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Die Erfindung betrifft einen Ventilkörper, eine Membran und ein Membranventil.
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Es ist bekannt, dass Membrane für Membranventile einem Verschleiß unterliegen. Dieser Verschleiß erhöht aufgrund der verringerten Lebensdauer die Wartungs- und Tauschzyklen der Membran.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den Verschleiß einer Membran eines Membranventils zu reduzieren und damit die Lebensdauer der Membran zu erhöhen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen Ventilkörper gemäß dem Anspruch 1, durch eine Membran gemäß einem nebengeordneten Anspruch sowie durch ein Membranventil gemäß einem weiteren nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben und finden sich in der Beschreibung sowie in der Zeichnung.
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Ein erster Aspekt dieser Beschreibung betrifft einen Ventilkörper für ein Membranventil, wobei der Ventilkörper einen Befestigungsabschnitt für eine Membran umfasst, wobei innerhalb des Befestigungsabschnitts ein Dichtsteg zum Zusammenwirken mit einem Funktionsbereich der Membran angeordnet ist, wobei eine Dichtkontur des Dichtstegs zwei in einem Längsschnitt des Dichtstegs konvex gewölbte Anlageabschnitte umfasst, welche sich jeweils nach innen gewandt an den Befestigungsabschnitt anschließen.
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Der konvexe Anlageabschnitt verhindert, dass die Membran bei einer Bewegung knickt. Vielmehr bewirkt der Anlageabschnitt insbesondere beim Wegziehen vom Ventilsitz, dass die Membran in eine Roll- bzw. Walkbewegung übergeht, was das Material der Membran im radial äußeren Bereich schont. Damit wird die Membran weniger stark belastet. Darüber hinaus erlaubt die vorgeschlagene Dichtkontur ein gleichmäßigeres Verpressen der Membran über die Dichtkontur hinweg. Folglich erhöht sich die Lebensdauer der Membran gleich in mehrfacher Hinsicht.
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Die Sitzgeometrie begrenzt zwar eine im Vergleich zum Stand der Technik kleinere Querschnittsfläche. Allerdings ermöglicht die vorgenannte Abrollbewegung und die sich daraus ergebende Reduktion der Membranbelastung, dass der Ventilhub vergrößert werden kann. Der vergrößerte Ventilhub überkompensiert sogar die kleinere Sitzschnittfläche dahingehend, als dass sich im Vergleich zum Stand der Technik ein größerer Öffnungsquerschnitt des Ventils einstellt. Entsprechend sind vergleichsweise größere Durchflussmengen stellbar.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass der konvex gewölbte Anlageabschnitt zumindest abschnittsweise einem Kreisbogen, dessen Radius in einem Bereich größer 1/10-tel eines Sitzdurchmessers, insbesondere in einem Bereich zwischen 1/17-tel und 1/5-tel des Sitzdurchmessers, und insbesondere in einem Bereich zwischen 1/11-tel und 1/7-tel des Sitzdurchmessers, liegt, folgt.
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Vorteilhaft stellt dieser Wertebereich für den Radius des konvex gekrümmten Anlageabschnitts eine membranschonende und die Abrollbewegung unterstützende Sitzkontur bereit. Ein minimaler Roll- bzw. Walkradius im Längsschnitt der Membran wird bei der Bewegung der Membran nicht unterschritten, womit die Membran nicht geknickt wird, sondern die Membran vielmehr - beispielsweise beim Öffnen des Ventils - in eine Rollbewegung übergeht. Die Öffnungsbewegung stellt grundsätzlich eine große Belastung für die Membran dar, da eine Druckstückkontur diesen Vorgang nur bedingt unterstützen kann. Der gewählte Radius für den konvex gewölbten Anlageabschnitt entschärft die vorgenannte Belastungsproblematik.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass eine gedachte Tangente der Dichtkontur in einem Krümmungsänderungspunkt mit einer Stellachse einen Winkel im Bereich zwischen 40° und 52°, insbesondere in einem Bereich zwischen 44° und 50°, und insbesondere in einem Bereich zwischen 47° und 49°, einschließt.
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Vorteilhaft wird durch diese gedachte Tangente ein Ventilsitz bereitgestellt, der zum einen eine erhöhte Sitztiefe ermöglicht und gleichzeitig noch eine genügende Anpressung der Membran an den Ventilsitz erlaubt, um sich Membranventil sicher geschlossen zu halten.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass der konvex gekrümmte Anlageabschnitt lotrecht zu einer Stellachse zwischen 1/20-tel und 1/5-tel des Sitzdurchmessers des Dichtstegs, insbesondere zwischen 1/15-tel und 1/6-tel des Sitzdurchmessers, einnimmt.
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Vorteilhaft ragt der konvexe Anlageabschnitt damit so weit in die Ventilsitzöffnung hinein, als dass das Abrollen der Membran vorteilhaft unterstützt wird.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein in dem Längsschnitt des Dichtstegs konkav gewölbter Anlageabschnitt der Dichtkontur sich nach innen an den jeweiligen konvex gewölbten Anlageabschnitt anschließt, wobei der konkav gewölbte Abschnitt geringer gekrümmt ist als der konvex gewölbte Abschnitt.
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Vorteilhaft geht der konvex gewölbte Anlageabschnitt in den konkav gewölbten Anlageabschnitt über und ermöglicht so ein durchgängiges Aufpressen der Membran auf den Dichtsteg. Die geringer ausgeprägte Krümmung des konkav gewölbten Abschnitts stellt sicher, dass ein genügend großer Durchflussquerschnitt bereitgestellt wird.
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Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass ein Krümmungsmittelpunkt des konvex gewölbten Abschnitts und ein Krümmungsmittelpunkt des konkav gewölbten Abschnitts auf einer gedachten gemeinsamen Linie liegen, welche mit der Stellachse einen Winkel in einem Bereich zwischen 45° und 70°, insbesondere in einem Bereich zwischen 65° und 50°, einschließt.
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Ein zweiter Aspekt dieser Beschreibung betrifft eine Membran für ein Membranventil, wobei die Membran einen Befestigungsabschnitt umfasst, wobei innerhalb des Befestigungsabschnitts ein Funktionsbereich zum Zusammenwirken mit einem Dichtsteg eines Ventilkörpers angeordnet ist, wobei eine in einem Schließzustand der Membran ausgebildete Schließkontur des Funktionsbereichs zwei in einem Längsschnitt des Funktionsbereichs konkav gewölbte Anlageabschnitte umfasst, welche sich jeweils nach innen gewandt an den Befestigungsabschnitt anschließen.
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Ein dritter Aspekt dieser Beschreibung betrifft ein Membranventil umfassend den Ventilkörper gemäß dem ersten Aspekt und eine Membran gemäß dem zweiten Aspekt.
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Ein vorteilhaftes Beispiel des Membranventils zeichnet sich dadurch aus, dass in einem geschlossenen Zustand des Membranventils die konkav gewölbten Anlageabschnitte der Membran jeweils an dem zugeordneten konvex gewölbten Anlageabschnitt des Ventilkörpers anliegen.
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In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen Teil eines Membranventils in einer Explosionsansicht;
- 2 einen schematischen Längsschnitt eines Dichtstegs eines Ventilkörpers;
- 3 und 4 jeweils einen Längsschnitt einer Membran;
- 5 in einem schematischen Schnitt eine Membran und einen zugeordneten Ventilkörper;
- 6 verschiedene Stellungen der Membran in schematischer Form;
- 7 einen schematischen Querschnitt eines zentralen Abschnitts der Membran; und
- 8 eine Sicht auf eine Nassseite der Membran.
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1 zeigt einen Teil eines Membranventils 100 in einer Explosionsansicht. Entlang einer Stellachse 102 sind ein Ventilkörper 200, eine erste Membran 300 und eine zweite Membran 400 dargestellt. Die beiden Membranen 300 und 400 bilden eine zweiteilige Membrananordnung 104, wobei die erste Membran 300 als Membranschild und die Membran 400 als Stützmembran bezeichenbar sind. Die Membran 300, 400 umfasst eine Nassseite 390, 490 und eine Trockenseite 392, 492, wobei die Trockenseite 392, 492 von dem Ventilkörper 200 abgewandt ist, und wobei die Nassseite 390, 490 dem Ventilkörper 200 zugewandt ist.
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In einem Beispiel umfasst die erste Membran 300 Polytetrafluorethylen, PTFE, oder ein Perfluoralkoxy-Polymer, PFA, und die zweite Membran 400 umfasst ein Elastomer wie beispielsweise ein vulkanisierter Ethylen-Propylen-DienKautschuk, EPDM. In einem anderen Beispiel sind die Materialen anders gewählt. In einem weiteren Beispiel wird nur eine einzige Einfachmembran umfassend PTFE, PFA oder EPDM verwendet.
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Ein Pin 330, der mit der ersten Membran 300 fest verbunden ist, ist durch eine zentrale Öffnung 430 der zweiten Membran 400 geführt und ist mit einer nicht gezeigten Ventilstange verbunden. Die Ventilstange wird von einem nicht gezeigten Antrieb angetrieben, um die Membran 330 entlang der Stellachse 102 zu bewegen.
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Der Ventilkörper 200 umfasst zwei Prozessfluidanschlüsse 230, 232. Von dem jeweiligen Prozessfluidanschluss 230, 232 führt ein jeweiliger Fluidkanal bis zu einem Dichtsteg 206, der über eine Öffnung 234 des Ventilkörpers 200 zugänglich ist.
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Die Ventilanordnung 104 wird in die Öffnung 234 eingeführt und in einem jeweiligen lateralen Befestigungsabschnitt zwischen dem Ventilkörper 200 und einem Antriebskörper fluiddicht verspannt. In eine Stellrichtung 106 drückt der Antrieb die Membrananordnung 104 auf den Dichtsteg 206, um einen Fluidfluss zwischen den Fluidkanälen zu verhindern. Bei einem Abheben der Membrananordnung 104 von dem Dichtsteg 206 wird ein Öffnungsquerschnitt freigegeben, der den Fluidfluss zwischen den beiden Fluidkanälen erlaubt.
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Vorliegend umfasst die Membrananordnung 104 eine Anzahl von zwei Membrane 300, 400. Die in dieser Beschreibung offenbarten Aspekte lassen sich selbstverständlich auch auf Membrananordnungen mit einer einzigen Membran oder mehr als zwei Membranen übertragen.
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2 zeigt einen schematischen Längsschnitt des Dichtstegs 206 des Ventilkörpers 200. Der Dichtsteg 206 ist spiegelsymmetrisch zur Stellachse 102 aufgebaut, weshalb in 2 nur eine Hälfte des Ventilkörpers 200 gezeigt ist.
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Der Ventilkörper 200 umfasst einen äußeren Befestigungsabschnitt 204 zum Anliegen der Membran 300 aus 1 und zum Verspannen der Membrananordnung 104 aus 1. Innerhalb des Befestigungsabschnitts 204 ist der Dichtsteg 206 zum Zusammenwirken mit einem Funktionsbereich der Membrane 300, 400 angeordnet.
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Eine Dichtkontur des Dichtstegs 206 umfasst zwei in einem Längsschnitt yz des Dichtstegs 260 konvex gewölbte Anlageabschnitte 210, welche sich jeweils nach innen und in Richtung der Stellachse 102 gewandt an den zugeordneten Befestigungsabschnitt 204 anschließen. Die Dichtkontur des Dichtstegs 206 verläuft entlang einer Oberfläche des Dichtstegs 206 und bezieht sich auf den Längsschnitt yz des Dichtstegs 206.
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Der konvex gewölbte Anlageabschnitt 210 folgt zumindest abschnittsweise einem Kreisbogen, dessen Radius R10 in einem Bereich größer 1/10-tel eines Sitzdurchmessers d0, insbesondere in einem Bereich zwischen 1/17-tel und 1/5-tel des Sitzdurchmessers d0, und insbesondere in einem Bereich zwischen 1/11-tel und 1/7-tel des Sitzdurchmessers d0, liegt.
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Eine gedachte Tangente 214 der Dichtkontur schließt in einem Krümmungsänderungspunkt 216 mit einer Stellachse 102 einen Winkel α im Bereich zwischen 40° und 52°, insbesondere in einem Bereich zwischen 44° und 50°, und insbesondere in einem Bereich zwischen 47° und 49, ein. In einem Abschnitt 240 um den Krümmungsänderungspunkt 216 folgt der Dichtsteg 206 der Tangente 214, womit der Abschnitt 240 im Schnitt yz in einer gedachten Kegelstumpfmantelfläche mit der Stellachse 102 als Kegelachse liegt.
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Der konvex gekrümmte Anlageabschnitt 210 nimmt lotrecht zu der Stellachse 102 zwischen 1/20-tel und 1/5-tel des Sitzdurchmessers d0 des Dichtstegs 206, insbesondere zwischen 1/15-tel und 1/6-tel des Sitzdurchmessers d0, ein.
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Der Dichtsteg 206 umfasst wenigstens einen in dem Längsschnitt yz des Dichtstegs 206 konkav gewölbten Anlageabschnitt 212. Ein innerer Bereich der Dichtkontur des Dichtstegs 206, welcher den wenigstens einen konkav gewölbten Anlageabschnitt 212 umfasst, ist von den zwei konvex gekrümmten Anlageabschnitten 210 umgeben. Der konkave Anlageabschnitt 212 schließt sich nach innen und in Richtung der Stellachse 102 an den jeweiligen konvex gewölbten Anlageabschnitt 210 an. Vorliegend umfasst der Dichtsteg 206 einen zentralen, eben ausgebildeten Plateauabschnitt 224. Der Plateauabschnitt 224 kann auch entfallen, womit sich ein einziger konkav gewölbter Anlageabschnitt 212 ergibt. Der konkav gewölbte Abschnitt 212 ist geringer gekrümmt als der konvex gewölbte Abschnitt 210.
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Ein Krümmungsmittelpunkt 218 des konvex gewölbten Abschnitts 210 und ein Krümmungsmittelpunkt 220 des konkav gewölbten Abschnitts 212 liegen auf einer gedachten gemeinsamen Linie 222. Die Linie 222 schließt mit der Stellachse 102 einen Winkel ß in einem Bereich zwischen 45° und 70°, insbesondere in einem Bereich zwischen 65° und 50°, ein.
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Der konkave Anlageabschnitt 212 folgt zumindest abschnittsweise einer Kreisbahn mit einem zweiten Radius R12, wobei der erste Radius R10 größer als ein Sechstel des zweiten Radius R12 und kleiner als die Hälfte des zweiten Radius R12 ist, insbesondere größer als ein Viertel des zweiten Radius R12 und kleiner als die Hälfte des zweiten Radius R12 ist.
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3 zeigt einen Längsschnitt der Membran 300 und 4 zeigt einen Längsschnitt der Membran 400. Im Folgenden werden beide Membrane 400 gemeinsam beschrieben.
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Die Membran 300, 400 umfasst den Funktionsbereich 302, 402 und einen den Funktionsbereich 302, 402 umgebenden Befestigungsabschnitt 304, 404. Die Membran 300, 400 ist in einem entspannten Zustand gezeigt, was bedeutet, dass auf die Membran 300, 400 keine Kräfte ausgeübt werden. Insbesondere ist die Membran 300, 400 im gezeigten entspannten Zustand nicht in einem Ventil eingespannt oder mit einem Antrieb verbunden.
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Der Funktionsbereich 302, 402 umfasst in dem entspannten Zustand 306, 406: Einen zentralen Abschnitt 308, 408, welcher auf der Nassseite 390, 490 der Membran 300, 400 hervorsteht; einen lateralen Abschnitt 310, 410, welcher auf einer Trockenseite 392, 492 der Membran 300, 400 hervorsteht, wobei der laterale Abschnitt 310, 410 wenigstens abschnittsweise in Richtung der Trockenseite 392, 492 der Membran 300, 400 gewölbt ist; und einen zwischen dem zentralen Abschnitt 308, 408 und dem lateralen Abschnitt 310, 410 angeordneten Zwischenabschnitt 312, 412, welcher wenigstens abschnittsweise in Richtung der Nassseite 390, 490 der Membran 300, 400 gewölbt ist.
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Eine erste Lotebene 340, 440 der Stellachse 102 verläuft durch den Befestigungsabschnitt 304, 404. Eine zweite Lotebene 342, 442 der Stellachse begrenzt den lateralen Abschnitt 310, 410 von außen. Eine dritte Lotebene 344, 444 begrenzt den zentralen Abschnitt 308, 408 von außen. Die erste Lotebene 340, 440 befindet sich zwischen der zweiten Lotebene 342, 442 und der dritten Lotebene 344, 444.
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Eine Membrandicke bzw. Wandstärke der Membran 300, 400 nimmt in einem Bereich umfassend den Zwischenabschnitt 312, 412 und den lateralen Abschnitt 310, 410 in Richtung des Befestigungsabschnitts 304, 404 wenigstens abschnittsweise ab. In einem weiteren Beispiel ist die Membrandicke bzw. Wandstärke der Membran 300, 400 in dem Bereich umfassend den Zwischenabschnitt 312, 412 und den lateralen Abschnitt 310, 410 im Wesentlichen konstant gewählt.
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Der Zwischenabschnitt 312, 412 folgt zumindest abschnittsweise einem Kreisbogen 314, 414 mit einem ersten Radius R1_3, R1_4. Der laterale Abschnitt 310, 410 folgt zumindest abschnittsweise einem Kreisbogen 316, 416 mit einem zweiten Radius R2_3, R2_4. Der zweite Radius R2_3, R2_4 ist kleiner gewählt als der erste Radius R1_3, R1_4. Insbesondere liegt ein Verhältnis des zweiten Radius R2_3, R2 4 zu dem ersten Radius R1_3, R1_4 zwischen 0,40 und 0,85, insbesondere zwischen 0,55 und 0,75. Der erste Radius R1_3, R1_4 liegt in einem Bereich größer 1/10-tel eines Sitzdurchmessers d0, insbesondere in einem Bereich zwischen 1/17-tel und 1/5-tel des Sitzdurchmessers d0, und insbesondere in einem Bereich zwischen 1/11-tel und 1/7-tel des Sitzdurchmessers d0.
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5 zeigt in einem schematischen Schnitt die Membran 300 und den zugeordneten Ventilkörper 200. Die Befestigungsabschnitte 204 und 304 liegen fluiddicht aneinander an. Die Membran 300 ist schematisch in dem entspannten Zustand gezeigt. Es ergibt sich ein Öffnungsquerschnitt 520 zwischen der Membran 300 und dem Dichtsteg 206, durch den Prozessfluid fließen kann.
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Wird die Membran 300 auf den Dichtsteg 206 aufgedrückt, so ergibt sich eine in diesem Schließzustand der Membran 300 ausgebildete Schließkontur des Funktionsbereichs 302 mit zwei in dem Längsschnitt yz des Funktionsbereichs 302 konkav gewölbten Anlageabschnitten 510, welche sich jeweils nach innen gewandt an den Befestigungsabschnitt 304 anschließen. Die Schließkontur des Funktionsbereichs 302 bezieht sich auf eine nassseitige Oberfläche der Membran 300, und zwar in einem Längsschnitt xy des zugeordneten Dichtstegs 206. In dem geschlossenen Zustand des Membranventils 100 liegen die konkav gewölbten Anlageabschnitte 510 der Membran 300 jeweils an dem zugeordneten konvex gewölbten Anlageabschnitt 210 des Ventilkörpers 200 an.
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Eine Länge einer Längsschnittkontur des Funktionsbereichs 302, 402 der Membran 300, 400 aus 3 oder 4 ist kürzer, insbesondere zwischen 1-4% kürzer, insbesondere zwischen 2-3% kürzer, als eine Längsschnittkontur des Dichtstegs 206 des Ventilkörpers 200. Die Längsschnittkontur bezieht sich auf eine nassseitige Oberfläche der Membran 300, 400, und zwar im Längsschnitt des zugeordneten Dichtstegs 206.
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6 zeigt verschiedene Stellungen der Membran in schematischer Form im Schnitt yz. Der in 6 nicht gezeigte entspannte Zustand 306, 406 der Membran 300, 400 aus 3 bzw. 4 entspricht einer unbelasteten Zwischenstellung der Membran 300, 400, welche sich zwischen einer geöffneten Stellung 602 und einer geschlossenen Stellung 604 befindet. Ein maximaler Öffnungsquerschnitt 610 ergibt sich zwischen der geöffneten Stellung 602 und der geschlossen Stellung 604.
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Die gezeigte Stellung 606 der Membran 300, 400 stellt sich dann ein, wenn die Membran 300, 400 vom Dichtsteg 206 abgehoben und in Richtung der geöffneten Stellung 602 bewegt wird. Durch die in dieser Beschreibung ausgeführte Konfiguration der Membran 300, 400 stellt sich in der Stellung 606 in einem Schnitt, welcher die Stellachse 102 umfasst, eine laterale Wölbung 608 ein. Die Wölbung 608 öffnet sich zur jeweiligen Nassseite hin. Die Wölbung 608 umfasst einen minimalen Walkradius Rw, der beim Durchlaufen der Stellungen ausgehend von der Stellung 604 hin zur Stellung 602, nicht unterschritten wird.
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7 zeigt einen schematischen Querschnitt des zentralen Abschnitts der Membran 300. Der zentrale Abschnitt 308 umfasst einen nassseitigen Dichtsteg 702. Der Dichtsteg 702 ist in einem Schnitt xz lotrecht zum Verlauf des Dichtstegs 702 von zwei Ausnehmungen 704, 706 umgeben.
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In einem alternativen Beispiel entfallen der Dichtsteg 702 und die entsprechenden Ausnehmungen 704, 706. Eine nassseitige Oberfläche des zentralen Abschnitts 308 ist in diesem Beispiel rotationssymmetrisch zur Stellachse 108 ausgebildet.
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8 zeigt eine Sicht auf die Nassseite der Membran 300 in z-Richtung. Die Membran 300 umfasst eine nassseitige Oberflächenkontur des Zwischenabschnitts 312, welche rotationssymmetrisch zu der Stellachse 102 ausgebildet ist. Der Dichtsteg 702 geht in Bereichen 802 und 804 stetig in die rotationssymmetrisch ausgebildete nassseitige Oberflächenkontur des Zwischenabschnitts 312 über.
