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Die
Erfindung betrifft einen Membranantrieb zum Antrieb einer Ventilspindel,
nach der
DE 10 2007 039
395 .
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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 unter 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.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Membranantrieb
bereitzustellen, welcher auch in kritischen Umgebungen, insbesondere in
Reinräumen, eingesetzt werden kann, der zudem bei gleicher
Leistung geringere Abmessungen besitzt und der einfach herzustellen
ist.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Membranantrieb der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
der radial äußere Rand der Membran verdickt oder
wulstförmig ausgebildet ist.
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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 ist. 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. Außerdem liegt
der verdickte oder wulstförmige Rand der Membran, der bevorzugt
O-ringförmig ausgebildet ist, unter Vorspannung an der
Innenumfangsfläche des Gehäuseunterteils an und
dichtet die dort gebildete Kammer gegenüber der anderen Kammer
ab. Bei glatter Innenumfangsfläche des Gehäuseunterteils,
was insbesondere bei Tiefziehteilen der Fall ist, bedarf es keiner
weiteren Abdichtung. Wird in der dort gebildeten Kammer ein Druck
angelegt, verstärkt sich der Anpressdruck des Randes an die
Innenumfangsfläche der Gehäuseunterseite, wodurch
die Abdichtung verstärkt wird.
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Vorteilhaft
liegt auf der Innenseite des radial äußeren Randes
der Membran ein Spannring oder eine Spannhülse an. Dabei
ist der radial äußere Bereich der Membran zwischen
der Innenseite der Hülse und dem Spannring oder der Spannhülse
verspannt oder eingeklemmt. Der Rand der Membran wird dadurch exakt
geführt und an die Innenumfangsfläche der Gehäuseunterseite
angepresst. Eine Montage wird stark vereinfacht und beschleunigt,
da eine Verklebung des Randbereiches der Membran mit der Innenseite
der Hülse entfallen kann.
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Eine
optimale Fixierung des Spannrings oder der Spannhülse am
Rand der Membran erfolgt dadurch, dass der Spannring oder die Spannhülse
auf der dem Rand zugewandten Seite eine umlaufende Nut oder Sicke
aufweist, die zur teilweisen Aufnahme des Randes dient.
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Der
Spannring oder die Spannhülse weist eine im wesentlichen
S-förmige Querschnittsform auf und der radial äußere
Rand der Membran ist teilweise untergriffen. Auf diese Weise wird
die exakte Positionierung des Randes der Membran am unteren Rand
der Hülse sichergestellt.
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Vorzugsweise
besteht der Spannring oder die Spannhülse aus Metall, insbesondere
aus Edelstahl, so dass die erforderlichen Haltekräfte über
einen langen Zeitraum gewährleistet werden können. Der
Spannring oder die Spannhülse können auch aus
Kunststoff bestehen, falls der Membranantrieb z. B. in aggressiver
Umgebung oder bei aggressiven Medien eingesetzt wird.
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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.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Längsschnitt durch eine perspektivische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Membranantriebs mit in Ruhelage sich befindender Membran; und
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2 eine
vergrößerte Wiedergabe des Ausschnitts II gemäß 1.
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In
der 1 ist mit dem Bezugszeichen 10 ein Membrantrieb
bezeichnet, mit dem eine Ventilspindel 12 in die Richtungen
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.
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Die
erste Kammer 24 besitzt einen nach außen führenden
Anschluss 34, über welchen der ersten Kammer ein
Steuermedium, z. B. ein Fluid, wie 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.
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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 z. B. mittels eines entsprechenden
Anschlags an der Einpressvorrichtung eingestellt.
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Die
Einpresstiefe kann auch dadurch eingestellt werden, dass durch partielle
Aufweitung der Hülse der obere Rand der Hülse,
wie in 2 dargestellt, geringfügig radial nach
außen aufgebogen oder ausgestellt ist, und dass die Innenseiten
des Gehäuseoberteils 16 und des Gehäuseunterteils 18 angefast
sind, so dass der ausgestellte Rand auf der Fase teilweise aufsitzen
kann. Die Hülse 38 wird also so weit eingeschoben,
bis deren Rand an der Fase der Gehäuseunterteils 18 anliegt.
Bei aufgesetztem Gehäuseoberteil 16, dessen unterer
Rand radial innen ebenfalls angefast ist, ist zudem die Hülse 38 gegen
Verschieben formschlüssig fixiert.
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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.
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Aus 1 ist
noch deutlich erkennbar, dass der radial äußere
Rand 44 der Membran 22 wulstförmig, insbesondere
O-ringförmig ausgebildet ist und an der Innenoberfläche 48 des
Gehäuseunterteils 18 dichtend und unter Vorspannung
anliegt.
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Die 2 zeigt
eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts II
gemäß 1 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 gepresst wird. Hierfür dient
ein Spannring 60 oder eine Spannhülse. Dieser
Spannring 60 umfasst die radiale Innenseite des O-ringförmigen
Randes 44 sowie einen Tel des radial äußeren
Bereichs 36 der Membran 22. Es ist deutlich erkennbar,
dass der Spannring 60 einen im westlichen S-förmigen
Querschnitt aufweist und eine Sicke 62 besitzt, die zur
teilweisen Aufnahme des Randes 44 dient. Hierdurch wird
eine exakte Positionierung des Spannringes 60 am Rand 44 der Membran 22 gewährleistet.
Außerdem ist der Durchmesser des Spannringes 60 so
bemessen, dass der radial äußere Bereich 36 der
Membran 22 zwischen der Hülse 38 und
dem Spannring 60 geklemmt wird. Der obere, nach innen gezogene
Rand 64 erlaubt einen leichten Einschub des Spannringes 60 in
den nach unten gewölbten radial äußeren
Bereich 36 der Membran 22.
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Beim
Einsetzen oder Einschieben der Hülse 38 und mit
dem Spannring 60 geklemmter Membran 22 in das
Gehäuseoberteil 18 wird der Rand 44 verformt
und der das Gehäuseoberteil 18 schneidende Teil 66 des
Randes 44 verdrängt und zwischen dem Gehäuseoberteil 18 und
dem Spannring 60 verquetscht und bildet eine optimale Dichtung.
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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. Schließlich ist der
Membranantrieb 10 schnell montierbar, da die Membran 22 nicht
verklebt werden muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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