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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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Aus der
US 5 259 292 A ist ein auf Unterdruck basierender Membranantrieb bekannt, bei welchem der radial äußere Rad der Membran verdickt ist. Die Befestigung der Membran am Gehäuse ist jedoch aufwändig und schwierig. Insbesondere die Klemmung der Membran. Zudem besitzt das Gehäuse einen umlaufenden Bördel, der bei einer Anwendung der Vorrichtung in Reinräumen abzulehnen ist.
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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 gelöst, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
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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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Erfindungsgemäß 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.
