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Die Erfindung betrifft Membranventil mit einem Gehäuseunterteil und einem Gehäuseoberteil, wobei das Gehäuseunterteil einen Aufnahmebereich zur Aufnahme einer Membran aufweist und das Gehäuseoberteil eine Betätigungseinrichtung zur Betätigung des Ventils aufnimmt, wobei im Gehäuseunterteil wenigstens ein Eingang mit kreisförmigem Querschnitt und wenigstens ein Ausgang mit kreisförmigem Querschnitt vorgesehen sind, wobei der wenigstens eine Eingang und der wenigstens eine Ausgang durch einen den Eingang und den Ausgang einschließenden Strömungskanal miteinander verbunden sind, welcher in einem zentralen Bereich unterhalb der Membran durch die Membran verschließbar ist, wobei die Querschnittsfläche des Strömungskanals über seiner gesamten Länge konstant ausgebildet ist
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Membranventile sind seit langem bekannt und zeichnen sich durch einen einfachen konstruktiven Aufbau aus. Sie sind für nahezu alle Medien (auch feststoffhaltige) geeignet und mit wenig Verschleiß behaftet, da kaum Relativbewegungen im Dichtsystem auftreten.
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Von Nachteil bei den üblichen Bauformen von Membranventilen ist jedoch, dass sich der Querschnittsverlauf des Strömungskanales über seiner Länge vom Eingang bzw. vom Ausgang bis zum zentralen Ventilbereich stark verändert, was zu beachtlichen Druckverlusten, zu ungewünschter Geräuschentwicklung und ggf. auch zu Kavitation führen kann.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile ist aus
EP 2 236 874 B1 bereits ein Membranventil bekannt geworden, bei welchem die ovale Querschnittsfläche des Strömungskanales im zentralen Bereich des Gehäuseunterteils im geöffneten Zustand des Ventils konstant ist. Die Querschnittsfläche dieses Membranventils ist somit im zentralen Bereich konstant, aber kleiner als im Eingangs- und Ausgangsbereich, so dass es auch bei diesem Ventil noch zu Druckverlusten kommt.
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Aus
DE 10 2004 001 045 A1 ist ein Membranventil bekannt, bei dem die Querschnittsfläche in Abhängigkeit vom Strömungsweg durch das Ventil vom Gehäuseeingang bis zum Dichtsteg kontinuierlich abnimmt und anschließend vom Dichtsteg bis zum Gehäuseausgang wieder kontinuierlich zunimmt. Auch bei diesem Membranventil treten deshalb unvermeidlich nennenswerte Druckverluste auf.
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Aus
DE 1 500 279 B ist ein Membranventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt, bei welchem die Querschnittsfläche des Strömungskanales über seiner gesamten Länge konstant ausgebildet ist. Dies soll dadurch erreicht werden, dass der Strömungskanal ausgehend von seinen kreisrunden Einlass- und Auslassöffnungen in Richtung auf die Membran mehr und mehr oval abgeflacht ausgebildet ist. Wie genau dies geschehen soll, ist der Offenbarung dieser Druckschrift nicht zu entnehmen, die in
4 der Druckschrift gezeigte Darstellung mit abgeflachtem Ventilsitz
10 in Verbindung mit der gekrümmten Oberfläche der Membran
5 lässt vermuten, dass tatsächlich zumindest in diesem Bereich kein konstanter Querschnitt gegeben ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Membranventil so weiter zu entwickeln, dass bei Beibehaltung geringer Druckverluste das Ventil auch in der Haustechnik unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten einsetzbar ist und den Vorgaben der Trinkwasserverordnung entspricht, wobei es möglichst einfach und reproduzierbar herstellbar sein soll.
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Diese Aufgabe wird bei einem Membranventil der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich der Querschnitt des Strömungskanals jeweils ausgehend vom Eingang und vom Ausgang bis zur Mitte des zentralen Bereiches von der Kreisform in eine über der Länge des Strömungskanales immer flacher werdende Ellipse verändert, und dass der Steigungswinkel zwischen der Längsachse des Strömungskanals am Eingang und dem höchsten Punkt der Strömungskanalwandung im Gehäuseunterteil in der Mitte des zentralen Bereiches zwischen 15° und 20° liegt.
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Anders als bei bisher bekannten Membranventilen wird erfindungsgemäß somit ein Membranventil bereitgestellt, dessen Querschnittsfläche sich über der gesamten Länge des Strömungskanales nicht verändert, sondern gleich bleibt, wodurch Druckverluste weitestgehend vermieden werden können. Außerdem wird unverändert von den Vorteilen eines Membranventils Gebrauch gemacht, das Ventil eignet sich aufgrund der Totraumfreiheit auch für die Haustechnik und entspricht den Vorgaben der Trinkwasserverordnung (Legionellen-Problematik).
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Durch die eindeutige Angabe einer elliptischen Form lässt sich eine einfache und reproduzierbare Herstellung des Strömungskanales realisieren, d.h. entlang des gesamten Strömungskanales ist eine genaue geometrische Definition und damit eine eindeutige Herstellbarkeit der jeweiligen Ellipsenform möglich, da diese eindeutig durch die jeweilige Größe ihrer beiden Halbachsen und die Vorgabe der konstanten Durchströmungsfläche bestimmt ist. Außerdem ist durch die Vorgabe des Steigungswinkelbereiches zwischen der Längsachse am Eingang des Strömungskanales und dem höchsten Punkt der Strömungskanalwandung im Gehäuseunterteil in Abhängigkeit von der jeweils zur Verfügung stehenden Einbaulänge für das Membranventil die Dimensionierung des Strömungskanales, insbesondere im Bereich des höchsten Punktes bestimmt.
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Um eine wirtschaftliche Realisierung des Membranventils zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass die maximale Breite des ellipsenförmigen Strömungskanals in der Mitte des zentralen Bereiches vorgebbar ist. Es wird also eine maximale Breite festgelegt, aus der sich in Verbindung mit den anderen Parametern (Steigungswinkel, Rohrleitungsdurchmesser) die maximale Baulänge des Ventils ergibt.
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In bevorzugter weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in wenigstens einem Eingang und/oder in wenigstens einem Ausgang außenrandseitig eine ringförmige Aussparung ausgebildet ist, in welche ein Ring eingesetzt ist, dessen Innenquerschnittsfläche der Querschnittsfläche des Strömungskanals entspricht. Diese Weiterbildung bietet die weitere bevorzugte Möglichkeit, dass an wenigstens einer Seite des Membranventils der Ring als Rückschlagventil ausgebildet sein kann, d.h. das Membranventil kann auf einfache Weise mit einem Rückschlagventil ausgerüstet werden. Dies ist auf beiden Ventilseiten möglich, je nachdem, auf welcher Seite ein Rückschlagventil in die ringförmige Aussparung des Eingangs bzw. Ausgangs eingesetzt wird.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass das Gehäuseoberteil und das Gehäuseunterteil kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Durch den Kraftschluss wird erreicht, dass die Konstruktion ohne weitere Sicherungshilfen auskommt. Das Gehäuseoberteil wird mittels Sechskant auf das Gehäuseunterteil bis zum Erreichen des Kraftschlusses von Hand (Gabelschlüssel) angezogen. Dieser Kraftschluss dient gleichzeitig als spaltfreie Montage der Gehäuseteile und der benötigten Verpressung der Membran.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
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1 eine Seitenansicht auf ein Membranventil,
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2 einen Schnitt durch das Membranventil nach 1,
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3 einen Längsschnitt durch einen Teil des Membranventils mit Strömungskanal,
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4 eine perspektivische Darstellung des Gehäuseunterteils des Membran ventils,
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5 den Querschnittsverlauf über der Ventillänge von herkömmlichen Membranventilen und vom erfindungsgemäßen Membranventil und in
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6 den Verlauf der Breite des Querschnittes des Strömungskanales in Ab hängigkeit von der Ventillänge.
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Ein erfindungsgemäßes Membranventil ist in 1 allgemein mit 1 bezeichnet. Dieses Membranventil 1 weist ein Gehäuseunterteil 2 und ein auf dieses aufschraubbares Gehäuseoberteil 3 auf. Das Gehäuseunterteil 2 weist einen Aufnahmebereich zur Aufnahme einer Membran 4 auf, dieser Aufnahmebereich ist von einem ringförmigen Ansatz 5 des Gehäuseunterteils 2 begrenzt, welcher mit einem Außengewinde 6 versehen ist, das mit einem korrespondierenden Innengewinde 7 des Gehäuseoberteils 3 korrespondiert, derart, dass das Gehäuseoberteil 3 auf das Gehäuseunterteil 2 aufschraubbar ist, so dass in aufgeschraubter Lage (1) im Bereich 8 ein Kraftschluss zwischen dem Gehäuseoberteil 3 und dem Gehäuseunterteil 2 entsteht. Alternativ kann der ringförmige Ansatz 5 auch ein Innengewinde aufweisen, in welches das Gehäuseoberteil 3 mit einem Außengewinde einschraubbar ist. Diese Variante ist zeichnerisch nicht dargestellt.
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Zum Aufschrauben auf das Gehäuseunterteil 2 weist das Gehäuseoberteil 3 oberseitig z.B. einen Sechskant 9 auf.
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Das Gehäuseoberteil 3 umschließt ein die Membran 4 außenrandseitig innerhalb des Aufnahmebereiches am Gehäuseunterteil 2 haltendes Innengehäuse 10. Die Membran 4 selbst ist mit ihrem Ventildom 11 über einen nicht dargestellten Membranhalter und ein Druckstück an einer Ventilstange 12 befestigt, die mit einem Außengewinde 13 versehen ist und eine Bohrung 14 im Zentrum des Gehäuseoberteils 3 durchdringt, welche ein korrespondierendes Innengewinde 15 aufweist. Die Ventilstange 12 ragt aus dem Gehäuseoberteil 3 nach außen heraus und ist mit einem nicht dargestellten Handrad oder dgl. verbunden, so dass durch Drehen der Ventilstange 12 in die eine oder andere Richtung die Membran in eine Öffnungs- oder Verschlussposition gebracht werden kann. Anstelle dieser manuellen Betätigungseinrichtung kann die Ventilstange 12 auch Bestandteil eines pneumatischen Ventilantriebs sein.
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Das Gehäuseunterteil 2 weist wenigstens einen Eingang 16 und wenigstens einen Ausgang 17 auf, wobei, wie am besten aus 3 hervorgeht, der wenigstens eine Eingang 16 und der wenigstens eine Ausgang 17 durch einen den Eingang 16 und den Ausgang 17 einschließenden Strömungskanal 18 miteinander verbunden sind, welcher in einem zentralen Bereich 19 unterhalb der Membran 4 durch die Membran 4 verschließbar ist.
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Wesentlich für die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Membranventils 1 ist nun, dass die Querschnittsfläche des Strömungskanales 18 über seiner gesamten Länge konstant ausgebildet ist. Dabei verändert sich der Strömungskanal 18 jeweils ausgehend vom Eingang 16 und vom Ausgang 17 bis zur Mitte des zentralen Bereiches 19 von der Kreisform in eine über der Länge des Strömungskanales 18 immer flacher werdende Ellipse.
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Die kreisförmige Querschnittsfläche des Strömungskanales 18 bei Ventillänge 0 (im Bereich des kreisförmigen Einganges 16) wird konstant in Abhängigkeit von der Ventillänge VL + X in eine Ellipse überführt bis die maximale Breite der Ellipse bmax wirtschaftlich bei Ventillänge 50 % erreicht ist (4). Ab diesem Ort wird die Ellipse wieder in den kreisförmigen Rohrleitungsquerschnitt zurückgeführt (im Bereich des Ausgangs 17). X ist das Ergebnis aus der maximalen Baulänge und dem Steigungswinkel α zwischen der Längsachse des Strömungskanales 18 und dem höchsten Punkt 20 der Strömungskanalwandung im Gehäuseunterteil 2 in der Mitte des zentralen Bereiches 19. Dieser Steigungswinkel α liegt im Bereich zwischen 15 und 20° und ist von der Dimension der Rohrleitung abhängig, welche am Eingang 16 bzw. der Ausgang 17 des Membranventils 1 angeschlossen wird. Der Eingang 16 und/oder der Ausgang 17 weisen eine ringförmige Aussparung 22, in welche ein nicht dargestellter Ring eingesetzt ist, der als Rückschlagventil ausgebildet sein kann. Die Innenquerschnittsfläche des Ringes entspricht dabei der konstanten Durchschnittsfläche des Strömungskanales 18.
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4 zeigt die maximale Breite bmax der elliptischen Querschnittsfläche des Strömungskanales im zentralen Bereich. Die Querschnittsfläche A ist konstant über der gesamten Länge des Strömungskanales 18.
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6 zeigt den Verlauf der Ellipsenbreite b in Abhängigkeit von VL (Ventillänge). Die Punkte I. bis V. entlang des Strömungskanales 18 in den 3 und 6 beschreibt folgende Funktionen:
- Punkt I. bis Punkt II.:
Kreisförmige Querschnittsfläche mit gegenüber der Strömungskanalquerschnittsfläche vergrößertem Durchmesser zwecks Einbau des nicht dargestellten Ringes.
- Punkt II. bis Punkt III.:
Strecke für den Fertigungsprozess.
- Punkt IV:
Sprunghafter Anstieg der Ellipsenbreite b
- Punkt V. (zentraler Bereich):
Maximale Ellipsenbreite bmax wirtschaftlich.
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5 zeigt das Verhältnis der Querschnittsfläche Ventil/Rohrleitung QVR über der Ventillänge VL jeweils in %. Q1 ist der Verlauf von herkömmlichen Membranventilkonstruktionen nach dem Stand der Technik, Q2 der Querschnittsverlauf von strömungsoptimierten Membranventilkonstruktionen, z.B. gemäß
EP 2 236 874 B1 und Q3 der Querschnittsverlauf eines erfindungsgemäßen Membranventils
1. Erkennbar bewirkt der Querschnittsverlauf Q3 zum Querschnittsverlauf Q1 mindestens eine Verdoppelung der KV-Werte und zum Querschnittsverlauf Q2 eine nochmalige Steigerung bis zu 25 %. Dies führt zu einem schonenderen Mediumtransport, da die Fließgeschwindigkeit in der Rohrleitung und in dem Membranventil annähernd konstant ist und zu einer signifikanten Absenkung der Geräuschentwicklung.
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Das erfindungsgemäße Membranventil stellt ausgehend von der maximalen Ellipsenbreite bmax wirtschaftlich den Gehäusedurchmesser und die Durchflussgeometrie in ein wirtschaftliches Verhältnis (Materialeinsatz und Bauform). Die so entstehende Flächenbelastung 21 (2) ist die mathematische Größe für die mechanische Berechnung (Konstruktion) der Komponenten-Innengehäuse 10, Gehäuseoberteil 3, Gewinde 6, 7 und Membran 4. Alle vier vorgenannten Komponenten sind in ihrer Bauform, Anordnung und Toleranzen so abgestimmt, dass bei bmax wirtschaftlich ein Betriebsdruck von Pmax erreicht wird (2).
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Durch den Kraftschluss im Bereich 8 der in 1 dargestellt ist, wird erreicht, dass die Konstruktion ohne weitere Sicherungshilfen auskommt. Das Gehäuseoberteil 3 wird mittels Sechskant 9 auf das Gehäuseunterteil 2 bis zum Erreichen des Kraftschlusses im Bereich 8 von Hand (Gabelschlüssel) angezogen. Der Kraftschluss wird über die kreisförmige Ringfläche des Gehäuseoberteils 3 und des Gehäuseunterteils 2 aufgebaut. Dieser Kraftschluss dient gleichzeitig als spaltfreie Montage der Gehäuseteile und der benötigten Verpressung der Membran 4.
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Natürlich ist das dargestellte Ausführungsbeispiel im Rahmen der Erfindung nicht beschränkend. So kann das Membranventil 1 auch z.B. zwei oder mehr Eingänge 16 oder zwei oder mehr Ausgänge 17 aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Membranventil
- 2
- Gehäuseunterteil
- 3
- Gehäuseoberteil
- 4
- Membran
- 5
- ringförmiger Ansatz
- 6
- Außengewinde
- 7
- Innengewinde
- 8
- Bereich
- 9
- Sechskant
- 10
- Innengehäuse
- 11
- Ventildom
- 12
- Ventilstange
- 13
- Außengewinde
- 14
- Bohrung
- 15
- Innengewinde
- 16
- Eingang
- 17
- Ausgang
- 18
- Strömungskanal
- 19
- zentraler Bereich
- 20
- höchster Punkt
- 21
- Flächenbelastung
- 22
- ringförmige Aussparung
