-
Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung mit einer Membran zur Trennung eines fluidführenden Bereichs von einem nicht fluidführenden Bereich nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Ventileinrichtungen mit einer derartigen Membran sind bekannt. Insbesondere ist bekannt, dass die Membran mittels eines Abstützbereiches abgestützt wird.
-
Aus der
DE 102007023469 B3 ist beispielsweise ein Membranventil bekannt, bei dem ein mechanisches Stützmittel mindestens zwei Stützelemente aufweist. Die zwei Stützelemente weisen jeweils eine unterschiedliche Unterstützungskontur auf einer einer Membrandichtung zugewandten Seite auf. Die Unterstützungskontur ist in Abhängigkeit von der Position eines Ventilkörpers mit der Membrandichtung zur Bildung einer Stützfläche in Kontakt bringbar.
-
Aus der
EP 0572966 A1 ist eine Membranbaugruppe für pneumatische Regelgeräte bekannt, bei der ein Zwischenstück einen Membranteller
12 auf der einen Seite einer Membran und einen Ventilkörper auf der anderen Seite der Membran verbindet.
-
Aus der
DE 102008031652 A1 ist ein Membranventil mit einer Membrandichtung zum statischen Dichten eines Strömungsraumes bekannt.
-
Aus der
DE 2727993 A1 ist eine Vorrichtung zum Getrennthalten zweier benachbarter Räume mit einer Membran bekannt.
-
Aus der
EP 1710481 A1 ist ein Membranventil bekannt, bei dem eine fächerartige Stützeinrichtung zur Stabilisierung und Abstützung einer eingesetzten Membrane verwendet wird.
-
Aus der
EP 0109626 A1 ist ein Membranventil mit einer Unterstützungsfläche bekannt.
-
Aus der
EP 0581287 A1 ist ein Regelventil mit Membranabstützung bekannt.
-
Aus der
DE 7241059 A1 ist ein Membranventil mit einem Ventilkegel bekannt, wobei sich eine gummielastische Membran mit ihrem freien Teil während des gesamten Hubes an eine Abstützung anlegt.
-
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch den Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierfür nochmals explizit hingewiesen wird.
-
Dadurch dass ein erster Abstützbereich und/oder ein zweiter Abstützbereich und/oder eine Membran derart ausgestaltet sind, dass die Membran, insbesondere unter einem Fluiddruck in einem fluidführenden Bereich, derart an dem ersten und/oder an dem zweiten Abstützbereich anliegen kann, dass die Membran im Wesentlichen quer zur Längsachse der Antriebsstange belastet wird, wird vorteilhaft erreicht, dass zum einen eine dünnere Membran verwendet werden kann und größere Hübe der Antriebsstange ermöglicht werden. Zum anderen kann gleichzeitig der Druck in den fluidführenden Bereich erhöht werden. Damit wird eine Ventileinrichtung geschaffen, in die vorteilhaft neben einem vergrößerten Hub gleichzeitig eine erhöhte Druckfestigkeit aufweist.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind der erste Abstützbereich und der zweite Abstützbereich im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet. Durch diese konzentrische Anordnung wird die Membran vorteilhaft über einen im Wesentlichen zwischen den Abstützbereichen verlaufenden Bereich gespannt, der quer zu einer Längsachse der Antriebsstange ausgerichtet ist. Entsprechend ergibt sich vorteilhaft, dass ein Abknicken der Membran oder eine ungleichmäßige Belastung der Membran verhindert wird.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform befinden sich der erste und/oder der zweite Abstützbereich in dem nicht fluidführenden Bereich der Ventileinrichtung, wodurch vorteilhaft Materialübergänge und Kanten in dem fluidführenden Bereich reduziert werden. Entsprechend können Kontaminationen in den fluidführenden Bereich verhindert werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform öffnet sich der erste Abstützbereich hin zu dem fluidführenden Bereich und ist fest mit dem Ventilkörper verbunden. Der zweite Abstützbereich verjüngt sich hin zu dem fluidführenden Bereich und ist fest mit der Antriebsstange verbunden. Durch diese Ausgestaltung lässt sich vorteilhaft die Rückstellkraft auf die Antriebsstange entgegen einer Richtung des Antriebs über den zweiten Abstützbereich definieren. Des Weiteren gibt die Ventileinrichtung damit einen Bereich frei, in dem sich die Membran bewegen und an den jeweiligen Abstützbereichen anliegen kann. Darüber hinaus wird vorteilhaft eine Abstützung in jedem Betriebszustand bei gleichzeitiger Vergrößerung des Hubes ermöglicht.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der erste und/oder der zweite Abstützbereich in einer Draufsicht in Richtung eines Antriebs jeweils kreisringförmig ausgebildet, wobei die entsprechenden Kreisringe im Wesentlichen eine gleiche Ringbreite aufweisen. Ausgehend von einer Mittenstellung wird damit ermöglicht, dass in beide Hubrichtungen ausgehend von der Mittenstellung ein etwa gleich weiter Weg zurückgelegt werden kann.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind ein Außendurchmesser des zweiten Abstützbereichs und ein Innendurchmesser des ersten Abstützbereichs derart aufeinander abgestimmt, dass der zweite Abstützbereich im Wesentlichen im Wesentlichen spielfrei in eine innere Ausnehmung des ersten Abstützbereichs eintauchen kann. Vorteilhaft wird dadurch ein Verklemmen der Membran verhindert und gleichzeitig eine möglichst große Abstützfläche in jeder Hubstellung gewährleistet.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der erste Abstützbereich eine erste Abstützfläche und der zweite Abstützbereich eine zweite Abstützfläche auf. Die erste und/oder die zweite Abstützfläche sind im Querschnitt konvex ausgebildet. Durch die konvexe Ausbildung wird eine Aufnahme der Membran mit möglichst gleichmäßiger Kraftverteilung in der Membran ermöglicht. Gleichzeitig kann ein Ablösen und ein Wiederanliegen der Membran vorteilhaft unterstützt werden. Des Weiteren kann dadurch eine Anpassung der Abstützflächen an die Form der Membran geschehen.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Membran in einem nicht kraftbeaufschlagten Zustand im Querschnitt stärker gekrümmt ist als die erste und/oder die zweite Abstützfläche. Wenn die Membran eine entsprechende Eigenkrümmung aufweist, führt diese vorteilhafte Ausführungsform dazu, dass ein Anliegen und Ablösen der Membran von der jeweiligen Abstützfläche unterstützt wird.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform schließen die erste Abstützfläche und die zweite Abstützfläche im Querschnitt jeweils einen ersten und zweiten Winkel ein, wobei der erste und der zweite Winkel im Wesentlichen gleich sind. Dadurch wird ein Raum freigegeben, der bei einer Hubbewegung ein Abknicken der Membran verhindert. Des Weiteren werden sowohl radial nach innen und radial nach außen für die Membran in etwa gleichartige Anlageflächen geschaffen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist zumindest einer von sich einander zugewandten Rändern der Abstützbereiche eine Abrundung auf, wodurch insbesondere bei einem Anliegen der Membran an dem zweiten Abstützbereich eine Zerstörung der Membran verhindert wird.
-
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Für funktionsäquivalente Größen und Merkmale werden in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
-
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
-
1 einen schematischen Querschnitt einer Ventileinrichtung;
-
2 eine Explosionsansicht der Ventileinrichtung;
-
3 verschiedene Elemente der Ventileinrichtung in einer Schnittansicht;
-
4 die Ventileinrichtung in einer ersten Hubstellung; und
-
5 die Ventileinrichtung in einer zweiten Hubstellung.
-
1 zeigt eine Ventileinrichtung 2 mit einer Membran 4 in einer schematischen Querschnittsansicht. Die Membran 4 ist zur Trennung eines fluidführenden Bereichs 6 von einem nicht fluidführenden Bereich 8 vorgesehen. Des Weiteren sind ein erster Abstützabschnitt 10 und ein zweiter Abstützabschnitt 12 für die Membran 4 gezeigt.
-
Zum Öffnen und Schließen der Ventileinrichtung 2 wird mittels eines Antriebs eine Antriebsstange 14 im Wesentlichen entlang ihrer Längsachse 16 bewegt. Die Antriebsstange 14 ist durch die Membran 4 geführt. Die Antriebsstange 14 weist einen mit einem Ventilsitz 18 eines Ventilkörpers 20 zusammenwirkenden, hin zu dem Ventilsitz 18 angeordneten Verschlussabschnitt 22 auf. Der Ventilkörper 20 weist neben dem fluidführenden Bereich 6, in dem sich der Verschlussabschnitt 22 bewegt, Anschlüsse 24 und 26 auf, die in den fluidführenden Bereich 6 münden. Das hier gezeigte Ventilelement 2 ist als Schrägsitzventil ausgeführt, kann selbstverständlich aber auch als Geradsitz oder Eckventil oder aber in einer anderen Form ausgeführt sein.
-
Die Membran 4 ist in einem ersten Befestigungsabschnitt 28 mit dem Ventilkörper 20 der Ventileinrichtung 2 verbunden. Alternativ kann die Membran in dem ersten Befestigungsabschnitt auch mit einem Antriebskörper verbunden sein. Der Befestigungsabschnitt 28 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Längsachse 16 ausgebildet.
-
Des Weiteren ist die Membran 4 in einem zweiten radial innerhalb des ersten Befestigungsabschnitts 28 liegenden Befestigungsabschnitt 30 mit der Antriebsstange 14 verbunden. Der Befestigungsabschnitt 30 ist wie auch der erste Befestigungsabschnitt 28 rotationssymmetrisch zur Längsachse 16 ausgebildet. Des Weiteren weist der Ventilkörper 20 den ersten Abstützbereich 10 auf. Die Antriebsstange 14 weist den zweiten Abstützbereich 12 auf.
-
Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen der Membran 4 denkbar. So kann die Membran 4 beispielsweise mit einer Pinn gehalten werden, wobei lediglich die Membran 4 von einer der Pinn gegenüberliegenden Seite fluidbeaufschlagt ist und die Pinn von einem Antrieb bewegt wird. In einer anderen Ausführungsform bilden die Membran 4 und die Antriebsstange eine Einheit.
-
Der Antrieb für das Ventilelement zur Bewegung der Antriebsstange 14 entlang der Längsachse 16 ist in nicht gezeigter Form in Richtung eines Pfeiles 32 angeordnet. Die Abstützbereiche 10 und 12 befinden sich im nicht fluidführenden Bereich 8 der Ventileinrichtung 2.
-
Die 2 zeigt Teile der Ventileinrichtung 2 in einer Explosionsansicht. Bei einer Montage wird zunächst die Membran 4 mit ihrer Durchführung über die Antriebsstange 14 geführt und in den Ventilkörper 20 eingebracht. Ein Zwischenteil 34 weist den ersten Abstützbereich 10 auf und wird bei der Montage nach der Membran 4 in den Ventilkörper 20 eingebracht. Ein weiteres Zwischenteil 36 weist den zweiten Abstützbereich 12 auf und wird zur Antriebsstange 14 festgelegt. Ein Abschlussteil 38 weist ein zu einem Innengewinde des Ventilkörpers 20 korrespondierendes Außengewinde auf, womit das Abschlussteil 38 in den Ventilkörper 20 eingedreht werden kann. Über die Eindrehung des Abschlussteils 38 wird der erste Befestigungsabschnitt 28 hergestellt, indem ein Außenrand der Membran 4 zwischen dem Zwischenteil 34 und dem Ventilkörper 20 eingeklemmt wird. Anstatt der Verklemmung kann beispielsweise auch eine Verschraubung, Verklebung, etc. erfolgen.
-
3 zeigt verschiedene Elemente der Ventileinrichtung 2 in einer Schnittansicht. Die gezeigten Elemente sind beispielhaft zur weiteren Erläuterung entlang der Längsachse 16 gezeigt. Des Weiteren sind die Zwischenteile 34, 36 und die Membran 4 jeweils im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Achse 16 ausgebildet.
-
Der erste Abstützbereich 10 des Zwischenteils 34 umfasst eine erste Abstützfläche 40 sowie einen Innenrand 42 und einen Außenrand 44. Die erste Abstützfläche 40 ist im gezeigten Querschnitt im Wesentlichen konkav ausgebildet. Die erste Abstützfläche 40 entspricht im Wesentlichen einer Paraboloidstumpfmantelinnenfläche. Des Weiteren kann die erste Abstützfläche 40 auch im Wesentlichen einer Kegelstumpfmantelinnenfläche entsprechen und eine konkave Ausbildung haben. Des Weiteren schließt die erste Abstützfläche 40 im Querschnitt einen ersten Winkel 46 ein. Des Weiteren öffnet sich der erste Abschnittsbereich 10 hin zu dem fluidgeführten Bereich 6, der sich in Richtung eines Pfeiles 48 befindet.
-
Der Innenrand 42 des Abstützbereichs 10 weist eine Anschrägung auf, die aber auch als Abrundung ausgeführt sein kann. Ausgehend von dem Innenrand 42 des ersten Abstützbereichs 10 weist das Zwischenteil 34 in Richtung des Pfeiles 49 eine Ausnehmung 50 auf.
-
Das weitere Zwischenteil 36 weist den zweiten Abstützbereich 12 auf. Der zweite Abstützbereich 12 weist eine zweite Abstützfläche 52, einen Innenrand 54 und einen Außenrand 56 auf. Eine Ausnehmung 58 ist für die Durchführung der Antriebsstange 14 vorgesehen. Die zweite Abstützfläche 52 schließt einen zweiten Winkel 66 ein. Des Weiteren verjüngt sich der zweite Abstützbereich 12 hin zu dem fluidführenden Bereich 6, also in Richtung des Pfeils 48. Der zweite Abstützbereich 12 ist in dem Endmontagezustand der Ventileinrichtung 2 fest mit der Antriebstange 14 verbunden. Der Außenrand 56 weist eine Abrundung auf. Anstatt der Abrundung kann der Außenrand 56 auch eine Anschrägung aufweisen. Die zweite Abstützfläche 52 entspricht im Wesentlichen einer Kegelstumpfmantelaußenfläche und ist im Querschnitt im Wesentlichen konkav ausgebildet.
-
Die Membran 4 weist im Wesentlichen in einem nicht kraftbeaufschlagten Zustand die Form eines Torusschnittes auf, wobei der Torusschnitt orthogonal zur mittigen Rotationsachse des zugehörigen Torus entsprechend der Längsachse 16 ausgeführt ist. Die Membran 4 weist einen Außenrand 68 auf, der über den ersten Befestigungsabschnitt 28 die Membran 4 fest mit dem Ventilkörper 20 verbindet. Des Weiteren weist die Membran 4 einen Innenrand 70 auf, der mittels des zweiten Befestigungsabschnitts 30 fest mit der Antriebsstange 14 verbunden ist. Die Verbindung des Außenrandes 68 mit dem Ventilkörper 20 und die Verbindung des Innenrand 70 mit der Antriebsstange 14 können beispielhaft jeweils eine Klemmverbindung, eine Klebverbindung oder eine Schraubverbindung sein. Die Wölbung 72 ist in Richtung des Pfeiles 49 ausgerichtet und damit entgegen dem fluidführenden Bereich 6 ausgerichtet.
-
Wie beispielhaft anhand der gestichelten Linien 73 und 74 gezeigt ist, sind der erste Abstützbereich 10 und der zweite Abstützbereich 12 in dem Endmontagezustand der Ventileinrichtung 2 konzentrisch zueinander angeordnet, wobei sich der erste Abstützbereich 10 radial außerhalb des Abstützbereiches 12 befindet bzw. sich der zweite Abstützbereich 12 radial innerhalb des ersten Abstützbereiches 10 befindet. In einer Draufsicht entsprechend dem Pfeil 49 in Richtung des Antriebselements sind sowohl der erste als auch der zweite Abstützbereich 10, 12 jeweils kreisringförmig ausgebildet. Die beiden entsprechenden Kreisringe weisen im Wesentlichen eine gleiche Ringbreite auf, wobei die Ringbreite quer zur Längsachse 16 verläuft. Ausgehend von der Mittenstellung kann damit ein in etwa gleich weiter weg in beide Hubrichtungen zurückgelegt werden. Selbstverständlich kann auch abhängig von der Ausführung der Membran 4 ein jeweils unterschiedlich weiter Weg in beide Hubrichtungen zurückgelegt werden.
-
Ein Außendurchmesser des zweiten Abstützbereichs 12 des Zwischenteils 36 verläuft orthogonal zur Längsachse 16 im Bereich des Außenrandes 56. Ein Innendurchmesser des ersten Abstützbereichs 10 des Zwischenelements 34 verläuft orthogonal zur Längsachse 16 im Bereich der Ausnehmung 50. Der Außendurchmesser des zweiten Abstützbereichs 12 und der Innendurchmesser des ersten Abstützbereichs 10 sind derart aufeinander abgestimmt, dass der zweite Abstützbereich 12 und insbesondere das Zwischenteil 36 im Wesentlichen spielfrei in die innere Ausnehmung 50 eintauchen und aus ihr heraustreten kann.
-
Der erste Winkel 46 und der zweite Winkel 66 sind entweder im Wesentlichen gleich groß oder unterscheiden sich maximal 20° im Gradmaß, insbesondere um maximal 10° im Gradmaß und insbesondere um maximal 5° im Gradmaß. Bei einer anderen Ausgestaltung der Querschnittsform der Membran 4 kann selbstverständlich auch ein anderes Verhältnis zwischen den Winkeln 46 und 66 gewählt werden.
-
In einer Ausführungsform kann eine Ringbreite 76 des zweiten Abstützbereichs 12 kleiner ausgeführt sein als eine zweite des ersten Abstützbereichs 10, um den Druck ausgehend von dem Fluid in den Bereich 6 auf den Antrieb in Richtung des Pfeils 49 zu verringern.
-
Die Membran 4 ist in einem nicht kraftbeaufschlagten Zustand wie in 3 gezeigt im Querschnitt stärker gekrümmt als die erste und/oder die zweite Abstützfläche 40, 52.
-
In 4 ist in einer Schnittansicht die Ventileinrichtung 2 aus 1 gezeigt, wobei sich die Antriebstange 14 in einem oberen Hubzustand befindet. Der Verschlussabschnitt 22 ist in diesem oberen Hubzustand am weitesten von dem Ventilsitz 18 entfernt. Die Membran 4 liegt im Wesentlichen an dem gesamten ersten Abstützbereich 10 an. An den zweiten Abstützbereich 12 liegt die Membran im Wesentlichen nicht oder nur in einem kleinen Abschnitt an. Des Weiteren befindet sich die Membran 4 im Bereich des Befestigungsabschnitts 30 abschnittsweise in der Ausnehmung 50.
-
In 5 ist die Ventileinrichtung 2 in einer unteren Hubstellung gezeigt, wobei die Ventileinrichtung 2 verschlossen ist. Der Verschlussabschnitt 22 liegt an dem Ventilsitz 18 an. In dieser unteren Hubstellung liegt die Membran 4 im Wesentlichen an dem gesamten zweiten Abstützbereich 12 an. Die Membran 4 liegt hingegen kaum oder gar nicht an dem ersten Abstützbereich 10 an. In dieser unteren Ventilstellung taucht das Zwischenelement 36 geschützt von der Membran 4 in den fluidführenden Bereich 6 ein.
-
Die obere Hubstellung und die untere Hubstellung, wie in den 4 und 5 gezeigt, illustrieren, dass der erste Abstützbereich 10 und/oder zweite Abstützbereich 12 und/oder die Membran 4 derart ausgestaltet sind, dass die Membran 4, insbesondere unter einem Fluiddruck in dem fluidführenden Bereich 6, derart an dem ersten und/oder zweiten Abstützbereich 10, 12 anliegen kann, dass die Membran 4 im Wesentlichen quer zur Längsachse 16 der Antriebsstange 14 belastet wird.
-
Diese Belastung ist dadurch gekennzeichnet, dass der auf die Membran 4 wirkende Fluiddruck in dem fluidgeführten Bereich 6 auf die Membran 4 und die dahinter liegenden Abstützbereiche 10 und 12 derart wirkt, dass sich Kräfte in der Membran ausbilden, die im Wesentlichen quer zur Längsachse 16 der Antriebsstange 14 verlaufen. Eine im Wesentlichen quer zur Längsachse 16 verlaufende Kraft liegt mit ihrem Vektor in einer Ebene, die durch die Längsachse 16 führt. Somit wird durch die vorgeschlagene Ventileinrichtung die Rückdruckfestigkeit im Bereich der Membran 4 erhöht und gleichzeitig der Hub der Ventilstange 14 vergrößert.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007023469 B3 [0003]
- EP 0572966 A1 [0004]
- DE 102008031652 A1 [0005]
- DE 2727993 A1 [0006]
- EP 1710481 A1 [0007]
- EP 0109626 A1 [0008]
- EP 0581287 A1 [0009]
- DE 7241059 A1 [0010]
