der Innenseite des Gehäuseunterteils dichtend und mit Vorspannung anliegt.
Eine exakte Positionierung der Membran innerhalb des Gehäuses wird dadurch erreicht, dass die Hülse in das Gehäuseunterteil eingepresst wird. Hierfür wird zum Beispiel eine geeignete Pressvorrichtung verwendet, mit welcher auch bestimmte Einpresstiefen einstellbar sind. Insbesondere bei geringen Einspresskräften wird die Hülse zur Lagesicherung mit dem Gehäuse verschweißt. Dies kann erfindungsgemäß dadurch erfolgen, dass nach dem Einsetzen der Hülse in das Gehäuseunterteil das Gehäuseoberteil auf den überstehenden oberen Rand der Hülse aufgeschoben wird und beim Verschweißen von Gehäuseoberteil und Gehäuseunterteil die Hülse mit verschweißt wird. Dabei können diese Bauteile, wie bereits erwähnt, aus Kunststoff oder aus Edelstahl bestehen.
Sehr glatte Außenflächen von Gehäuseoberteil und Gehäuseunterteil können dadurch hergestellt werden, dass diese Bauteile durch Tiefziehen hergestellt werden. Hierdurch können auch sehr kleine Wanddicken realisiert werden, so dass zum einen bei gleicher Antriebsleistung geringe Außendurchmesser erzeugt werden können, zum anderen glatte Oberflächen vorhanden sind, die relativ einfach keimfrei gehalten oder dekontaminiert werden können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten sowie in der Beschreibung und in den Ansprüchen erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
In der Zeichnung zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Membranantriebs mit in Ruhelage sich befindender Membran;
2 einen Schnitt durch die Membran mit befestigter Hülse; und
3 eine vergrößerte Wiedergabe des Ausschnitts III gemäß 2.
In der 1 ist mit dem Bezugszeichen 10 ein Membrantrieb bezeichnet, mit dem eine Ventilspindel 12 in Richtung des Doppelpfeils 14 bewegt wird. Der Membranantrieb 10 besitzt ein aus einem Gehäuseoberteil 16 und einem Gehäuseunterteil 18 bestehendes Gehäuse 20, in welchem eine Membran 22 den Gehäuseinnenraum in eine erste Kammer 24 und eine zweite Kammer 26 unterteilt. In der zweiten Kammer 26 ist ein Federpaket 28 angeordnet, welches über einen Membranteller 30 die Membran 22 in einer Grundstellung hält. Die Membran 22 liegt an diesem Membranteller 30 an und besteht aus einem elastischen Material, zum Beispiel einer Edelstahlfolie oder einem gewebeverstärkten Elastomer, so dass sie sich im Bereich 32 durchbiegen und abrollen kann. Die erste Kammer 24 besitzt einen nach außen führenden Anschluss 34, über welchen der ersten Kammer ein Steuermedium, z. B. Steuerluft (Druckluft) zugeführt wird. Durch Erhöhung des Drucks in der ersten Kammer 24 wird der Membranteller 30 entgegen der Kraft des Federpakets 28 angehoben, wodurch die Ventilspindel 12 ins Gehäuse 20 eingezogen wird.
Die Membran 22 besitzt einen radial äußeren Bereich 36, welcher an der Innenseite einer Hülse 38 anliegt. Diese Hülse 38 ist mittels einer geeigneten Pressvorrichtung in das Gehäuseunterteil 18 derart eingepresst, dass sie mit einem oberen Abschnitt 40 die Oberseite des Gehäuseunterteils 18 überragt. Der Überstand des Abschnitts 40 wird mittels eines entsprechenden Anschlags an der Einpressvorrichtung eingestellt.
Der Abschnitt 40 dient als Führung für das Gehäuseoberteil 16 beim Aufsetzen auf das Gehäuseunterteil 18. Außerdem ist in 1 erkennbar, dass das Gehäuseoberteil 16 stumpf auf das Gehäuseoberteil 18 aufsitzt, so dass die Außenoberflächen fluchtend ineinander übergehen. Nach dem Fügen der Bauteile, insbesondere nach dem Aufsetzen des Gehäuseoberteils 16 auf das Gehäuseunterteil 18, werden insbesondere mittels eines Laserstrahls das Gehäuseoberteil 16, das Gehäuseunterteil 18 und die Hülse 38 miteinander verschweißt, was mit einer Schweißnaht 42 angedeutet ist. Diese Schweißnaht 42 durchdringt das Gehäuse 20 und dringt in die Hülse 38 ein, so dass das Gehäuseoberteil 16, das Gehäuseunterteil 18 und die Hülse 38 stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Aus 1 ist noch deutlich erkennbar, dass der radial äußere Rand 44 der Membran 22 als Dichtlippe 46 ausgebildet ist, die an der Innenoberfläche 48 des Gehäuseunterteils 18 dichtend und unter Vorspannung anliegt.
Die 2 zeigt einen Schnitt durch die Membran 22 mit aufgesetzter Hülse 38, wobei die Membran 22 eine Schulter 50 zur Aufnahme des unteren Endes der Hülse 38 aufweist. Eine Fixierung von Hülse 38 und Membran 22 wird dadurch erzielt, dass die Membran 22 an die Innenfläche der Hülse 38 anvulkanisiert ist. Im vergrößerten Ausschnitt III gemäß 3 ist deutlich die Schulter 50 erkennbar und ist auch erkennbar, dass die Dichtlippe 46 in radialer Richtung um den Betrag 52 und in axialer Richtung um den Betrag 54 die Hülse 38 überragt, d. h. gegenüber den Abmessungen der Hülse 38 übersteht. Die Dichtlippe 46 besitzt eine abgerundete Dichtkante 56 und ein Einstich 58 bildet ein Gelenk für die Dichtlippe 46.
Es ist deutlich erkennbar, dass die beiden Gehäuseteile 16 und 18 als Tiefziehteile mit einer geringen Dicke hergestellt werden können. Außerdem ist erkennbar, dass die Membran 22 bis an die Innenoberfläche des Gehäuses 20 herangeführt ist und daher gleiche Antriebskräfte aufbringen kann, wie eine Membran gleichen Durchmessers bei herkömmlichen Antrieben. Jedoch besitzt der erfindungsgemäße Membranantrieb 10 eine geringere Wandstärke, weshalb die Außenabmessungen kleiner sind. Außerdem ist deutlich erkennbar, dass der erfindungsgemäße Membranantrieb 10 eine glatte Außenoberfläche besitzt, so dass er problemlos keimfrei gehalten beziehungsweise einfach gereinigt werden kann. Der Einsatz in sterilen Räumen beziehungsweise in aseptischen Bereichen ist daher möglich.

Claims

Membranantrieb (10) zum Antrieb einer Ventilspindel (12), mit einem Gehäuse (20), einer Membran (22), die mit ihrem radial äußeren Bereich (32) mit dem Gehäuse (20) dicht verbunden ist und im Gehäuse (20) eine Kammer (24) schafft, einem Membranteller (30), gegen den sich die Membran (22) abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass der radial äußere Bereich (32) der Membran (22) an der Innenseite einer Hülse (38) anliegt und die Hülse (38) dicht im Gehäuse (20) fixiert ist.
Membranantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der radial äußere Bereich (32) der Membran (22) an die Innenseite der Hülse (38) anvulkanisiert, angeklebt oder angeschweißt ist.
Membranantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (22) aus Kunststoff, insbesondere einem Elastomer, vorzugsweise einem gewebeverstärkten Elastomer, oder aus Metall, insbesondere einer Edelstahlfolien, besteht.
Membranantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der radial äußere Rand (44) der Membran (22) als Dichtlippe (46) ausgebildet ist und die Hülse (38) in axialer oder in radialer Richtung überragt.
Membranantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlippe (46) in Richtung auf den Boden des Gehäuses (20) abragt.
Membranantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (38) in ein Gehäuseunterteil (18) eingesetzt, insbesondere eingepresst ist.
Membranantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (38) das Gehäuseunterteil (18) nach oben überragt.
Membranantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der das Gehäuseunterteil (18) überragende Abschnitt (40) der Hülse (38) eine Führung für das Gehäuseoberteil (16) bildet.
Membranantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseunterteil (18) und das Gehäuseoberteil (16) an ihren Außenflächen fluchtend ineinander übergehen.
Membranantrieb nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseunterteil (18) mit dem Gehäuseoberteil (16) verschweißt ist.
Membranantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (38) aus Metall, insbesondere aus Edelstahl, oder aus Kunststoff besteht.
Membranantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (38) mit dem Gehäuse (20) verschweißt ist.
Membranantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (24) eine Überdruck- oder eine Unterdruckkammer ist.
Verfahren zum Herstellen eines Membranantriebs (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem ein Gehäuseoberteil (16) und ein Gehäuseunterteil (18) aufweisendem Gehäuse (20), wobei in das Gehäuseunterteil (18) eine an ihrem radial äußeren Bereich (32) eine Hülse (38) tragende Membran (22) eingesetzt wird, und nach Einsatz weiterer Bauteile das Gehäuseoberteil (16) aufgesetzt und mit dem Gehäuseunterteil (18) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (22) an die Innenseite der Hülse (38) anvulkanisiert, angeklebt oder angeschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (22) derart mit der Hülse (38) verbunden wird, dass derer radial äußerer Rand (44) in axialer und radialer Richtung über die Hülse (38) hinaussteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (38) in das Gehäuseunterteil (18) eingepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Einpresstiefe die Vorspannung der Membran (22) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (38) mit dem Gehäuse (20) verschweißt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseoberteil (16) mit dem Gehäuseunterteil (18) verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verschweißen des Gehäuseoberteils (16) mit dem Gehäuseunterteil (18) die Hülse (38) mit dem Gehäuse (20) verschweißt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseoberteil (16) und das Gehäuseunterteil (18) durch Tiefziehen hergestellt werden.