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Die Erfindung betrifft ein Membranventil sowie eine Membran zum Einbau in ein solches Membranventil.
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Membranventile sind bekannt. Sie werden häufig beispielsweise im Analysebereich eingesetzt, wenn eine Medientrennung erwünscht ist. Das bedeutet, dass ein medienberührtes Fluidgehäuse von einem Antrieb durch eine Membran fluidisch getrennt ist, sodass kein Medium in den Antrieb gelangen kann. Die Membran ist auf einer vom Fluidgehäuse abgewandten Seite mit einem Betätigungselement verbunden, das wiederum mit dem Antrieb zusammenwirkt.
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Es ist auch bekannt, die Membran zwischen zwei Gehäuseteilen einzuspannen. Dafür ist üblicherweise in jedem Gehäuseteil eine Kontur, wie zum Beispiel eine Nut, zur Aufnahme eines Membranbefestigungsabschnitts vorgesehen.
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Im Fertigungsprozess dieser Membranventile ist die Herstellung jeder Kontur mit einem Aufwand an Zeit und Kosten verbunden.
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Außerdem sind Membranventile in der Regel nur für einen Druckbereich bis ca. 10 bar einsetzbar. Bei höheren Drücken neigen diese Ventile zu Undichtigkeit.
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Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Membranventil und eine Membran für ein Membranventil bereitzustellen, die auch bei Drücken oberhalb von 10 bar noch zuverlässig arbeiten.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 17 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes Membranventil weist ein erstes und ein zweites Ventilgehäuseteil und eine zwischen den Ventilgehäuseteilen eingespannte Membran mit einem randseitig umlaufenden Wulst und einem daran radial innenseitig angrenzenden dünnen, axial bewegbaren, vorzugsweise plattenförmigen Membranabschnitt auf, wobei sich der Wulst an beiden Ventilgehäuseteilen abstützt. Dabei ist der Wulst an einer radialen Innenseite hinterschnitten. Dadurch ist eine axiale Anlagefläche des Wulstes an einem der Ventilgehäuseteile vorteilhaft vergrößert, was die Dichtwirkung erhöht. Ferner wird durch die Hinterschneidung durch den Fluiddruck eine axiale Dichtkraft erzeugt, sodass sich eine Selbstverstärkung der Dichtwirkung ergibt.
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In einer Ausführungsform hat der Wulst eine axiale Stirnseite und weist am Übergang der Stirnseite zur hinterschnittenen Seitenfläche eine radial innere Dichtlippe auf. Die Dichtlippe stützt sich an einem der beiden Ventilgehäuseteile ab. Die radial innere Dichtlippe an der Stirnseite am Übergang zur hinterschnittenen Seitenfläche bewirkt, dass bei Druckbeaufschlagung der Membran zumindest eine Druckkraft-Komponente auf die Dichtlippe wirkt und diese in Axialrichtung an das benachbarte Ventilgehäuseteil drückt und somit Undichtigkeit entgegengewirkt wird. Damit wird die Dichtwirkung bei Druckbeaufschlagung sogar verstärkt. Erfindungsgemäße Membranventile können ohne Dichtheitsprobleme bei einem Druck von mindestens bis zu 30 bar sicher betrieben werden.
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Vorteilhafterweise ist die radial innere Dichtlippe der radial innenliegendste Abschnitt des Wulstes, wodurch fast die gesamte Kraft, die in Axialrichtung wirksam ist oder durch den Fluiddruck in der Hinterschneidung entsteht, auf die innere Dichtlippe einwirkt.
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Vorzugsweise ist die axiale Stirnseite des Wulstes flach ausgeführt.
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Die bevorzugte Ausführungsform sieht ferner vor, dass die Stirnseite auf einem ebenen Abschnitt eines der Gehäuseteile anliegt.
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In einer Ausführungsform verläuft die hinterschnittene Seitenfläche im Radialschnitt gesehen in einem spitzen Winkel zur Axialrichtung radial nach außen und ferner zu einem Übergang des Wulstes zum angrenzenden Membranabschnitt. Damit hat die hinterschnittene Seitenfläche eine Kegelstumpfform.
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Bevorzugterweise liegt die axiale Stirnseite des Wulstes in einer Trennebene der Ventilgehäuseteile.
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Die Stirnseite des Wulstes hat eine umlaufende axiale, freiliegende Kerbe, sodass sich eine radial innere und eine radial äußere Dichtlippe ausbilden. Die radial innere und äußere Dichtlippe stützen sich beide am selben Ventilgehäuseteil ab und werden beim Einspannen zwischen den Ventilgehäuseteilen radial in entgegengesetzte Richtungen auseinander gedrückt. Das hat den Vorteil, dass eine Membran, die im nicht eingebauten Zustand einen Wulst mit einer radialen Seitenfläche aufweist, die parallel zur Axialrichtung ist, im verbauten Zustand so verpresst wird, dass sich dann erst die vorteilhafte radial hinterschnittene Seitenfläche ausbildet. Membrane mit einem Wulst ohne hinterschnittener Seitenfläche lassen sich wesentlich einfacher herstellen.
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Die innere Lippe weist bevorzugter Weise einen scharfkantigen Rand auf. Diese scharte Kante verhindert, dass sich zwischen Membran und Gehäuseteil an der inneren Dichtlippe ein sogenannter „Totraum” ausbildet, in dem sich eventuell Reste des Mediums ablagern könnten, die bei einem Spülvorgang dort unerwünscht verbleiben könnten. Das muss vor allem bei Anwendungen im Analysebereich oder in der Medizintechnik ausgeschlossen werden.
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In einer Ausführungsform ist am ersten Ventilgehäuseteil eine Ausnehmung zur Aufnahme des die Membran aufweisenden Wulstes vorgesehen. Mit der Ausnehmung wird dem Wulst ein definierter Raum zur Verfügung gestellt, über deren Geometrie sich eine erwünschte Verpressung einstellen lässt. Das andere Ventilgehäuseteil kann gegebenenfalls ohne Ausnehmung für den Wulst ausgeführt sein.
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Es hat sich als günstig herausgestellt, wenn der an den Wulst angrenzende Membranabschnitt den Wulst in zwei Hälften teilt und die Ausnehmung diejenige Hälfte des Wulstes aufnimmt, die ohne hinterschnittene Seitenfläche ausgebildet ist. Die Ausnehmung ist vorteilhaft in dem Ventilgehäuseteil angeordnet, das zu einem Ventilantrieb benachbart ist. Damit zeigt die hinterschnittene Seitenfläche in Richtung zu fluidischen Anschlüssen, ist dem anstehenden Mediumsdruck ausgesetzt und bewirkt, wie oben beschrieben, die zuverlässige Dichtheit auch bei höheren Drücken.
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In einer Ausführungsform weist die Ausnehmung radial innenseitig einen axial in Richtung zur Trennebene ragenden umlaufenden Fortsatz auf. Der Fortsatz wirkt sich vorteilhaft auf die Stabilität der Verbindung der zwei Gehäuseteile und der Membran aus. So wird verhindert, dass sich bei Druckbelastung der Membran unerwünscht deren Wulst aus der Ausnehmung heraus bewegen könnte.
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Das zweite Ventilgehäuseteil ist günstigerweise zumindest im Bereich der Trennebene der beiden Ventilgehäuseteile im Wesentlichen eben ausgebildet. Das bedeutet, dass das zweite Ventilgehäuseteil ohne spezielle Dichtkontur einfach und kostengünstig hergestellt werden kann, beispielsweise durch Fräsen. Außerdem können so auf einfache Weise mehrere Ventile auf einer gemeinsamen ebenen Platte nebeneinander zum Beispiel in Reihen montiert werden.
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Die Membran ist vorteilhaft ausschließlich axial zwischen den Ventilgehäuseteilen geklemmt, wodurch der an den Wulst angrenzende Membranabschnitt vom Klemmbereich ausgespart ist, sodass für die Membran eine hohe Flexibilität gewährleistet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Wulst im nicht geklemmten Zustand einen im Wesentlichen dreiecksförmigen Querschnitt. Diese geometrische Ausgestaltung der Membran weist bereits im nicht montierten Zustand eine hinterschnittene Seitenfläche auf, was zwar schwieriger beim Herstellungsprozess der Membran ist, aber den oben beschriebenen Effekt der sicheren Abdichtung bei höheren Drücken optimiert.
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Es ist aber auch möglich, den Wulst der Membran mit senkrechten Seitenflächen zu versehen, wobei sich die hinterschnittene Seitenfläche erst durch das Verpressen des Wulstes zwischen den Gehäuseteilen beim Montieren der Membran ausbildet.
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Außerdem wird durch die Erfindung eine Membran zum Einbau in einem Membranventil zur Verfügung gestellt, wobei die Membran einen randseitig umlaufenden Wulst und einen daran angrenzenden dünnen, axial bewegbaren Membranabschnitt aufweist und der Wulst eine axiale Stirnseite mit einer umlaufenden axialen Kerbe hat, sodass sich eine radial innere und eine radial äußere Dichtlippe ausbildet. Durch diese geometrische Ausgestaltung der Membran ist die Membran dazu geeignet, in Membranventilen auch Drücke von 30 bar sicher abzudichten.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine radiale Schnittansicht durch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Membranventils mit einer darin eingespannten erfindungsgemäßen Membran;
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2 und 3 radiale Schnittansichten durch eine erste und zweite Ausführungsform eines Ventilgehäuses eines erfindungsgemäßen Membranventils mit erfindungsgemäßer Membran;
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4 bis 6 radiale Schnittansichten von weiteren Ausführungsformen erfindungsgemäßer Membranen als Teile erfindungsgemäßer Membranventile; und
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7 eine radiale Schnittansicht durch einen Ausschnitt eines Ventilgehäuses eines erfindungsgemäßen Membranventils entsprechend 3 mit einer Membran gemäß 6.
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In 1 ist eine Schnittansicht durch einen Teil eines Ventilgehäuses 10 eines Membranventils mit einem ersten Ventilgehäuseteil 12, einem angrenzenden zweiten Ventilgehäuseteil 14 und einer dazwischen eingespannten Membran 16 dargestellt.
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Die Membran 16 weist randseitig einen umlaufenden Wulst 18 und einen einstückig daran angrenzenden, dünnen, plattenförmigen Membranabschnitt 20 auf. Der dünne Membranabschnitt 20 ist flexibel und bei Druckbeaufschlagung axial bewegbar.
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Der Wulst 18 stützt sich an den Ventilgehäuseteilen 12, 14 ab.
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Der axial gegenüber dem Abschnitt 20 vorstehende Wulst 18 ist auf einer radialen Innenseite 22 hinterschnitten.
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Das erste Ventilgehäuseteil 12 ist einem Antrieb A benachbart. Auf der Seite der Membran 16, die in Richtung zum Antrieb A weist, ist die Membran 16 auf bekannte Weise mit einem Ventilbetätigungselement (hier eines Magnetankers) fest verbunden, das mit dem Antrieb A zusammenwirkt. Die Membran 16 kann beispielsweise an einem magnetischen Anker 21 befestigt sein, der in einer Spule 23 des Antriebs A axial verschiebbar angeordnet ist. Im Bereich des Ankers 21 hat die Membran 16 einen stempelartigen Wulst, der mit dem Anker 21 verbunden ist und der vom dünnen Membranabschnitt 20 ringförmig umgeben ist.
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Das zweite Ventilgehäuseteil 14 gehört zu einem Fluidgehäuse, in das mindestens ein Fluidkanal 25 ragt. Am Fluidkanal 25 kann der Membran gegenüberliegend ein Ventilsitz 27 angeordnet sein, der von der Membran 16 je nach Schaltstellung des Ventils freigegeben oder verschlossen werden kann.
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Im Ventil steht auf der Seite der Membran 16, die zum zweiten Ventilgehäuseteil 14 benachbart ist, ein Medium an, das zum Beispiel über den Kanal 25 zuströmt.
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Der Wulst 18 (siehe 2) hat eine axiale, ebene Stirnseite 24, die an dem Gehäuseteil 14 anliegt und am Übergang zur hinterschnittenen Seitenfläche 22 eine radial innere Dichtlippe 26 aufweist. Die axiale Stirnseite 24 ist vorzugsweise flach ausgebildet.
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Die innere Dichtlippe 26 ist vorteilhafterweise der radial am weitesten innenliegende Abschnitt des Wulstes 18.
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Diese Dichtlippe 26 stützt sich am zweiten Ventilgehäuseteil 14 ab und wird in der dargestellten Einbausituation gegen dieses Gehäuseteil gepresst. Bei anstehendem Mediumsdruck wird die Dichtlippe 26 weiter an das zweite Ventilgehäuseteil 14 gedrückt, da bei dieser geometrischen Anordnung immer zumindest eine Druckkraftkomponente im hinterschnittenen Teil in Axialrichtung durch den Fluiddruck wirksam ist. Dadurch wird verhindert, dass sich die axiale Stirnseite 24 vom zweiten Gehäuseteil 14 ablösen könnte, was unerwünscht zu Undichtigkeit führen würde.
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Im ersten Ventilgehäuseteil 12 (siehe 1 und 2) ist eine Ausnehmung 28 zur Aufnahme des Wulstes 18 angeordnet. Das zweite Ventilgehäuseteil 14 ist dagegen zumindest im Bereich einer Kontakt- oder Trennebene 30 der beiden Ventilgehäuseteile 12, 14 im Wesentlichen eben ausgebildet. Das hat den Vorteil, dass nur eine Dichtkontur in einem Ventilgehäuseteil benötigt wird, was die Herstellkosten senkt und sich vor allem bei einer Miniaturisierung von Membranventilen günstig auswirkt. So hat man mit dem Gehäuseteil 14 im Bereich der Membranbefestigung im Ventil ein nicht mit Toleranzen behaftetes Teil.
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Der Wulst 18 liegt mit seiner Außenseite vollflächig an der zylindrischen Seitenfläche 29 der Ausnehmung 28 an.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass das Ventilgehäuseteil 14 als Anschlussplatte ausgebildet sein kann, auf der mehrere Ventile in einfacher Weise aneinander gereiht werden können.
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Durch die geometrische Gestaltung der Ausnehmung 28, beispielsweise durch Variieren der Ausnehmungshöhe und/oder -tiefe kann eine gewünschte Komprimierung des Wulstes 18 in axialer und radialer Richtung eingestellt werden.
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In der Ausführungsform nach 2 liegen die Stirnseite 24 sowie die umlaufende, radial äußere Seitenfläche 29 vollflächig an den Gehäuseteilen 12, 14 an.
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Die axiale Stirnseite 24 des Wulstes 18 liegt in der Trennebene 30 der beiden Ventilgehäuseteile 12, 14.
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3 zeigt ein Schnittbild durch eine zweite Ausführungsform eines Ventilgehäuses 10 mit der Membran 16.
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Im Unterschied zu 2 hat die Ausnehmung 28 in 3 radial innenseitig einen axial in Richtung zur Trennebene 30 ragenden umlaufenden Fortsatz 32. Durch den Fortsatz 32 wird die Stabilität der Verbindung zwischen den Ventilgehäuseteilen 12, 14 und der Membran 16 erhöht. Bei dieser Ausführungsform reicht deshalb eine kleinere axiale Kompressionskraft des Wulstes 18 aus, um die Membran 16 auch bei Druckbeaufschlagung sicher zwischen den Ventilgehäuseteilen 12, 14 zu halten.
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Der Fortsatz 32 weist im Schnittbild betrachtet an seinem zur Membran 16 weisenden Ende eine im Wesentlichen halbkreisförmige Kontur auf. Dadurch schmiegt sich der an den Wulst 18 angrenzende Membranabschnitt 20 bei Druckbeaufschlagung an den Fortsatz 32 an, wodurch das Risiko einer Rissbildung der Membran 16 minimiert ist.
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Selbstverständlich kann der Fortsatz 32 an seinem Ende auch eine andere Geometrie aufweisen. Allerdings ist es günstig, dabei scharfe Kanten zu vermeiden.
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Ein weiterer Unterschied der in 3 dargestellten zu der vorherigen Ausführungsform betrifft den Wulst 18 der Membran 16. Der Wulst 18 weist an seiner axialen Stirnseite 24 eine umlaufende axiale Kerbe 34 auf, sodass sich die radial innere Dichtlippe 26 und eine radial äußere Dichtlippe 36 ausbilden.
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Je nach Verpressungsgrad des Wulstes 18 kann die axiale Kerbe 34 mehr oder weniger stark ausgeprägt sein, oder es gibt wie in der Ausführungsform entsprechend 1 keine Kerbe.
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Vorteilhafterweise ist die Form des Wulstes 18 so gewählt und die Kerbe 34 so tief, dass bei Aufbringen eines axialen Drucks auf den Wulst 18 beim Montageprozess der Wulst 18 an seiner radialen Innenseite einen Hinterschnitt aufweist.
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Die vorteilhafte hinterschnittene Seitenfläche 22 des Wulstes 18 im Ventilgehäuse 10 kann also entweder schon an der Membran 16 bereits im nicht eingebauten Zustand ausgebildet sein oder sich erst beim Montageprozess ausbilden.
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Im Folgenden werden beispielhaft unterschiedliche Ausführungsformen der Membran 16 in nicht eingebautem Zustand beschrieben.
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In 4 ist ein Schnittbild einer Membran 16 mit Wulst 18 und den daran angrenzenden dünnen Membranabschnitt 20 dargestellt. Der Membranabschnitt 20 teilt den Wulst 18 in zwei Hälften 38, 40. In montiertem Zustand stützt sich die Hälfte 38 am ersten Ventilgehäuseteil 12 ab und die axiale Stirnseite 24 der Hälfte 40 am zweiten Ventilgehäuseteil 14. Die Hälfte 40 weist an ihrer axialen Stirnseite 24 die umlaufende axiale, freiliegende Kerbe 34 auf, sodass sich die radial inneren und äußeren Dichtlippen 26 bzw. 36 ausbilden. Die radiale Innenseite 22 der Hälfte 40 ist ohne Hinterschnitt ausgebildet. Dieser bildet sich erst beim Montageprozess zwischen den beiden Ventilgehäuseteilen 12, 14 aus. Durch den axialen Druck in eingebautem Zustand werden die Dichtlippen 26, 36 radial in entgegengesetzte Richtungen gedrückt, sodass sich der Hinterschnitt an der Innenseite 22 bildet.
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Im Unterschied zu 4 zeigt 5 eine Schnittansicht einer Membran 16, die bereits im nicht montierten Zustand an ihrer radialen Innenseite 22 hinterschnitten ist. Der Herstellprozess von Teilen mit Hinterschnitt ist schwieriger als bei Teilen ohne Hinterschnitt. Der Vorteil der Membran 16 mit Hinterschnitt ist, dass der Wulst 18 weniger stark verpresst werden muss.
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Die Ausführungsform der Membran 16 entsprechend 6 weist an der inneren Lippe 26 des Wulstes 18 einen scharfkantigen Rand 42 auf.
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7 zeigt eine Schnittansicht der Membran 16 gemäß 6 in eingebautem Zustand. Der scharfkantige Rand 42 bewirkt, dass die innere Dichtlippe 26 axial vollständig am Ventilgehäuseteil 12 aufliegt, sodass sich kein „Totraum”, wie in 3 (Ausführungsform ohne scharfkantigen Rand) erkennbar, ausbildet.
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Die unterschiedlichen Ausführungsformen der Membran 16 können mit den unterschiedlichen Ausführungsformen der Ventilgehäuse 10 beliebig kombiniert werden. Es sind nicht alle Kombinationsmöglichkeiten in Zeichnungen dargestellt.
