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Die Erfindung bezieht sich auf einen Ventileinsatz für ein Membranventil mit einem einen Absatz aufweisenden Ventilgehäuse zum Einsetzen in einen Schacht, um darin eine Ventilkammer zu begrenzen, und mit einem in axialer Richtung in einem Ventilgehäuse geführten Ventilschaft, an dessen einem Ende ein Ventilschließkörper ausgebildet ist und an dessen anderem Ende sich ein Druckkolben zur axialen Verschiebung des Ventilschaftes befindet, und mit einer Membran, deren Außenrand am Ventilgehäuse und deren Zentrum am Ventilschaft jeweils sowohl axial als auch tangential gesichert gehalten ist.
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Ein solcher Ventileinsatz ist aus der
DE 10 2015 008 661 A1 bekannt und dort insbesondere anhand der
2 näher beschrieben.
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Die Membran weist an ihrem äußeren Rand eine im Querschnitt quadratische Verdickung auf, die in eine in der Stirnseite des Ventilgehäuses verlaufende Nut eingesteckt ist.
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Der innere Rand der Membran stößt radial auf den Ventilschaft und wird dort zwischen einem Absatz am Ventilschaft und einem Ring auf dem Ventilschaft gehalten. Insbesondere die Halterung des äußeren Randes der Membran in der Stirnseite des Ventilgehäuses hat den Vorteil, dass das Ventilgehäuse in einen Schacht eines Verteilergehäuses eingeschraubt werden kann, ohne dass dabei Kräfte auf den äußeren Rand der Membran übertragen werden, da dieser keinen Kontakt zur Schachtwand hat. Allerdings überdeckt dabei die Membran nicht den vollen Querschnitt des Schachtes, so dass zusätzliche Maßnahmen notwendig sind, um ein Austreten von Fluid aus der Ventilkammer zu verhindern.
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Zu beachten ist auch, dass der Ventilschaft beim Einschrauben des Ventileinsatzes behindert werden kann, so dass er der Drehung des Ventileinsatzes nicht folgen kann, wodurch ein Torsionsmoment auf den inneren Rand der Membran ausgeübt wird, das zu deren Beschädigung führen kann.
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In der
DE 10 2007 037 663 A1 ist ebenfalls ein Ventileinsatz für ein Membranventil beschrieben, bei der die Membran fest mit dem Ventilschaft verbunden ist und ihr äußerer Rand gegen eine Stufe oberhalb des Schachtes gedrückt wird. Auf diese Weise deckt zwar die Membran den Querschnitt des Schachtes ab, es besteht aber der Nachteil, dass beim Einschrauben des Ventileinsatzes der äußere Rand der Membran teilweise mitgenommen wird und damit ein Torsionsmoment auf die Membran ausgeübt wird.
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Durch die von den Torsionsmomenten hervorgerufene Torsion der Membran ist diese reißanfällig und/oder unterliegt im Betrieb einem schnelleren Verschleiß.
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Die Erfindung beruht somit auf der Aufgabe, einen Ventileinsatz zu konstruieren, bei dem mit einfachen Mitteln eine von dem Ventileinsatz in einem Schacht abgetrennte Ventilkammer abgedichtet wird und mit dem gleichzeitig ein torsionsfreier Einbau der Membran ermöglichst wird.
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Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung vor, dass der äußere Rand der Membran zu einer äußeren Hülse geformt ist, die auf die äußere Mantelfläche des Absatzes am Ventilgehäuse dreh- und axialgesichert aufgesteckt ist und dass der Ventilschaft drehgesichert im Ventilgehäuse geführt ist.
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Auf diese Weise kann die Membran den gesamten Querschnitt des Schachtes überdecken. Da die Außenmantelfläche der Hülse gleitend an der Schachtwand liegt, werden beim Einschrauben des Ventileinsatzes in den Schacht keine Torsionskräfte über den äußeren Rand der Membran in diese eingeleitet. Da auch der Ventilschaft drehgesichert im Ventilgehäuse geführt ist, werden beim Ein- und Ausschrauben auch über den inneren Rand der Membran keine Torsionskräfte übertragen, so dass die Membran torsionsfrei bleibt.
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Um eine tangentiale Sicherung, also eine Sicherung in Umfangsrichtung der äußeren Hülse gegen Drehung auf dem Absatz zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass die äußere Mantelfläche des Absatzes mit achsparallelen Längsrillen versehen ist.
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Zusätzlich kann auch eine axiale Sicherung der äußeren Hülse auf dem Absatz, z. B. durch eine ringförmige Halterampe, erfolgen.
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Weiterhin besteht das Problem, eine sichere Befestigung des Innenrandes der Membran am Ventilschaft zu gewährleisten. Dazu besteht der Ventilschaft aus zwei Abschnitten, die zu einer Einheit verbunden sind, wobei die Membran in der Verbindungsstelle gehalten ist.
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Im Besonderen ist vorgesehen, dass ein Abschnitt des Ventilschaftes eine von seiner Stirnseite ausgehende Vertiefung aufweist, in der das zum Zapfen geformte Ende des anderen Abschnittes eingeführt ist, wobei der zu einer inneren Hülse geformte innere Rand der Membran zwischen der Mantelfläche der Vertiefung und der Mantelfläche des Zapfens liegt. Auch hier kann der axiale Halt der Membran zusätzlich mittels eines ringförmigen Haltebundes realisiert werden.
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Um eine sichere Verbindung der beiden Abschnitte zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass der Abschnitt der Mantelfläche des Zapfens, der sich an seinem äußeren Ende befindet, mit einem Außengewinde versehen ist, und dass der zu einer inneren Hülse geformte innere Rand der Membran sich an einen Abschnitt der Mantelfläche anlegt, der sich hinter dem Gewinde befindet.
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Um dort einen sicheren Halt zu gewährleisten, ist der Abschnitt der Mantelfläche des Zapfens hinter dem Außengewinde mit achsparallelen Längsrillen versehen.
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In einer alternativen Ausführung bildet die Membran eine geschlossene Einheit, wobei der zentrale Bereich der Membran einen Kopf aufweist, der einen Ventilschließkörper formt, wobei das Ende des Ventilschaftes in eine rückwärtige Vertiefung im Kopf eingeführt ist.
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Mit der Vor- und Rückbewegung des Ventilschaftes zum Öffnen und Schließen des Membranventils führt die Membran eine Abrollbewegung durch. Um hierfür Platz zu schaffen, ist vorgesehen, dass sich in der Mantelfläche des Ventilschaftes hinter der Membran eine umlaufende Einrollführung, z. B. in Form einer Einrollnut, befindet.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Membranventil mit einem zuvor beschriebenen Ventileinsatz mit einem einen Ventilschaft aufweisenden Verteilergehäuse, in den der Ventileinsatz eingeführt ist und insbesondere eingeschraubt wird. Dabei befindet sich am Boden des Schachtes ein Ventilauslass und in der Mantelfläche des Schachtes ein Ventileinlass, wobei der Ventilschließkörper dem Ventilauslass gegenüberliegt. Der Ventilauslass mündet vorzugsweise tangential in die Mantelfläche des Schachtes ein.
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Ein solches Membranventil ist auch in den zuvor gestandenen Schriften zum Stand der Technik beschrieben. Da erfindungsgemäß die äußere Hülse des Membranventils sich an einer Mantelfläche eines Absatzes des Ventilgehäuses befindet, gelangt sie, wenn der Ventileinsatz in den Schacht eingeführt bzw. eingeschraubt ist, zur Anlage an die Schachtwand. Dadurch ist die Ventilkammer zwischen der an der Schachtwand anliegenden Membran und dem Boden des Schachtes hermetisch gegenüber dem Ventileinsatz abgedichtet.
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Im einfachsten Fall ist der Ventilauslass mit einem Dichtsitz an der Schachtseite versehen, so dass bei einem Schließen des Ventils der Ventilschaft in Richtung auf den Schachtboden bewegt wird und beim Öffnen in die entgegengesetzte Richtung.
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In einigen Anwendungsfällen, in denen die Bodenöffnung des Schachtes nicht auch der Dichtsitz des Ventileinlasses bzw. -auslasses ist, kann es aber auch sinnvoll sein, den Öffnungshub und Schließhub gerade zu vertauschen. In diesem Fall muss der Ventilschließkörper an einem Dichtsitz anliegen, der von der Membran weg weist.
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Um dies zu realisieren, sieht die Erfindung vor, dass in dem Schacht zwischen der Membran und dem Boden des Schachtes ein Käfig eingesetzt ist, der mit einem zum Boden des Schachtes weisenden Dichtsitz für den Ventilschließkörper versehen ist.
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Um einen sicheren Halt und eine Zentrierung des Käfigs im Schacht zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass an der der Membran zugewandten Stirnseite des Käfigs ein umlaufender Steg ausgebildet ist, der in eine umlaufende Nut in der Stirnseite der äußeren Hülse der Membran eingreift, wobei die Membran eine Seite einer Ventilkammer druckdicht abschließt, in die sowohl ein vom Ventilschließkörper verschließbarer Ventildurchgang als auch ein Fluidanschluss einmünden.
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Im Folgenden soll anhand von drei Ausführungsbeispielen die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigt
- 1 in einem Querschnitt durch ein Membranventil eine erste Ausführungsform der Erfindung,
- 1.1 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1, wobei in der oberen Hälfte eine Explosionsdarstellung gewählt ist,
- 2 in einem Querschnitt durch ein Membranventil eine zweite Ausführungsform der Erfindung,
- 3 in einem Querschnitt durch ein Membranventil eine dritte Ausführungsform der Erfindung und
- 4 in einem Querschnitt durch ein Membranventil eine Abwandlung der dritten Ausführungsform.
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In den Figuren ist jeweils in der oberen Hälfte der Darstellung das Membranventil im geschlossenen und in der unteren Hälfte in einem offenen Zustand gezeigt.
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Da die drei Ausführungen in vieler Hinsicht gleichartig aufgebaut sind, sollen zunächst anhand der 1 die Gemeinsamkeiten erläutert werden. Gleichartige Bauteile werden in den drei Ausführungen mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Demnach besteht das Membranventil aus einem Ventileinsatz 1 und einem Verteilergehäuse 2 mit einem Schacht 3. Der Ventileinsatz besteht im Wesentlichen aus einem Ventilgehäuse 4, in dem ein Ventilschaft 5 in axialer Richtung geführt ist. An der Stirnseite des Ventilgehäuses 4, die in den Schacht 3 weist, befindet sich eine Membran 6, die auf einem Absatz 7 am Ventilgehäuse aufgesteckt ist. Hinter dem aufgesteckten Bereich besitzt der Absatz ein Gewinde 8, mit dem das Ventilgehäuse 4 in den Schacht 3 eingeschraubt wird, so dass zwischen dem Boden des Schachtes und der Membran 6 eine Ventilkammer 9 gebildet ist.
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Im Boden des Schachtes befindet sich ein Ventilauslass 10, in seiner Mantelfläche ein Ventileinlass 11, der mit einer Fluidquelle verbunden ist, wobei es sich bei dem Fluid z. B. um ein Lackmedium handelt, das mittels des Membranventils gesteuert wird. Dazu besitzt das dem Schachtboden zugewandte Ende des Ventilschaftes 5 einen Ventilschließkörper 12. Die Funktion von Ventileinlass und -auslass kann auch vertauscht sein.
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Die Befestigung der Membran 6 am Absatz 7 lässt sich hingegen gut in der 2 erkennen. Dazu besitzt die Membran 6 eine äußere Hülse 15, die auf den Absatz 7 am Ventilgehäuse 4 aufgesteckt ist, wobei dieser mit Längsrillen 16 versehen ist, so dass die äußere Hülse 15 drehsicher auf dem Absatz 7 gehalten ist.
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Im eingeschraubten Zustand des Ventilgehäuses 4 liegt die äußere Mantelfläche der äußeren Hülse 15 an der Wand des Schachtes 3 an, so dass die Ventilkammer 9 abgedichtet ist, so dass damit aus ihr kein Fluid nach außen austreten kann. Um die Dichtwirkung zu erhöhen, kann die Membran eine Dichtlippe 47 aufweisen oder es wird ein zusätzlicher Dichtring 46 vorgesehen.
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Zur Befestigung des Innenrandes der Membran 6 an dem Ventilschaft 5 besitzt sie eine innere Hülse 17, die zur axialen Sicherung mit einem Haltebund 48 versehen ist. Außerdem besteht der Ventilschaft nach den ersten beiden Ausführungen aus zwei Abschnitten, nämlich einem ersten Abschnitt 20, an dessen Ende auch der Ventilschließkörper 12 ausgebildet ist, und einem zweiten Abschnitt 21, der mit einem Druckluftkolben 22 versehen ist, der in einem Zylinderabschnitt des Ventilgehäuses 4 geführt ist.
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Zum Dichten des Druckluftkolbens 22 gegenüber der Zylinderwand ist eine Lippendichtung 23 vorgesehen.
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In der rückwärtigen Stirnseite des ersten Abschnittes 20 ist ein Sackloch 24 ausgebildet, in den das zu einem Zapfen 25 geformte Ende des zweiten Abschnittes 21 eingeschraubt ist. Dazu besitzt das Sackloch 24 am bodennahen Ende ein Innengewinde 26, hinter dem sich ein glatter Mantelabschnitt befindet. Ebenso befindet sich hinter einem Außengewinde 28 am Zapfen 25, das das Gegengewinde zum Innengewinde 26 ist, ein mit Längsrillen 27 versehener Abschnitt, wobei die innere Hülse 17 zwischen den beiden gewindefreien Abschnitten des Sackloches 24 bzw. des Zapfens 25 eingeklemmt ist. Auf diese Weise ist die Membran drehgesichert sowohl am Ventilschaft 5 als auch am Ventilgehäuse 4 gehalten, wobei am Ventilgehäuse 4 zusätzlich eine axiale Sicherung in Form eines Schnappverschlusses vorgesehen ist. Dazu besitzt der Absatz 7 einen umlaufenden Hinterschnitt hinter einer Halterampe 49, in dem ein umlaufender Steg an der inneren Mantelfläche der äußeren Hülse 15 einschnappt, wenn die äußere Hülse 15 auf den Absatz 7 aufgesteckt wird.
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Zwischen dem Zapfen 25 und dem Druckluftkolben 22 verläuft der Ventilschaft 5 durch eine Bohrung im Ventilgehäuse 4, wobei in der Bohrung bzw. am Ventilschaft 5 Mittel vorgesehen sind, damit der Ventilschaft 5 sich nicht in der Bohrung drehen kann. Dabei kann es sich z. B. um einen unrunden, aber gleichartigen Querschnitt von Ventilschaft 5 und Bohrung handeln. Insbesondere kann ein eckiger - z. B. sechseckiger - Querschnitt vorgesehen werden. Denkbar ist auch ein Querstift, der in einer Längsnut am Ventilschaft 5 bzw. in der Mantelfläche der Bohrung verläuft. Auch können Passfedern oder andere formschlüssige Geometrien eingesetzt werden.
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Durch die dreifache Verdrehsicherung (Membran 6 gegenüber dem Ventilgehäuse 4 und dem Ventilschaft 5, sowie des Ventilschaftes 5 gegenüber dem Ventilgehäuse 4) werden beim Ein- oder Herausschrauben des Ventileinsatzes 1 in den Schacht 3 alle genannten Teile gleichmäßig gedreht, so dass die Membran 6 torsionsfrei bleibt.
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In der 3 ist eine Alternative zur Ausführung des Ventilschließkörpers 12 bzw. des Ventilschaftes dargestellt. Bei dieser Ausführung durchläuft der Ventilschaft 5 nicht die Membran, so dass an seinem Ende ein Ventilschließkörper ausgebildet werden könnte. Vielmehr ist die innere Hülse 17 mit einem Kopf 39 versehen, der den Ventilschließkörper 12 bildet.
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Somit kann auf einen ersten Abschnitt des Ventilschaftes verzichtet werden. Der Ventilschaft wird lediglich aus einem zweiten Abschnitt gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungen gebildet. Der Zapfen 25 ist dabei mit einer Vielzahl von umlaufenden sägezahnförmigen Rampen 50 versehen, die in die Mantelfläche einer rückwärtigen Vertiefung zum Kopf 39 eingreifen.
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Bei der Ausführung nach 1 und 3 handelt es sich um eine Ausführung, bei der mit einem Hub in Richtung auf den Boden des Schachtes 3 der Ventilauslass 10 geschlossen wird. Dazu befindet sich ein Dichtsitz 35 am Boden des Schachtes 3 an der Seite, die in den Schacht 3 weist. Dementsprechend wird eine Druckluftkammer 36, auf der Seite des Druckluftkolbens 22, die dem Boden des Schachtes 3 zugewandt ist, über einen Längskanal 37 oder über einen Ringspalt im Ventilgehäuse 4 mit Druckluft versorgt, so dass der Ventilschaft 5 gegen den Druck einer Ventilfeder 38 vom Schachtboden wegbewegt wird, so dass sich der Ventilschließkörper 12 am Ende des Ventilschaftes vom Dichtsitz 35 entfernt.
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Bei der Ausführung gemäß 2 ist ein Dichtsitz 35 vorgesehen, der aber von der Membran 6 weg weist. Dazu ist zusätzlich ein Käfig 40 im Schacht 3 vorgesehen, der mit Öffnungen versehen ist, die mit dem Ventilauslass 10 bzw. Ventileinlass 11 korrespondieren. Am Boden dieses Käfigs 40 ist auf seiner von der Membran 6 wegweisenden Seite der Dichtsitz 35 ausgebildet, an dem der Ventilschließkörper 12 anliegt.
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Zum Öffnen des Ventils muss daher der Ventilschaft 5 in Richtung auf den Boden des Schachtes 3 bewegt werden. Daher wird eine Druckluftkammer 36 zwischen dem Druckluftkolben 22 und einem Deckel 41 am Ventilgehäuse mit Druckluft versorgt, während eine auf der anderen Seite des Druckluftkolbens 22 liegende Kammer eine Entlüftungsbohrung 45 aufweist.
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Um den Käfig 40 sicher zu halten und zu zentrieren, besitzt er an seiner der Membran 6 zugewandten Stirnseite einen umlaufenden Steg 42, der in eine entsprechende Nut an der äußeren Hülse 15 der Membran 6 eingreift.
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Die rückwärtige Kammer hinter der Membran 6 ist über einen Leckagekanal 43 mit der Atmosphäre verbunden. Sie kann durch das Ventilgehäuse 4 (siehe 2) geführt werden, aber auch durch den Ventilschaft 5 (siehe 1 und 3).
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Da bei der beschriebenen Hin- und Herbewegung des Ventilschaftes 5 zum Öffnen und Schließen des Ventils die Membran eine Rollbewegung durchführt, ist, um dies zu ermöglichen, in der Mantelfläche des Ventilschaftes 5 eine umlaufende Einrollnut 44 vorgesehen, deren Querschnitt der Formänderung der Membran 6 beim Abrollen angepasst ist.
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Das Ende des Ventilschaftes 5, das am rückwärtigen Ende des Ventilgehäuses 4 hervorragt, kann mit einem Eingriff für Werkzeuge versehen werden. Dies erlaubt es, unabhängig von einer pneumatischen Betätigung des Ventils durch eine manuelle Betätigung axiale Vorspannungen der Membran 6 zu eliminieren.
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Die 4 zeigt eine Tandemanordnung zur Betätigung des Membranventils. Dazu ist der Ventilschaft 5 mit zwei hintereinander angeordneten Druckluftkolben 22 verbunden, die je eine Druckluftkammer 36 begrenzen. Bei gleichem Druck der Druckluft lässt sich somit die Betätigungskraft erhöhen oder das Membranventil entsprechend schlanker bauen.
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Weiterhin wird zum besseren Halt der inneren Hülse 17 an der sägezahnförmigen Rampe 50 um die Außenseite der inneren Hülse 17 eine ringförmige Fassung 51 eng gelegt, so dass die Innenseite der inneren Hülse 17 in die sägezahnförmige Rampe 50 gedrückt wird. Eine solche Fassung kann auch in der Ausführung nach 3 vorgesehen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventileinsatz
- 2
- Verteilergehäuse
- 3
- Schacht
- 4
- Ventilgehäuse
- 5
- Ventilschaft
- 6
- Membran
- 7
- Absatz
- 8
- Gewinde
- 9
- Ventilkammer
- 10
- Ventilauslass
- 11
- Ventileinlass
- 12
- Ventilschließkörper
- 15
- äußere Hülse
- 16
- Längsrillen
- 17
- innere Hülse
- 20
- erster Abschnitt
- 21
- zweiter Abschnitt
- 22
- Druckluftkolben
- 23
- Lippendichtung
- 24
- Sackloch
- 25
- Zapfen
- 26
- Innengewinde
- 27
- Längsrillen
- 28
- Außengewinde
- 35
- Dichtsitz
- 36
- Druckluftkammer
- 37
- Längskanal
- 38
- Ventilfeder
- 39
- Kopf
- 40
- Käfig
- 41
- Deckel
- 42
- Steg
- 43
- Leckagekanal
- 44
- Einrollnut
- 45
- Entlüftungsbohrung
- 46
- Dichtring
- 47
- Dichtlippe
- 48
- Haltebund
- 49
- Halterampe
- 50
- sägezahnförmige Rampe
- 51
- Fassung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015008661 A1 [0002]
- DE 102007037663 A1 [0006]
