DE102016204956A1

DE102016204956A1 - Membranventil

Info

Publication number: DE102016204956A1
Application number: DE102016204956.9A
Authority: DE
Inventors: Ralf Starzmann; Michael Ruthardt; Martin Trautwein; IJsbrand de Lange; Marinus Matthias Moerdijk; Sebastian Schrof
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2036-03-25
Also published as: DE102016204956B4

Abstract

Es wird ein Membranventil (1) vorgeschlagen, das mindestens eine erste Ventileinheit (14a, 14b) und mindestens eine diesbezüglich in einer Hauptachsrichtung (2) beabstandete zweite Ventileinheit (15a, 15b) aufweist, wobei zwischen den beiden Ventileinheiten (14a, 14b; 15a, 15b) ein in der Hauptachsrichtung (2) bewegliches Antriebselement (5) angeordnet ist, das unter Zwischenschaltung von Betätigungsstößeln (37) mit einer Steuermembran (22) jeder Ventileinheit (14a, 14b; 15a, 15b) zusammenwirkt. Durch eine hin- und hergehende Hubbewegung (7) des Antriebselementes (5) können die beiden Ventileinheiten (14a, 14b; 15a, 15b) wechselweise gegensinnig betätigt werden, um jeweils eine Fluidverbindung zwischen zwei Ventilkanälen (34a, 34b) freizugeben oder abzusperren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Membranventil, mit mindestens einer ersten Ventileinheit, die in einem Ventilgehäuse eine flexible Steuermembran, einen einem Verschlussabschnitt der Steuermembran gegenüberliegenden, zwischen zwei Ventilkanälen angeordneten Ventilsitz und einen im Bereich des Verschlussabschnittes auf der dem Ventilsitz entgegengesetzten Seite der Steuermembran angeordneten Betätigungsstößel aufweist, wobei der Betätigungsstößel zu einer den Verformungsgrad des Verschlussabschnittes beeinflussenden, in einer Hauptachsrichtung hin- und hergehenden Betätigungsbewegung antreibbar ist, um entweder den Verschlussabschnitt der Steuermembran zur gegenseitigen Abtrennung der beiden Ventilkanäle unter Einnahme einer Schließstellung dichtend an den Ventilsitz anzudrücken oder um eine zu dem Ventilsitz beabstandete und einen Fluidübertritt zwischen den beiden Ventilkanälen zulassende maximale Offenstellung des Verschlussabschnittes zu ermöglichen.
Ein aus der DE 10 2012 005 093 A1 bekanntes Membranventil dieser Art verfügt über eine im Innern eines Ventilgehäuses eingespannte Steuermembran, die einen einem Ventilsitz gegenüberliegenden Verschlussabschnitt aufweist, der an einem linear bewegbaren Betätigungsstößel befestigt ist. Der Ventilsitz befindet sich zwischen zwei Ventilkanälen, deren Verbindung zueinander unterbrochen ist, wenn der Verschlussabschnitt der Steuermembran durch entsprechende Positionierung des Betätigungsstößels auf dem Ventilsitz aufliegt. Mittels einer internen Magnet-Antriebseinrichtung kann der Betätigungsstößel gemeinsam mit dem daran fixierten Verschlussabschnitt der Steuermembran in eine maximale Offenstellung verlagert werden, in der der Verschlussabschnitt von dem Ventilsitz abgehoben ist und eine offene Fluidverbindung zwischen den beiden Ventilkanälen vorliegt.
Aus der DE 60317642 T2 ist eine Ventilanordnung bekannt, die über eine mittels einer Betätigungsvorrichtung verformbare Membran verfügt, die durch entsprechende Aktivierung der Betätigungsvorrichtung wahlweise in einer an einen Ventilsitz angedrückten Stellung und in einer von dem Ventilsitz abgehobenen Stellung positionierbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompakt bauendes Membranventil zu schaffen, das über eine erweiterte Funktionalität in Bezug auf die Steuerung von Fluidströmen verfügt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen,
dass das Membranventil mindestens eine in der Hauptachsrichtung zu der ersten Ventileinheit beabstandete zweite Ventileinheit aufweist, die in gleicher Weise wie die erste Ventileinheit über einen einem Verschlussabschnitt einer Steuermembran gegenüberliegenden, zwischen zwei Ventilkanälen angeordneten Ventilsitz und einen im Bereich des Verschlussabschnittes auf der dem Ventilsitz entgegengesetzten Seite der Steuermembran angeordneten Betätigungsstößel verfügt,
und dass die erste und zweite Ventileinheit ein Ventileinheitenpaar bilden, wobei in dem Ventilgehäuse zwischen der ersten und zweiten Ventileinheit ein mit jedem Betätigungsstößel zur Erzeugung seiner Betätigungsbewegung antriebsmäßig zusammenwirkendes, zu einer in der Hauptachsrichtung orientierten hin- und hergehenden Hubbewegung antreibbares Antriebselement angeordnet ist,
wobei jeder Betätigungsstößel zwischen dem Antriebselement und der ihm zugeordneten Steuermembran angeordnet ist, sodass bei jeder der beiden einander entgegengesetzten Bewegungsrichtungen der Hubbewegung des Antriebselementes der Verschlussabschnitt der Steuermembran der jeweils einen Ventileinheit in Richtung der Schließstellung und der Verschlussabschnitt der Steuermembran der jeweils anderen Ventileinheit in Richtung der maximalen Offenstellung bewegbar ist.
Das erfindungsgemäße Membranventil erlaubt die gleichzeitige Betätigung mehrerer Steuermembranen mit Hilfe eines einzigen Antriebselementes, indem dieses Antriebselement zwischen zwei Ventileinheiten platziert ist, die jeweils eine Steuermembran mit einem verformbaren Verschlussabschnitt enthalten, wobei jeder Verschlussabschnitt über einen Betätigungsstößel antriebsmäßig mit dem Antriebselement gekoppelt ist. Die beiden Ventileinheiten werden folglich jeweils gegensinnig betätigt, wobei je nach Bewegungsrichtung der Hubbewegung des Antriebselementes entweder der Verschlussabschnitt der Steuermembran der ersten Ventileinheit oder der Verschlussabschnitt der Steuermembran der zweiten Ventileinheit in die Schließstellung verlagert wird, während gleichzeitig der Verschlussabschnitt der jeweils anderen Ventileinheit in Richtung der maximalen Offenstellung bewegt wird. Jede Ventileinheit hat folglich eine 2/2-Ventilfunktion, die je nach Ausgestaltung des Membranventils eigenständig nutzbar ist oder sich durch entsprechende fluidische Verschaltung der beiden Ventileinheiten zu einer höherwertigen Ventilfunktion, insbesondere einer 3/2-Wege-Ventilfunktion kombinieren lässt. Die erste und zweite Ventileinheit bilden also ein Ventileinheitenpaar, mit dem sich abhängig von der fluidischen Verschaltung individuelle Ventilfunktionen oder kombinierte Ventilfunktionen realisieren lassen. Durch die mechanische Kopplung der Betätigungsstößel ist bei kompakten Abmessungen ein synchrones Betriebsverhalten realisierbar, wodurch das Membranventil auch für Anwendungen prädestiniert ist, bei denen eine hohe Schaltpräzision im Vordergrund steht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Zweckmäßigerweise ist am Ventilgehäuse des Membranventils ein von außen her zugänglicher Sammel-Anschluss ausgebildet, der gleichzeitig mit jeweils einem Ventilkanal einer ersten Ventileinheit und einer zweiten Ventileinheit in Fluidverbindung steht. Auf diese Weise ist durch die beiden Ventileinheiten eine 3/2-Ventilfunktion realisierbar, bei der der Sammel-Anschluss abwechselnd mit der geöffneten oder geschlossenen ersten Ventileinheit und gleichzeitig mit der jeweils gegensinnig geöffneten oder geschlossenen zweiten Ventileinheit in Verbindung steht.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist in diesem Zusammenhang der Sammel-Anschluss als ein mit einem zu betätigenden Verbraucher verbindbarer Arbeitsanschluss genutzt, während von den beiden anderen Ventilkanälen der beiden Ventileinheiten des Ventileinheitenpaars der eine Ventilkanal als ein zur Verbindung mit einer Druckquelle vorgesehener Speisekanal und der andere Ventilkanal als ein zur Verbindung mit einer Drucksenke vorgesehener Entlastungskanal genutzt wird. Dadurch kann der Sammel-Anschluss durch Hin- und Herbewegen des Antriebselementes abwechselnd mit der Druckquelle – beispielsweise eine Druckluftquelle – und der Drucksenke – beispielsweise die Atmosphäre – verbunden werden, was einen häufigen Anwendungsfall bei der Ansteuerung eines fluidbetätigten Antriebes darstellt.
Eine besonders hohe Funktionsdichte lässt sich in das Membranventil integrieren, indem das Antriebselement zwischen zwei in der Hauptachsrichtung zueinander beabstandeten ersten und zweiten Doppel-Ventileinheiten angeordnet ist, wobei die erste Doppel-Ventileinheit aus zwei nebeneinander angeordneten ersten Ventileinheiten und die zweite Doppel-Ventileinheit aus zwei nebeneinander angeordneten zweiten Ventileinheiten besteht. Das Membranventil verfügt folglich über zwei sich jeweils aus einer ersten Ventileinheit und einer zweiten Ventileinheit zusammensetzende Ventileinheitenpaare, die bei der Hubbewegung des Antriebselementes stets gleichzeitig betätigt werden. Die zur jeweiligen Doppel-Ventileinheit gehörenden beiden Ventileinheiten sind zweckmäßigerweise bezogen auf die Hauptachsrichtung auf gleicher Höhe nebeneinander angeordnet.
Prinzipiell wäre es möglich, jede der zur gleichen Doppel-Ventileinheit gehörenden Ventileinheiten mit einer eigenen Steuermembran auszustatten. Wesentlich vorteilhafter ist allerdings eine Ausgestaltung, bei der die zur gleichen Doppel-Ventileinheit gehörenden Ventileinheiten jeweils eine gemeinsame Steuermembran aufweisen, die gleichzeitig die verformbaren Verschlussabschnitte beider Ventileinheiten bildet. Diese Steuermembran hat bevorzugt einen kreisförmigen Umriss.
Jede Steuermembran besteht zweckmäßigerweise aus einem Material mit gummielastischen Eigenschaften. Bevorzugt ist jede Steuermembran so ausgebildet, dass sie im spannungslosen Neutralzustand eine plattenförmige oder scheibenförmige Flachgestalt aufweist.
Ein mit zwei Doppel-Ventileinheiten ausgestattetes Membranventil verfügt zweckmäßigerweise über zwei Sammel-Anschlüsse, die jeweils einem der beiden Ventileinheitenpaare zugeordnet sind, sodass jedes Ventileinheitenpaar im Sinne einer 3/2-Ventilfunktion betätigbar ist. Bei den beiden Sammel-Anschlüssen handelt es sich insbesondere um mit einem zu betätigenden Verbraucher verbindbare Arbeitsanschlüsse.
Bei jeder Doppel-Ventileinheit ist zweckmäßigerweise der nicht mit einem Sammel-Anschluss kommunizierende Ventilkanal der einen Ventileinheit als ein zur Verbindung mit einer Druckquelle dienender Speisekanal genutzt, während der nicht mit einem Sammel-Anschluss kommunizierende Ventilkanal der anderen Ventileinheit einen zur Verbindung mit einer Drucksenke vorgesehenen Entlastungskanal bildet.
Bei gleichzeitiger Nutzung der beiden Sammel-Anschlüsse besteht die Möglichkeit, das Membranventil als Ventil mit einer 4/2-Wegefunktion zu betreiben.
Vorzugsweise ist das Membranventil so ausgelegt, dass sogar eine 4/3-Ventilfunktion möglich ist. Hierbei kann das Antriebselement in einer Mittelstellung positioniert werden, in der die Verschlussabschnitte sämtlicher Ventileinheiten eine Zwischen-Offenstellung einnehmen, die zwischen der Schließstellung und der maximalen Offenstellung liegt. Eine solche Funktionalität ist vor allem für sicherheitsrelevante Anwendungen von Vorteil.
Bevorzugt sind die Betätigungsstößel als individuelle Komponenten im Ventilgehäuse angeordnet und weisen keine feste Verbindung zu dem Antriebselement und zur zugeordneten Steuermembran auf. In diesem Fall liegen sie nur lose am Antriebselement und an der Steuermembran an. Dadurch lässt sich eine besonders einfache Montage realisieren und man vermeidet toleranzbedingte Verspannungen zwischen den Bauteilen, die sich nachteilig auf die Lebensdauer auswirken könnten. Allerdings besteht durchaus die Möglichkeit, jeden Betätigungsstößel am Antriebselement und/oder an der zugeordneten Steuermembran durch geeignete Mittel zu fixieren. Beispielsweise könnte jeder Betätigungsstößel als stabförmig ausgebildeter einstückiger Fortsatz des Antriebselementes ausgeführt sein.
Ein besonders präzises Betriebsverhalten lässt sich realisieren, wenn jeder Betätigungsstößel durch bezüglich des Ventilgehäuses ortsfeste Führungsmittel zur Ausführung der Betätigungsbewegung linear verschiebbar geführt ist. Diese Führungsmittel sind vorzugsweise pro Betätigungsstößel von einer im Ventilgehäuse ausgebildeten Führungsbohrung gebildet, in der der betreffende Betätigungsstößel linear verschiebbar gelagert ist.
Der konstruktive Aufbau des Membranventils ist insbesondere so gewählt, dass jede Steuermembran innerhalb des Ventilgehäuses partiell derart unter Abdichtung eingespannt ist, dass sie pro zugeordneter Ventileinheit eine im Ventilgehäuse ausgebildete Ventilkammer unter Abdichtung in eine Arbeitskammer und in eine Betätigungskammer unterteilt. Die beiden zu einer Ventileinheit gehörenden Ventilkanäle münden derart in die Arbeitskammer ein, dass ihre Mündungen beidseits des Ventilsitzes liegen und voneinander abtrennbar sind, indem der Verschlussabschnitt der Steuermembran an den Ventilsitz angedrückt wird. Der Betätigungsstößel der Ventileinheit ragt auf der der Arbeitskammer entgegengesetzten Seite der Steuermembran in die Betätigungskammer hinein, um mit dem Verschlussabschnitt der Steuermembran zusammenzuwirken.
Jede Arbeitskammer ist bevorzugt so konzipiert, dass sie zwei Teilkammern aufweist, in die jeweils einer der beiden Ventilkanäle der betreffenden Ventileinheit einmündet und die durch eine Überströmnut miteinander verbunden sind. Die Überströmnut ist an ihrer der Steuermembran zugewandten Seite offen und bildet mit ihrer Wandfläche den zwischen den beiden Teilkammern platzierten Ventilsitz. Abhängig von der Hubposition des Antriebselementes wird der Verschlussabschnitt durch den Betätigungsstößel mehr oder weniger weit in die Überströmnut hineingedrückt oder befindet sich außerhalb der Überströmnut, um den verfügbaren Strömungsquerschnitt vorzugeben. In der Schließstellung ist der Verschlussabschnitt durch den Betätigungsstößel an die Wandfläche der Überströmnut angedrückt, sodass ein Fluidübertritt zwischen den beiden Teilkammern der Arbeitskammer verhindert ist.
Ein besonders platzsparender Aufbau lässt sich dadurch realisieren, dass jede Ventilkammer in ihrer Längsrichtung bogenförmig gekrümmt ist und derart ausgerichtet ist, dass ihre konkave Seite der Hauptachse zugewandt ist. Die Ventilkammer erstreckt sich somit bogenförmig ein Stückweit um eine die Hauptachsrichtung vorgebende Hauptachse des Membranventils herum, bei der es sich vorzugsweise um eine Längsachse des Membranventils handelt.
Das Antriebselement ist zweckmäßigerweise Bestandteil einer internen Antriebseinrichtung des Membranventils. Diese interne Antriebseinrichtung ist in der Lage, Antriebskräfte auf das Antriebselement auszuüben, um selbiges zu der Hubbewegung in der einen und anderen Richtung anzutreiben. Die Antriebseinrichtung ist bevorzugt von einer elektrisch betätigbaren Bauart, könnte aber auch ein mittels Fluidkraft betätigbarer Typ sein.
Als besonders zweckmäßig wird es angesehen, die Antriebseinrichtung als Magnet-Antriebseinrichtung auszuführen, bei der die Hubbewegung des Antriebselementes durch wechselnde Magnetkräfte hervorrufbar ist.
Bei einer besonders vorteilhaft aufgebauten Magnet-Antriebseinrichtung enthält das Antriebselement einen Permanentmagnet, der axial beidseits von einer magnetisch leitenden Polscheibe flankiert ist, wobei die Polscheiben zweckmäßigerweise allein aufgrund der Magnetkraft des Permanentmagneten an diesem Permanentmagneten gehalten sind. Außerdem enthält die Magnet-Antriebseinrichtung eine ortsfest bezüglich des Ventilgehäuses angeordnete, das Antriebselement koaxial umschließende Spuleneinrichtung, die bestrombar ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten interagiert, sodass je nach Bestromungsrichtung eine Antriebskraft in der einen oder anderen Hubrichtung auf das Antriebselement ausgeübt wird.
Die Magnet-Antriebseinrichtung ist bevorzugt so ausgebildet, dass das Antriebselement im deaktivierten Zustand der Magnet-Antriebseinrichtung durch die auf es einwirkenden permanentmagnetischen Magnetkräfte in einer stabilen Mittelstellung positioniert ist. Diese stabile Mittelstellung zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass die Betätigungsstößel in einer Position gehalten werden, die den Verschlussabschnitten der Steuermembranen die Einnahme der oben angesprochenen Zwischen-Offenstellung ermöglicht.
Bei einer konstruktiv besonders einfachen Ausführung des Membranventils ist im Ventilgehäuse eine sich in der Hauptachsrichtung erstreckende Antriebskammer ausgebildet, in der das Antriebselement aufgenommen ist und die stirnseitig beidseits jeweils von einer Zwischenwand begrenzt ist, die gleitverschieblich von jeweils mindestens einem Betätigungsstößel durchsetzt ist. An die Zwischenwand schließt sich auf der der Antriebskammer entgegengesetzten Seite ein Abschlussdeckel an, wobei zwischen der Zwischenwand und dem Abschlussdeckel die Steuermembran der zugeordneten Ventileinheit eingespannt ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Membranventils in einer isometrischen Darstellung,
2 eine axiale Ansicht des Membranventils aus 1 mit Blickrichtung gemäß Pfeil II aus 1,
3 eine isometrische Explosionsdarstellung des Membranventils,
4 einen Längsschnitt des Membranventils gemäß Schnittebene F-F aus 2,
5 einen weiteren Längsschnitt des Membranventils gemäß Schnittebene E-E aus 2,
6 einen weiteren Längsschnitt des Membranventils gemäß Schnittebene C-C aus 2,
7 einen weiteren Längsschnitt des Membranventils gemäß Schnittebene H-H aus 2,
8 einen weiteren Längsschnitt des Membranventils, wobei die Eckbereiche links oben und rechts unten der Schnittebene F-F und die Eckbereiche rechts oben und links unten der Schnittebene E-E aus 2 entsprechen,
9 eine Einzeldarstellung einer der in das Membranventil integrierten Ventileinheiten in der maximalen Offenstellung eines Verschlussabschnittes der Steuermembran,
10 den Ausschnitt aus 1 in einer Zwischen-Offenstellung des Verschlussabschnittes,
11 den Ausschnitt aus 9 und 10 in einer Schließstellung des Verschlussabschnittes,
12 ein Schaltbild des Membranventils mit den darin integrierten Ventileinheiten und einem an das Membranventil angeschlossenen doppeltwirkenden fluidbetätigten Antrieb, wobei ein Betriebszustand des Membranventils gezeigt ist, in dem das Antriebselement in einer Mittelstellung positioniert ist, sodass sämtliche Ventileinheiten eine Zwischen-Offenstellung einnehmen,
13 die Schaltung aus 12, wobei das Schaltbild des Membranventils kompakt als Ventilsymbol mit einer 4/3-Ventilfunktion illustriert ist,
14 das Schaltbild aus 12 in einem Betriebszustand, in dem das Antriebselement in einer ersten Hubendlage positioniert ist,
15 die Schaltung aus 14, wobei das Schaltbild wiederum kompakt als Ventilsymbol illustriert ist,
16 das Schaltbild aus 12 und 14, wobei ein Betriebszustand gezeigt ist, in dem das Antriebselement die zweite Hubendlage einnimmt, und
17 die Schaltung aus 16, wobei das Schaltbild wiederum kompakt als Ventilsymbol illustriert isst.
Das in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Membranventil zeichnet sich durch die Integration mehrerer Ventileinheiten 14a, 14b, 15a, 15b aus, die als Ventilglied eine flexible Steuermembran 22 enthalten und die hinsichtlich ihrer Betätigung zwangsgekoppelt sind, sodass sie stets in einer aufeinander abgestimmten Betriebsweise arbeiten.
Das Membranventil 1 hat eine bevorzugt von seiner Längsachse definierte imaginäre Hauptachse 2, wobei die Achsrichtung dieser Hauptachse 2 unter dem gleichen Bezugszeichen als Hauptachsrichtung 2 benannt ist.
Das Membranventil 1 verfügt über ein bevorzugt mehrteilig aufgebautes Ventilgehäuse 3, in das eine Antriebseinrichtung 4 integriert ist, die zur Betätigung der schon angesprochenen Ventileinheiten 14a, 14b, 15a, 15b dient. Zu dieser internen Antriebseinrichtung 4 gehört ein beim Ausführungsbeispiel kolbenartig gestaltetes Antriebselement 5, das in einer von dem Ventilgehäuse 3 umschlossenen Antriebskammer 6 in der Hauptachsrichtung 2 hin und her bewegbar aufgenommen ist. Die im Folgenden als Hubbewegung 7 bezeichnete und in der Zeichnung durch einen Doppelpfeil illustrierte Bewegung des Antriebselementes 5 ist eine Linearbewegung, bei deren Ausführung das Antriebselement 5 durch die vom Ventilgehäuse 3 definierte periphere Wandfläche 8 der Antriebskammer 6 verschiebbar geführt ist. Die Außenkontur des Antriebselementes 5 und die Innenkontur der Antriebskammer 6 sind zweckmäßigerweise zylindrisch und bevorzugt kreiszylindrisch geformt.
Das Antriebselement 5 ist axial zwischen zwei in der Hauptachsrichtung 2 zueinander beabstandeten ersten und zweiten Ventilköpfen 12, 13 des Membranventils 1 angeordnet. Jeder dieser beiden Ventilköpfe 12, 13 enthält zwei Ventileinheiten, wobei die beiden Ventileinheiten des ersten Ventilkopfes 12 als erste Ventileinheiten 14a, 14b und die Ventileinheiten des zweiten Ventilkopfes 13 als zweite Ventileinheiten 15a, 15b bezeichnet seien. Jede erste Ventileinheit 14a, 14b bildet zusammen mit einer der beiden zweiten Ventileinheiten 15a, 15b ein Ventileinheitenpaar. Dementsprechend verfügt das Membranventil 1 über ein erstes Ventileinheitenpaar 16, das sich aus der einen ersten Ventileinheit 14a und aus der einen zweiten Ventileinheit 15a zusammensetzt. Ferner verfügt das Membranventil 1 über ein zweites Ventileinheitenpaar 17, das sich aus der anderen ersten Ventileinheit 14b und der anderen zweiten Ventileinheit 15b zusammensetzt.
Die beiden dem ersten Ventilkopf 12 zugeordneten ersten Ventileinheiten 14a, 14b seien im Folgenden aufgrund ihres zweifachen Vorhandenseins auch als erste Doppel-Ventileinheit 18 bezeichnet. Dementsprechend erfolgt eine gemeinsame Benennung der beiden zweiten Ventileinheiten 15a, 15b als zweite Doppel-Ventileinheit 19.
Sämtliche Ventileinheiten 14a, 14b, 15a, 15b sind zweckmäßigerweise mit radialem Abstand zu der Hauptachse 2 angeordnet. Die zur gleichen Doppel-Ventileinheit 18, 19 gehörenden Ventileinheiten 14a, 14b; 15a, 15b liegen sich bezüglich der Hauptachse 2 bevorzugt diametral gegenüber. Die ersten und zweiten Doppel-Ventileinheiten 18, 19 sind bezüglich der Hauptachse 2 bevorzugt um 90° verdreht zueinander angeordnet. Dies führt letztlich dazu, dass in der Hauptachsrichtung 2 betrachtet die vier Ventileinheiten 14a, 14b, 15a, 15b in – bevorzugt gleichmäßigen – Abständen rings um die Hauptachse 2 verteilt platziert sind. Insoweit ist in 8 zu beachten, dass hier in ein und derselben Abbildung mehrere unterschiedliche Schnittebenen illustriert sind, um gleichzeitig alle vier Ventileinheiten 14a, 14b, 15a, 15b sichtbar zu machen.
Jede der beiden Doppel-Ventileinheiten 18, 19 enthält eine flexible, bevorzugt aus Material mit gummielastischen Eigenschaften bestehende Membran, die zur Steuerung von Fluidströmen genutzt wird und daher als Steuermembran 22 bezeichnet wird. Aus 3 ist ersichtlich, dass die Steuermembran 22 im unbelasteten Neutralzustand vorzugsweise scheibenförmig oder plattenförmig ausgebildet ist und sich in einer Ebene erstreckt. Die Steuermembran 22 ist so installiert, dass ihre die Hauptausdehnungsebene definierende Membranebene rechtwinkelig zu der Hauptachse 2 ausgerichtet ist.
Bei einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel weist jede Ventileinheit 14a, 14b, 15a, 15b eine eigene, individuelle Steuermembran 22 auf. Aus Fertigungs- und Kostengründen ist es allerdings vorteilhaft, wenn die zur gleichen Doppel-Ventileinheit 18, 19 gehörenden Steuermembranen in einer einheitlichen, einstückigen Steuermembran 22 zusammengefasst sind.
Das Antriebselement 5 ist mit in der Hauptachsrichtung 2 gemessenem Abstand zwischen den beiden Steuermembranen 22 platziert.
Das Ventilgehäuse 3 hat ein bevorzugt rohrförmiges Gehäusemittelteil 23, das sich peripher um die Antriebskammer 6 herum erstreckt und an dessen beiden einander entgegengesetzten Stirnseiten die beiden Ventilköpfe 12, 13 angesetzt sind. Jeder Ventilkopf 12, 13 enthält exemplarisch zwei weitere Komponenten des Ventilgehäuses 3, nämlich eine unmittelbar stirnseitig an das Gehäusemittelteil 23 angesetzte Zwischenwand 24 und einen auf der der Antriebskammer 6 entgegengesetzten Seite an die Zwischenwand 24 angesetzten Abschlussdeckel 25. Bevorzugt mittels mehrerer Schraubverbindungen 26 sind die erwähnten Gehäusebestandteile, das heißt das Gehäusemittelteil 23, die beiden Zwischenwände 24 und die beiden Abschlussdeckel 25, in der Hauptachsrichtung 2 miteinander verspannt. Die axiale Begrenzung der Antriebskammer 6 übernehmen die beiden Zwischenwände 24.
Die Steuermembran 22 jedes Ventilkopfes 12, 13 ist zwischen die Zwischenwand 24 und den Abschlussdeckel 25 eingegliedert und bereichsweise unter Abdichtung zwischen der Zwischenwand 24 und den Abschlussdeckel 25 eingespannt. Ein unter Abdichtung eingespannter Bereich der Steuermembran 22 ist deren peripherer Randbereich 27.
Jede Ventileinheit 14a, 14b, 15a, 15b weist eine Ventilkammer 28 auf, die bevorzugt in dem Fügebereich zwischen der Zwischenwand 24 und dem Abschlussdeckel 25 eines jeweiligen Ventilkopfes 12, 13 ausgebildet ist. Die Steuermembran 22 bildet eine die jeweilige Ventilkammer 28 durchsetzende fluiddichte Trennwand, durch die jede Ventilkammer 28 in eine Arbeitskammer 32 und in eine Betätigungskammer 33 unterteilt ist. Die Betätigungskammer 33 befindet sich auf der dem Antriebselement 5 zugewandten Seite der Steuermembran 22, die Arbeitskammer 32 auf der diesbezüglich entgegengesetzten Seite der Steuermembran 22.
Jede Ventilkammer 28 hat eine Grundfläche, die kleiner ist als die Grundfläche der zugeordneten Steuermembran 22, wobei die die Ventilkammer 28 umrahmenden Bereiche der Steuermembran 22 entsprechend dem peripheren Randbereich 27 ebenfalls fluiddicht zwischen der Zwischenwand 24 und dem Abschlussdeckel 25 eingespannt sind. Dadurch ist die Ventilkammer 28 in dem zwischen der Zwischenwand 24 und dem Abschlussdeckel 25 liegenden Fügebereich fluiddicht zur Umgebung abgedichtet.
Jede Arbeitskammer 32 weist zwei Teilkammern 32a, 32b auf, in die einer von zwei das Ventilgehäuse 3 durchsetzenden Ventilkanälen 34a, 34b einmünden, die im Folgenden zur besseren Unterscheidung auch als erster Ventilkanal 34a und zweiter Ventilkanal 34b bezeichnet seien. Zwischen den beiden Teilkammern 32a, 32b erstreckt sich ein von der Arbeitskammer 32 definierter Fluid-Überströmbereich, der bevorzugt nutförmig ausgebildet ist und daher als Überströmnut 35 bezeichnet sei. Die Überstromnut 35 ist längsseits, an der der Steuermembran 22 zugewandten Seite, offen.
Die Wandfläche der Überströmnut 35 fungiert lokal als ein der Steuermembran 22 zugewandter Ventilsitz 36 der betreffenden Ventileinheit 14a, 14b, 15a, 15b. Zur Bildung des Ventilsitzes 36 kann die Überströmnut 35 lokal eine besonders ausgeprägte Vertiefung haben. Zumindest im Bereich des Ventilsitzes 36 ist die Wandfläche der Überströmnut 35 bevorzugt bogenförmig gekrümmt ausgebildet, was aus den 9 bis 11 ersichtlich ist.
Jede Ventileinheit 14a, 14b, 15a, 15b verfügt dementsprechend über einen zwischen zwei Ventilkanälen 34a, 34b beziehungsweise genauer gesagt zwischen den in die Arbeitskammer 32 einmündenden Kanalöffnungen dieser beiden Ventilkanäle 34a, 34b angeordneten Ventilsitz.
Auf der dem Ventilsitz 36 entgegengesetzten Seite der Steuermembran 22 weist jede Ventileinheit 14a, 14b, 15a, 15b einen Betätigungsstößel 37 auf, der in der Hauptachsrichtung 2 relativ zu dem Ventilgehäuse 3 linear verschiebbar ist. Die dabei stattfindende Verschiebebewegung der Betätigungsstößel 37 sei als Betätigungsbewegung 38 bezeichnet und ist in der Zeichnung jeweils durch einen Doppelpfeil angedeutet.
Jeder Betätigungsstößel 37 liegt bezogen auf die Hauptachsrichtung 2 in dem Bereich zwischen dem Antriebselement 5 und der zugeordneten Steuermembran 22. Die Betätigungsstößel 37 sind zweckmäßigerweise stabförmig ausgebildet und haben einander entgegengesetzte Kopfabschnitte, von denen zumindest der der Steuermembran 22 zugewandte Kopfabschnitt bevorzugt abgerundet ist, insbesondere mit einer kugelkappenförmigen Formgebung.
Jeder Betätigungsstößel 37 durchsetzt gleitverschieblich eine die Zwischenwand 24 durchsetzende Führungsbohrung 42, die einerseits in die Arbeitskammer 32 und andererseits in die Antriebskammer 6 einmündet. Durch die periphere Wandung dieser Führungsbohrung 42 ist der zugeordnete Betätigungsstößel 37 linear verschiebbar geführt. Anstelle von Führungsbohrungen 42 könnten allerdings auch andere Führungsmittel zur Linearführung der Betätigungsstößel 37 vorgesehen sein.
Jeder Betätigungsstößel 37 ragt mit einem Betätigungs-Kopfabschnitt 37a in die zugeordnete Betätigungskammer 33 hinein und liegt ohne feste Verbindung an einem als Verschlussabschnitt 43 bezeichneten Abschnitt der Steuermembran 22 an. Der Verschlussabschnitt 43 liegt dem zur gleichen Ventileinheit 14a, 14b, 15a, 15b gehörenden Ventilsitz 36 in der Hauptachsrichtung 2 gegenüber.
Mit einem dem Betätigungs-Kopfabschnitt 37a axial entgegengesetzten Antriebs-Kopfabschnitt 37b voraus ragt jeder Betätigungsstößel 37 axial in die Antriebskammer 6 hinein und liegt an der ihm zugewandten axialen Stirnfläche des Antriebselementes 5 an, wobei die dem ersten Ventilkopf 12 zugewandte Stirnfläche des Antriebselements 5 als erste Stirnfläche 44 und die axial entgegengesetzte Stirnfläche des Antriebselements 5 als zweite Stirnfläche 45 bezeichnet sei.
Wenn das Antriebselement 5 die Hubbewegung 7 ausführt, wirkt es über die Antriebs-Kopfabschnitte 37b mit den Betätigungsstößeln 37 sämtlicher Ventileinheiten 14a, 14b, 15a, 15b zusammen, um die Betätigungsbewegung 38 jedes Betätigungsstößels 37 hervorzurufen. Dadurch kann der Verformungsgrad des Verschlussabschnittes 43 der Steuermembranen 22 beeinflusst werden.
Bewegt sich das Antriebselement 5 in Richtung zweier Betätigungsstößel 37, werden diese beiden Betätigungsstößel 37 durch das Antriebselement 5 in Richtung zum zugeordneten Ventilsitz 36 verschoben, wobei sie mit ihrem Betätigungs-Kopfabschnitt 37a auf den Verschlussabschnitt 43 einwirken und diesen unter elastischer Verformung an den zugeordneten Ventilsitz 36 andrücken. Diese Stellung der Verschlussabschnitte 43 ist eine Schließstellung, die einen Fluidübertritt zwischen den beiden Teilkammern 32a, 32b und folglich zwischen den in die beiden Teilkammern 32a, 32b einmündenden Ventilkanälen 34a, 34b verhindert. Diese Schließstellung ist in 11 ersichtlich.
Diejenigen Betätigungsstößel 37, von denen sich das Antriebselement 5 bei der Antriebsbewegung 7 wegbewegt, folgen dem Antriebselement 5 nach, weil sie durch den auf sie einwirkenden Verschlussabschnitt 43 der elastischen Steuermembran 22 dem Antriebselement 5 nachgeschoben werden. Die Nachschiebekraft resultiert ausgehend von der Schließstellung der 11 zunächst aus der der verformten Steuermembran 22 inhärenten elastischen Rückstellkraft. Ist die Arbeitskammer 32 druckbeaufschlagt, wird die Rückstellkraft zusätzlich durch die Fluidkraft gebildet. Ist die Arbeitskammer 32 drucklos, verformt sich der Verschlussabschnitt 43 lediglich so weit zurück, dass die Steuermembran 22 eine aus 10 ersichtliche Neutralstellung einnimmt, in der sie keine inneren Spannungen aufweist.
Diese Neutralstellung der Steuermembran 22 geht mit einer Zwischen-Offenstellung des Verschlussabschnittes 43 einher, der nun ein Stückweit vom Ventilsitz 36 abgehoben ist und somit einen Fluidübertritt zwischen den beiden Ventilkanälen 34a, 34b ermöglicht. Der in dieser Zwischen-Offenstellung innerhalb der Arbeitskammer 32 freigegebene Überströmquerschnitt ist allerdings geringer als der maximal einstellbare Überströmquerschnitt, der in dem aus 9 ersichtlichen Betriebszustand vorliegt, in dem der Verschlussabschnitt 43 eine maximale Offenstellung einnimmt. In dieser aus 9 ersichtlichen maximalen Offenstellung ist die Steuermembran 22 im Vergleich zur Neutralstellung noch weiter in Richtung zur Betätigungskammer 33 ausgelenkt, insbesondere so weit, bis sie an der axial orientierten Wandfläche der Betätigungskammer 33 anliegt. Hierbei nimmt die Steuermembran 22 einen maximalen Abstand zur Wandfläche der Überströmnut 35 ein und erlaubt auf diese Weise einen Fluidübertritt zwischen den beiden Ventilkanälen 34a, 34b mit maximaler Strömungsrate. Die maximale Offenstellung stellt sich insbesondere durch den in der Arbeitskammer 32 herrschenden Fluiddruck des zu steuernden Druckmediums ein.
Wird das Antriebselement 5 derart betätigt, dass es sich in Richtung der ersten Doppel-Ventileinheit 18 bewegt, so werden die Verschlussabschnitte 43 der beiden ersten Ventileinheiten 14a, 14b unter Vermittlung der durch das Antriebselement 5 angetriebenen Betätigungsstößel 37 in Richtung der Schließstellung verformt, bis sie letztlich unter Anlage am zugeordneten Ventilsitz 36 in der Schließstellung angelangt sind. In dieser ersten Schließstellung der beiden ersten Ventileinheiten 14a, 14b befindet sich das Antriebselement 5 in einer ersten Hubendlage. Damit verbunden ist der Umstand, dass sich die Verschlussabschnitte 43 der beiden in der zweiten Doppel-Ventileinheit vereinigten zweiten Ventileinheiten 15a, 15b zumindest in die Zwischen-Offenstellung und bei entsprechendem Fluiddruck in die maximale Offenstellung bewegen, weil die Betätigungsstößel 37 der zweiten Ventileinheiten 15a, 15b dem Antriebselement 5 nachfolgen können.
Wird das Antriebselement 5 hingegen so betätigt, dass es sich in Richtung der zweiten Doppel-Ventileinheit 19 verlagert, so werden die Verschlussabschnitte 43 der beiden zweiten Ventileinheiten 15a, 15b durch deren von dem Antriebselement 5 verschobenen Betätigungsstößel 37 in die Schließstellung bewegt, während gleichzeitig die Verschlussabschnitte 43 der beiden ersten Ventileinheiten 14a, 14b in die Zwischen-Offenstellung oder, bei entsprechend hohem Fluiddruck in der Arbeitskammer 32, in die maximale Offenstellung bewegt werden. In diesem Betriebszustand nimmt das Antriebselement 5 eine der ersten Hubendlage axial entgegengesetzte zweite Hubendlage ein.
Bei einer hin- und hergehenden Hubbewegung 7 des Antriebselementes 5 werden somit die zum gleichen Ventileinheitenpaar 16 oder 17 gehörenden ersten und zweiten Ventileinheiten 14a, 15a; 14b, 15b jeweils gleichzeitig gegensinnig betätigt, indem entweder die jeweilige erste Ventileinheit 14a, 14b in die Schließstellung und gleichzeitig die jeweilige zweite Ventileinheit 15a, 15b in eine Offenstellung bewegt wird, oder umgekehrt.
Jede der vorhandenen vier Ventileinheiten 14a, 14b, 15a, 15b hat ersichtlich die Funktionalität eines 2/2-Wegeventils, indem es die Fluidverbindung zwischen den beiden zugeordneten Ventilkanälen 34a, 34b entweder absperrt oder freigibt.
Prinzipiell kann jede der vorhandenen Ventileinheiten 14a, 14b, 15a, 15b individuell als 2/2-Wegeventil genutzt werden. Beispielsweise kann jeder erste Ventilkanal 34a an eine Druckquelle und jeder zweite Ventilkanal 34b an einen Verbraucher angeschlossen werden, wobei durch Betätigung des Antriebselementes 5 bei jeder Ventileinheit die Fluidverbindung zwischen der Druckquelle und dem Verbraucher abwechselnd freigegeben oder unterbrochen werden kann.
Seine besonderen Vorteile spielt das Membranventil 1 allerdings aus, wenn die Ventileinheiten 14a, 14b, 15a, 15b zumindest partiell fluidisch miteinander gekoppelt sind, da auf diese Weise die vorteilhafte Möglichkeit besteht, auf der Grundlage der vorhandenen 2/2-Wege-Ventileinheiten 14a, 14b, 15a, 15b Ventilfunktionen mit höherer Funktionalität zu realisieren.
Besonders vorteilhaft wird die in der Zeichnung illustrierte Bauform angesehen, bei der das Membranventil 1 durch entsprechende fluidische Verschaltung der vorhandenen Ventileinheiten 14a, 14b, 15a, 15b die Funktionalität eines 4/2-Wegeventils oder gar eines 4/3-Wegeventils aufweist.
In diesem Zusammenhang ist vorgesehen, dass bei der zum ersten Ventileinheitenpaar 16 gehörenden ersten Ventileinheit 14a der erste Ventilkanal 34 als Speisekanal ausgebildet ist, der zu einer Außenfläche des Ventilgehäuses 3 ausmündet und die Möglichkeit bietet, mittels einer nicht weiter illustrierten Fluidleitung an eine Druckquelle P angeschlossen zu werden. In entsprechender Weise ist auch der erste Ventilkanal 34a der zum zweiten Ventileinheitenpaar 17 gehörenden zweiten Ventileinheit 15b an eine externe Druckquelle P angeschlossen. Die Druckquelle P kann ein beliebiges unter Überdruck stehendes Druckmedium liefern, insbesondere Druckluft.
Bei der zum zweiten Ventileinheitenpaar 17 gehörenden ersten Ventileinheit 14b ist der erste Ventilkanal 34a als ein Entlastungskanal konzipiert, der zu einer Außenfläche des Ventilgehäuses 3 ausmündet und mit einer Drucksenke R, insbesondere der Atmosphäre, kommuniziert. Entsprechendes gilt für den ersten Ventilkanal 34a der zum ersten Ventileinheitenpaar 16 gehörenden zweiten Ventileinheit 15a.
Was nun die zweiten Ventilkanäle 34b der zum ersten Ventileinheitenpaar 16 gehörenden ersten Ventileinheit 14a und zweiten Ventileinheit 15a anbelangt, so sind diese in der Wandung des Ventilgehäuses 3 zusammengeführt, sodass sie mit einer als Sammel-Anschluss 46 bezeichneten einheitlichen Anschlussöffnung 46 an einer Außenfläche des Ventilgehäuses 3 ausmünden, an den über eine weiterführende Fluidleitung ein externer Verbraucher A anschließbar ist.
In vergleichbarer Weise verfügt auch das zweite Ventileinheitenpaar 17 über einen Sammel-Anschluss 47, der gleichzeitig mit den zweiten Ventilkanälen 34b der ersten Ventileinheit 14b und der zweiten Ventileinheit 15b des zweiten Ventileinheitenpaares 17 kommuniziert. An diesen Sammel-Anschluss 47 ist über eine nicht illustrierte Fluidleitung ein zu betätigender Verbraucher B anschließbar.
Diese Kanalverschaltung hat zur Folge, dass bei der Hin- und Herbewegung des Antriebselementes 5 die beiden Sammel-Anschlüsse 46, 47, die hier als Arbeitsanschlüsse fungieren, abwechselnd gegensinnig mit einer Druckquelle P und einer Drucksenke R verbunden werden.
Handelt es sich bei den angeschlossenen Verbrauchern A, B um die beiden Druckbeaufschlagungskammern eines doppeltwirkenden fluidbetätigten Antriebes 48, wie dies in den 12 bis 16 illustriert ist, besteht durch Hin- und Herschalten des Antriebselementes 5 die vorteilhafte Möglichkeit, die beiden Druckkammern des fluidbetätigten Antriebes 48 abwechselnd gegensinnig mit Überdruck zu beaufschlagen und druckmäßig zu entlasten, sodass ein als Abtriebsglied fungierender Kolben 52 zu einer hin- und hergehenden Abtriebsbewegung antreibbar ist.
Selbstverständlich lässt sich das Membranventil 1 auch derart betreiben, dass die Sammel-Anschlüsse 46, 47 nicht als Arbeitsanschlüsse zur Ansteuerung von Verbrauchern genutzt werden, sondern für andere Zwecke, beispielsweise zur zentralen Druckeinspeisung in das Membranventil 1, wenn die ersten Ventilkanäle 34a zum Anschließen von Verbrauchern genutzt werden oder gar untereinander verbunden werden.
Es besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, die beiden Ventileinheitenpaare 16, 17 jeweils individuell mit der ihnen inhärenten 3/2-Wegeventilfunktion zu nutzen. Die beiden eigenständigen Sammel-Anschlüsse 46, 47 müssen also nicht zwingend mit ein und demselben zu betätigenden Gerät verbunden werden.
Aus den 14 und 15 ist ein Betriebszustand des Membranventils 1 ersichtlich, in dem das Antriebselement 5 in der ersten Hubendlage positioniert ist, sodass am Sammel-Anschluss 46 über die offene erste Ventileinheit 14a ein Überdruck ansteht, während der Sammel-Anschluss 47 des zweiten Ventileinheitenpaars 17 über dessen erste Ventileinheit 14b druckmäßig entlastet ist.
Die 16 und 17 illustrieren einen Betriebszustand, bei dem das Antriebselement 5 die zweite Hubendlage einnimmt, sodass der Sammel-Anschluss 46 des ersten Ventileinheitenpaars 16 über dessen zweite Ventileinheit 15a mit einer Drucksenke R verbunden ist, während gleichzeitig der zum zweiten Ventileinheitenpaar 17 gehörende Sammel-Anschluss 47 über die zweite Ventileinheit des zweiten Ventileinheitenpaars 17 mit der Druckquelle P verbunden ist.
Die 12 und 13 illustrieren einen Betriebszustand des Membranventils, in dem das Antriebselement 5 in einer Mittelstellung zwischen den beiden Hubendlagen positioniert ist, was den Effekt hat, dass sämtliche ersten und zweiten Ventileinheiten 14a, 14b, 15a, 15b eine Zwischen-Offenstellung einnehmen, sodass jeder Sammel-Anschluss 46, 47 gleichzeitig mit einer Druckquelle P und einer Drucksenke R verbunden ist. Eine solche Mittelstellung kann als Sicherheitsstellung bei sicherheitsrelevanten Anwendungen des Membranventils 1 genutzt werden. Ein auch eine solche Schaltstellung ermöglichendes Membranventil 1 weist eine 4/3-Ventilfunktion auf.
Ein nicht illustriertes Ausführungsbeispiel des Membranventils 1 enthält nur ein einziges Ventileinheitenpaar, das heißt nur eine einzige erste Ventileinheit 14a und nur eine einzige zweite Ventileinheit 15a. Eine solche Bauform wird überwiegend dann genutzt, wenn lediglich eine einfache 3/2-Ventilfunktion gewünscht ist.
Während bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel die Betätigungsstößel 37 nur lose an der Steuermembran 22 und am Antriebselement 5 anliegen, sind auch Ausführungsbeispiele möglich, bei denen die Betätigungsstößel 37 an der Steuermembran 22 und/oder an dem Antriebselement 5 befestigt sind. So könnten die Betätigungsstößel 37 beispielsweise auch einstückig mit dem Antriebselement 5 verbunden sein.
Aus 3 wird deutlich, dass es von Vorteil ist, wenn die Ventilkammern 28 in ihrer Längsrichtung bogenförmig gekrümmt sind und derart angeordnet sind, dass sie sich jeweils, mit der Hauptachse 2 zugewandter konkaver Seite, ein Stückweit um die Hauptachsrichtung 2 herum erstrecken. Dies ermöglicht besonders kompakte Abmessungen des Membranventils 1.
Die das Antriebselement 5 enthaltende interne Antriebseinrichtung 4 ist beim Ausführungsbeispiel in vorteilhafter Weise als eine Magnet-Antriebseinrichtung 4a realisiert. Sie ist dazu ausgebildet, bei Anlegung einer elektrischen Spannung ein Magnetfeld zu erzeugen, aufgrund dessen eine Betätigungskraft auf das Antriebselement 5 ausgeübt wird, die das Antriebselement 5 in der einen oder anderen Achsrichtung der Hauptachse 2 verlagert.
Der konkrete Aufbau der beispielhaften Magnet-Antriebseinrichtung 4a sieht vor, dass das Antriebselement 5 eine in der Hauptachsrichtung 2 magnetisierte Permanentmagneteinrichtung 52 aufweist. Exemplarisch setzt sich diese Permanentmagneteinrichtung 52 aus einem scheibenförmigen oder ringförmigen Permanentmagnet 53 und zwei ferromagnetischen Polscheiben, die axial beidseits an den Permanentmagnet 53 angesetzt sind, zusammen. Dabei ist von Vorteil, dass die Polscheiben 54, 55 allein aufgrund der Magnetkraft an dem Permanentmagnet 53 gehalten sind und keine weiteren Befestigungsmaßnahmen zur gegenseitigen axialen Fixierung getroffen sind. Der Zusammenbau gestaltet sich daher besonders einfach. Grundsätzlich wäre es aber durchaus möglich, zur Sicherheit zusätzliche Befestigungsmaßnahmen vorzusehen, beispielsweise eine Klebeverbindung oder eine Schraubverbindung.
Zu der Magnet-Antriebseinrichtung 4a gehört außerdem eine hohlzylindrische, bestrombare Spuleneinheit 56, die in der Antriebskammer 6 platziert ist und das Antriebselement 5 koaxial umschließt. Bei einer solchen Anordnung läuft das Antriebselement 5 zweckmäßigerweise auf der peripheren Innenfläche 57 der hohlzylindrischen Spuleneinheit 56.
Die Spuleneinheit 56 hat einen magnetisch nicht leitenden und vorzugsweise aus Kunststoffmaterial bestehenden Spulenträger 58, der zwei in der Hauptachsrichtung 2 mit Abstand zueinander angeordnete Spulensektionen 59, 60 trägt. Jede Spulensektion 59, 60 wirkt wie eine eigenständige Spule und ist von elektrischem Strom durchfließbar. Relevant ist, dass die Spulensektionen 59, 60 es ermöglichen, gleichzeitig mit einander entgegengesetzter Stromflussrichtung bestromt werden zu können. Exemplarisch ist dies dadurch realisiert, dass die beiden Spulensektionen 59, 60 Bestandteile einer einzigen Spule sind und lediglich einander entgegengesetzte Wicklungsrichtungen haben. Die elektrischen Leiter, mit deren Hilfe die Spulensektionen 59, 60 bestrombar sind, sind in der Zeichnung nicht abgebildet.
Koaxial um die Spuleneinheit 56 herum ist vorzugsweise noch ein ferromagnetisches Polrohr 61 angeordnet, durch das die bei Bestromung der Spulensektionen 59, 60 entstehenden elektromagnetischen Felder gebündelt und umgelenkt werden.
Je nachdem, mit welchem Richtungssinn die Bestromung der beiden Spulensektionen erfolgt, ergibt sich durch Interaktion der erzeugten elektromagnetischen Felder mit dem permanentmagnetischen Feld der Permanentmagneteinrichtung 52 eine auf das Antriebselement 5 einwirkende magnetische Antriebskraft in der einen oder anderen axialen Richtung.
Die beispielhafte Magnet-Antriebseinrichtung 4a hat den Vorteil, dass bei deaktivierter Spuleneinheit 56 allein durch die Interaktion zwischen der Permanentmagneteinrichtung 52 und dem Polrohr 61 das Antriebselement 5 in der Mittelstellung zwischen den beiden Hubendlagen magnetisch gehalten ist. Beim Ausführungsbeispiel bedeutet dies, dass bei deaktivierter Magnet-Antriebseinrichtung 4a sämtliche Ventileinheiten 14a, 14b, 15a, 15b die Zwischen-Offenstellung einnehmen. Bei einem Stromausfall positioniert sich das Antriebselement 5 selbsttätig in der Mittelstellung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012005093 A1 [0002]
DE 60317642 T2 [0003]

Claims

Membranventil, mit mindestens einer ersten Ventileinheit (14a, 14b), die in einem Ventilgehäuse (3) eine flexible Steuermembran (22), einen einem Verschlussabschnitt (43) der Steuermembran (22) gegenüberliegenden, zwischen zwei Ventilkanälen (34a, 34b) angeordneten Ventilsitz (36) und einen im Bereich des Verschlussabschnittes (43) auf der dem Ventilsitz (36) entgegengesetzten Seite der Steuermembran (22) angeordneten Betätigungsstößel (37) aufweist, wobei der Betätigungsstößel (37) zu einer den Verformungsgrad des Verschlussabschnittes (43) beeinflussenden, in einer Hauptachsrichtung (2) hin- und hergehenden Betätigungsbewegung (38) antreibbar ist, um entweder den Verschlussabschnitt (43) der Steuermembran (22) zur gegenseitigen Abtrennung der beiden Ventilkanäle (34a, 34b) unter Einnahme einer Schließstellung dichtend an den Ventilsitz (36) anzudrücken oder um eine zu dem Ventilsitz (36) beabstandete und einen Fluidübertritt zwischen den beiden Ventilkanälen (34a, 34b) zulassende maximale Offenstellung des Verschlussabschnittes (43) zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranventil (1) mindestens eine in der Hauptachsrichtung (2) zu der ersten Ventileinheit (14a, 14b) beabstandete zweite Ventileinheit (15a, 15b) aufweist, die in gleicher Weise wie die erste Ventileinheit (14a, 14b) über einen einem Verschlussabschnitt (43) einer Steuermembran (22) gegenüberliegenden, zwischen zwei Ventilkanälen (34a, 34b) angeordneten Ventilsitz (36) und einen im Bereich des Verschlussabschnittes (43) auf der dem Ventilsitz (36) entgegengesetzten Seite der Steuermembran (22) angeordneten Betätigungsstößel (37) verfügt, und dass die erste und zweite Ventileinheit (14a, 14b; 15a, 15b) ein Ventileinheitenpaar (16, 17) bilden, wobei in dem Ventilgehäuse (3) zwischen der ersten und zweiten Ventileinheit (14a, 14b; 15a, 15b) ein mit jedem Betätigungsstößel (37) zur Erzeugung seiner Betätigungsbewegung (38) antriebsmäßig zusammenwirkendes, zu einer in der Hauptachsrichtung (2) orientierten hin- und hergehenden Hubbewegung (7) antreibbares Antriebselement (5) angeordnet ist, wobei jeder Betätigungsstößel (37) zwischen dem Antriebselement (5) und der ihm zugeordneten Steuermembran (22) angeordnet ist, sodass bei jeder der beiden einander entgegengesetzten Bewegungsrichtungen der Hubbewegung (7) des Antriebselementes (5) der Verschlussabschnitt (43) der Steuermembran (22) der jeweils einen Ventileinheit (14a, 14b; 15a, 15b) in Richtung der Schließstellung und der Verschlussabschnitt (43) der Steuermembran (22) der jeweils anderen Ventileinheit (15a, 15b; 14a, 14b) in Richtung der maximalen Offenstellung bewegbar ist.
Membranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es an dem Ventilgehäuse (3) einen von außen her zugänglichen Sammel-Anschluss (46, 47) aufweist, der gleichzeitig mit jeweils einem Ventilkanal (34b) beider Ventileinheiten (14a, 14b; 15a, 15b) des Ventileinheitenpaars (16, 17) in Fluidverbindung steht.
Membranventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammel-Anschluss (46, 47) ein mit einem zu betätigenden Verbraucher verbindbarer Arbeitsanschluss ist, wobei von den beiden anderen Ventilkanälen (34a) der beiden Ventileinheiten (14a, 14b; 15a, 15b) des Ventileinheitenpaars (16, 17) der eine Ventilkanal (34a) ein zur Verbindung mit einer Druckquelle vorgesehener Speisekanal und der andere Ventilkanal (34a) ein zur Verbindung mit einer Drucksenke vorgesehener Entlastungskanal ist.
Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (5) zwischen zwei in der Hauptachsrichtung (2) zueinander beabstandeten ersten und zweiten Doppel-Ventileinheiten (18, 19) angeordnet ist, von denen die erste Doppel-Ventileinheit (18) aus zwei nebeneinander angeordneten ersten Ventileinheiten (14a, 14b) und die zweite Doppel-Ventileinheit (19) aus zwei nebeneinander angeordneten zweiten Ventileinheiten (15a, 15b) besteht, derart, dass das Membranventil (1) über zwei sich jeweils aus einer ersten Ventileinheit (14a, 14b) und einer zweiten Ventileinheit (15a, 15b) zusammensetzende Ventileinheitenpaare (16, 17) verfügt.
Membranventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zur gleichen Doppel-Ventileinheit (18, 19) gehörenden Ventileinheiten (14a, 14b; 15a, 15b) jeweils eine gemeinsame Steuermembran (22) aufweisen, die gleichzeitig die Verschlussabschnitte (43) beider Ventileinheiten (14a, 14b; 15a, 15b) bildet und die zweckmäßigerweise einen kreisförmigen Umriss hat.
Membranventil nach Anspruch 4 oder 5 in Verbindung mit Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ventileinheitenpaar (16, 17) einen eigenen Sammel-Anschluss (46, 47) aufweist, wobei zweckmäßigerweise jeder der beiden Sammel-Anschlüsse (46, 47) ein mit einem zu betätigenden Verbraucher (A, B) verbindbarer Arbeitsanschluss ist.
Membranventil nach einem der Ansprüche 4 bis 6 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Doppel-Ventileinheit (18, 19) der nicht mit einem Sammel-Anschluss (46, 47) kommunizierende Ventilkanal (34a) der einen Ventileinheit (14a, 14b; 15a, 15b) ein zur Verbindung mit einer Druckquelle (P) vorgesehener Speisekanal und der nicht mit einem Sammel-Anschluss (46, 47) kommunizierende Ventilkanal (34a) der anderen Ventileinheit (15a, 15b) ein zur Verbindung mit einer Drucksenke (R) vorgesehener Entlastungskanal ist.
Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Mittelstellung des Antriebselementes (5) die Verschlussabschnitte (43) sämtlicher Ventileinheiten (14a, 14b; 15a, 15b) eine zwischen der Schließstellung und der maximalen Offenstellung liegende Zwischen-Offenstellung einnehmen.
Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Betätigungsstößel (37) lose an dem Antriebselement (5) und/oder an der zugeordneten Steuermembran (22) anliegt.
Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Betätigungsstößel (37) durch bezüglich des Ventilgehäuses (3) ortsfeste Führungsmittel zur Ausführung der Betätigungsbewegung (38) linear verschiebbar geführt ist, wobei die Führungsmittel zweckmäßigerweise von einer vom zugeordneten Betätigungsstößel (37) durchsetzten Führungsbohrung (42) gebildet sind.
Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Steuermembran (22) innerhalb des Ventilgehäuses (3) partiell derart unter Abdichtung eingespannt ist, dass sie pro zugeordneter Ventileinheit (14a, 14b; 15a, 15b) eine im Ventilgehäuse (3) ausgebildete Ventilkammer (28) unter Abdichtung in eine Arbeitskammer (32) und eine Betätigungskammer (33) unterteilt, wobei die Ventilkanäle (34a, 34b) der Ventileinheit (14a, 14b; 15a, 15b) beidseits des Ventilsitzes (36) in die Arbeitskammer (32) einmünden und der Betätigungsstößel (37) der Ventileinheit (14a, 14b; 15a, 15b) zur Kooperation mit einem Verschlussabschnitt (43) der Steuermembran (22) in die Betätigungskammer (33) hineinragt.
Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskammer (32) zwei Teilkammern (32a, 32b) aufweist, die durch eine an ihrer der Steuermembran (22) zugewandten Seite offene Überströmnut (35) miteinander verbunden sind, wobei die Wandfläche der Überströmnut (35) den Ventilsitz (36) bildet und der Verschlussabschnitt (43) der Steuermembran (22) in der Schließstellung durch den zugeordneten Betätigungsstößel (37) zur Anlage an dem Ventilsitz (36) in die Überströmnut (35) hineingedrückt ist.
Membranventil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkammer (28) in ihrer Längsrichtung bogenförmig gekrümmt ist, wobei ihre konkave Seite der Hauptachse (2) zugewandt ist.
Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (5) Bestandteil einer internen Antriebseinrichtung (4) des Membranventils (1) ist.
Membranventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Antriebseinrichtung (4) eine Magnet-Antriebseinrichtung (4a) ist, wobei die Hubbewegung (7) des Antriebselementes (5) durch wechselnde Magnetkräfte hervorrufbar ist und wobei das Antriebselement (5) im deaktivierten Zustand der Magnet-Antriebseinrichtung (4a) zweckmäßigerweise durch permanentmagnetische Magnetkräfte in einer stabilen Mittelstellung positioniert ist.
Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventilgehäuse (3) eine sich in der Hauptachsrichtung (2) erstreckende Antriebskammer (6) ausgebildet ist, in der das Antriebselement (5) linear verschiebbar aufgenommen ist und die stirnseitig beidseits jeweils von einer gleitverschieblich von mindestens einem Betätigungsstößel (37) durchsetzten Zwischenwand (24) begrenzt ist, an die sich ein Abschlussdeckel (25) anschließt, wobei die Steuermembran (22) zwischen der Zwischenwand (24) und dem Abschlussdeckel (25) eingespannt ist.