DE10216661A1 - Verbundmembran - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbundmembran (1) für ein Membranventil mit einer Trägerschicht (11) aus Elastomer und einer Deckschicht (12) insbesondere aus Fluorpolymer. Trägerschicht (11) und Deckschicht (12) sind dabei zumindest bereichsweise miteinander verbunden. DOLLAR A Dabei zeichnet sich die Verbundmembran (1) der Erfindung dadurch aus, dass die Deckschicht (12) als Sinterformteil vorliegt und auf die Trägerschicht (11) aufvulkanisiert ist. DOLLAR A Dank der Erfindung ist es möglich, Sinterherstellung vorteilhaft für eine durch Vulkanisation erzeugte Verbundmembran einzusetzen. Hierdurch lassen sich Membranen erhalten, bei denen sich Kostengünstigkeit in der Herstellung mit besonders hoher Betriebssicherheit und Lebensdauer verbindet.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Verbundmembran zum Einsatz insbesondere in einem für aggressive Medien einsetzbaren Membranventil, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Verbundmembranen der eingangs genannten Art werden in Membranventilen zur steuerbaren Unterbrechung bzw. Regulierung der Durchflussmenge von in Rohrleitungen strömenden Medien eingesetzt. Die Membranen sind im Ventil dabei im Strömungsweg der Flüssigkeit bzw. des Mediums so angeordnet, dass sich im Ventil durch Veränderung der Membranstellung ein veränderbarer Durchflussquerschnitt für die Flüssigkeit bzw. das Medium ergibt.
• Hierzu lässt sich die Membran auf ihrer dem Medium abgewandten Rückseite, beispielsweise durch einen mittels Handrad axial verstellbaren Stempel, vom Strömungsweg durch das Ventil weg- bzw. auf den Strömungsweg hinbewegen. Für das vollständige Verschließen des Durchflussquerschnitts im Ventil wird der Stempel soweit abgesenkt bzw. in den Strömungsweg hineinbewegt, dass die Membran an einem im Flüssigkeitsweg angeordneten erhabenen Gehäusesteg, den Flüssigkeitsweg dicht abschließend; zur Anlage kommt.
• Sollen derartige Membranventile zur Regulierung von Flüssigkeits- bzw. Medienströmen mit chemisch aggressivem Charakter zum Einsatz kommen, so ist es oftmals erforderlich, die aus Elastomermaterial gefertigten Membranen der Membranventile vor den Einwirkungen der das Ventil durchströmenden aggressiven Medien zu schützen. Hierzu ist es bekannt, die Elastomermembranen von Membranventilen auf ihrer dem Medium zugewandten Seite mit einer Deckschicht zu versehen, die zumeist aus einem geeigneten medienbeständigen Thermoplasten bzw. organischen Polymer besteht.
• Wegen der hervorragenden Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien wie beispielsweise Säuren, Kraftstoffen, Ölen und anderen Kohlenwasserstoffen kommen hierzu oftmals Kunststoffe aus der Gruppe der fluorierten Polymere, wie beispielsweise PTFE, zum Einsatz. Dabei ist die aus Elastomer bestehende Trägerschicht der Membran mit der medienbeständigen Deckschicht zumindest bereichsweise verbunden, so dass die Deckschicht den beispielsweise mittels Ventilhandrad initiierten Translations- und Biegebewegungen der Membranträgerschicht zuverlässig folgt.
• Es sind Verbundmembranen mit einer Trägerschicht aus Elastomer und einer Deckschicht aus PTFE bekannt, bei denen die medienbeständige Deckschicht in Form einer auf die Trägerschicht aus Elastomer aufvulkanisierten PTFE-Folie vorliegt. Aufgrund der schwierigen Wärmeformbarkeit von Fluorpolymeren wie beispielsweise PTFE werden hierzu Folien eingesetzt, die beispielsweise durch Abschälen aus PTFE- Vollmaterial hergestellt werden. Derartige Folien weisen jedoch eine für den Einsatz als Ventilmembran oft unerwünscht hohe Biegesteifigkeit sowie Sprödigkeit auf, und haben zudem oftmals eine unbefriedigend rauhe Oberfläche.
• Darüber hinaus weisen geschälte Folien prinzipbedingt eine über ihre gesamte Fläche konstante Dicke auf und sind beim Aufvulkanisieren auf die Elastomer-Trägerschicht der Ventilmembran zur Anpassung an die im Ventil vorhandenen geometrischen Verhältnisse nur noch in einem sehr geringfügigen Maß verform- bzw. prägbar.
• Mit diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbundmembran für ein Membranventil zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet und die insbesondere eine hohe Flexibilität bei gleichzeitig hoher Medienbeständigkeit in Verbindung mit sehr großer Freiheit bei der Gestaltung von Wanddickenverlauf sowie Oberflächengestalt aufweist.
• Diese Aufgabe wird durch eine Verbundmembran mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die Verbundmembran gemäß der vorliegenden Erfindung weist zunächst in an sich bekannter Weise zumindest eine beispielsweise aus Elastomer bestehende Trägerschicht sowie zumindest eine Deckschicht aus einem medienbeständigen organischen Polymer, beispielsweise PTFE, auf. Dabei sind Trägerschicht aus Elastomer und Deckschicht aus PTFE zumindest bereichsweise miteinander verbunden.
• Erfindungsgemäß besteht die Deckschicht jedoch nicht aus einer insbesondere bei PTFE durch Schälen herzustellenden Folie, die die beschriebenen Nachteile, insbesondere eine unerwünscht hohe Biegesteifigkeit aufweist, sondern es liegt die Deckschicht vielmehr in Form eines durch Sintern hergestellten Formteils vor. Dabei ist die Deckschicht an der Trägerschicht zumindest bereichsweise durch Aufvulkanisieren befestigt.
• Eine Deckschicht, die nicht mehr aus einer geschälten Folie hergestellt wird, sondern vielmehr in Form eines gesinterten Formteils vorliegt, besitzt zunächst einmal den mit einem Sinterbauteil bei Fluorpolymeren inhärent verbundenen Vorteil, bei beispielsweise gleicher Wandstärke eine deutlich geringere Biegesteifigkeit aufzuweisen, was sie für den Einsatz bei den möglichst leicht zu bewegenden bzw. zu verformenden Ventilmembranen prädestiniert. Mit der erhöhten Biegeelastizität eines gesinterten Formteils geht die bei einer Ventilmembran ebenfalls vorteilhafte Erhöhung der Anzahl der von der Deckschicht ertragbaren Biegewechselzyklen einher. Durch das Aufvulkanisieren der Deckschicht auf die Trägerschicht wird ferner eine besonders kostengünstige, zuverlässige und materialspannungsarme Befestigung der Membranschichten aneinander erzielt.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Trägerschicht und Deckschicht dabei nicht vollflächig miteinander verbunden bzw. aufeinandervulkanisiert, sondern es ist die Deckschicht lediglich in einem begrenzten Flächenbereich, dessen Durchmesser kleiner als der Wirkdurchmesser der Membran ist, auf die Trägerschicht aufvulkanisiert. Eine dergestalt lediglich in einem begrenzten Flächenbereich vorgenommene Verbindung zwischen Deckschicht und Trägerschicht ist insofern vorteilhaft, als dadurch die Biegeelastizität der gesamten Verbundmembran weiter deutlich erhöht werden kann, was sich für das Ventil in Form erhöhter Membranlebensdauer und verringerter Betätigungskraft auswirkt.
• Form und Gestalt der durch Sintern hergestellten Deckschicht sind für die Erfindung zunächst von keiner wesentlichen Bedeutung. Bei einem durch Sintern hergestellten Bauteil bestehen prinzipbedingt jedoch sehr viel größere Freiheiten bezüglich der Gestaltung des Formteils als bei einer insbesondere durch Schälen herzustellenden Folie. Mit diesem Hintergrund ist es gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Deckschicht in verschiedenen Flächenbereichen unterschiedlich große, an spezifische konstruktive Anforderungen angepasste Wanddicken aufweist. So kann beispielsweise in besonders stark durch Biegung beanspruchten Bereichen die Wandstärke der Deckschicht geringer gehalten werden, während sie in besonders dem Medienangriff ausgesetzten Bereichen entsprechend erhöht werden kann.
• Um ein zuverlässiges, sicheres und reproduzierbares Schließen eines mit einer Verbundmembran arbeitenden Membranventils zu gewährleisten, ist ein definierter Sitz der Verbundmembran an dem zumeist der Membran gegenüberliegenden Gehäusesteg erforderlich. Mit diesem Hintergrund ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Deckschicht der Verbundmembran auf ihrer der Trägerschicht abgewandten, dem Gehäusesteg zugewandten Seite eine Prägung, besonders bevorzugt eine erhaben stegartig ausgebildete Prägung aufweist. Die Prägung der Membranoberfläche führt in der Verschlussstellung des Ventils zu einer geometrisch exakt definierten und damit dichten Anlage der Membran am Gehäusesteg des Ventils.
• Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Deckschicht in der Verschlussstellung des Ventils nicht undefiniert flächig am Gehäusesteg des Ventils zur Anlage kommt, wodurch Leckageströme auftreten können, sondern dass die Deckschicht in der Ventilverschlussstellung aufgrund ihrer Prägung eine definierte linienförmige Anlage der Membran am Gehäusesteg gewährleistet. Vorzugsweise verläuft dabei ein erhaben geprägter Steg mittig über den gesamten Wirkdurchmesser der Membran, der am Steg des Ventilgehäuses, den Medienweg dicht abschließend, zur Anlage gebracht werden kann.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die aus Elastomer bestehende Trägerschicht der Verbundmembran eine innerhalb der Trägerschicht angeordnete Zwischenlage aus einem textilen Material. Eine dergestalt ausgerüstete Verbundmembran weist eine besonders hohe Lebensdauer sowie eine besonders hohe Versagenssicherheit im Fall extremer Betriebsbedingungen auf.
• Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Trägerschicht eine vorzugsweise zentrisch an der Verbundmembran angeordnete Einrichtung zur Einleitung der Betätigungskräfte in die Verbundmembran. Dabei ist die Einrichtung zur Einleitung von Betätigungskräften besonders bevorzugt mit einem Schraubenbolzen versehen, der vorzugsweise in das Material der Trägerschicht eingebettet bzw. einvulkanisiert ist. Auf diese Weise wird dauerhafte Dichtigkeit der Verbundmembran bei gleichzeitig sicherer Einleitung der Betätigungskräfte in die Membran gewährleistet. Nach einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Einrichtung zur Einleitung von Betätigungskräften in die Verbundmembran dabei mit der Einlage aus textilem Material, die sich in der Trägerschicht der Verbundmembran befindet, verbunden, wodurch Belastbarkeit und Versagenssicherheit der Verbundmembran weiter verbessert werden können.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellender Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigt:
• Fig. 1 in einer schematischen, geschnittenen seitlichen Darstellung zunächst ein aus dem Stand der Technik bekanntes Membranventil;
• Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Verbundmembran gemäß der Erfindung in schematischer, seitlicher Schnittansicht;
• Fig. 3 die Verbundmembran gemäß Fig. 2 in schematischer Draufsicht;
• Fig. 4 in einer Fig. 2 entsprechenden Darstellung die Deckschicht der Verbundmembran gemäß Fig. 2; und
• Fig. 5 in schematischer Draufsicht die Deckschicht gemäß Fig. 4.
• In Fig. 1 ist zunächst ein Schema eines eine Membran 1 aus einem Elastomermaterial aufweisenden Membranventils dargestellt. Man erkennt, dass die Membran 1 mittels nicht dargestellter, bei 2 angeordneter Verschraubungen zwischen einem Ventilgrundkörper 3 und einem Ventildeckel 4 so eingespannt ist, dass eine durchgängige Medienverbindung zwischen Ventileinlass 5 über einen Überströmkanal 6 zum Ventilauslass 7 eröffnet wird. Durch den mittels Handrad 8 in der Vertikalen verstellbaren Stempel 9 lässt sich die Membran 1 nach zeichnungsbezogen oben oder unten bewegen bzw. wölben, wodurch sich der Wirkquerschnitt des Überströmkanals 6 entsprechend verändert. In der untersten Stellung des Stempels 9 kommt die Membran 1 an einem Steg 10 des Ventilgrundkörpers 3 zur Anlage, wodurch die Medienverbindung zwischen Ventileinlass 5 und Ventilauslass 7 dicht schließend unterbrochen wird.
• Aus der Darstellung der Fig. 1 wird deutlich, dass die Membran 1 dem Angriff eines durch das Ventil strömenden aggressiven Mediums direkt ausgesetzt ist, was bei Ventilen für aggressive Medien eine entsprechende Schutzbeschichtung der Membran 1 erfordert.
• Die Fig. 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Verbundmembran 1 gemäß der vorliegenden Erfindung in schematischer seitlicher Schnittdarstellung (Fig. 2) bzw. in schematischer Draufsicht (Fig. 3). Die dargestellte Verbundmembran 1 setzt sich zusammen aus einer Trägerschicht 11, die aus einem Elastomermaterial besteht, und aus einer Deckschicht 12 aus PTFE, die an die Trägerschicht 11 anvulkanisiert ist. Die Vulkanisierung erfolgt dabei lediglich in dem mit B bezeichneten mittigen Bereich, so dass in dem außerhalb des Bereichs B liegenden kreisringförmigen Bereich K (Fig. 3) der Verbundmembran die Deckschicht 12 lose und daher verschiebbar auf der Trägerschicht 11 aufliegt. Dies führt im Vergleich zu einer vollflächig an die Trägerschicht 11 anvulkanisierten Deckschicht 12 zu einer sehr viel größeren Biegeelastizität und zu einer erheblichen Erhöhung der Anzahl durch die Membran ertragbarer Biegewechselzyklen.
• Ferner erkennt man insbesondere in Fig. 2 einen in das Material der Trägerschicht 11 teilweise eingebetteten Schraubenbolzen 13, mit dem sich die Verbundmembran am Betätigungsstempel 9 des Membranventils befestigen lässt. Die in Fig. 3 erkennbaren Bohrungen 14 dienen der Befestigung der Verbundmembran durch Flanschverschraubungen bei 2, zwischen dem Schraubflansch des Ventildeckels 4 und dem Grundkörper 3 des Membranventils (Fig. 1).
• In Fig. 4 ist die PTFE-Deckschicht 12 der Verbundmembran gemäß Fig. 2 und 3 separat dargestellt. Man erkennt, dass die als Sinterformteil vorliegende Deckschicht 12 in unterschiedlichen Flächenbereichen 16, 17 unterschiedlich große Wandstärken und jeweils angepasste Anschlussradien 15 erhalten kann, was bei insbesondere durch Schälen hergestellten PTFE-Folien nicht möglich ist. So kann die Deckschicht beispielsweise im mittleren, insbesondere in der Verschlussstellung besonders beanspruchten Bereich 16 eine erhöhte Wandstärke und in den radial äußeren besonders stark durch Biegung beanspruchten Bereichen 17 eine entsprechend geringere Wandstärke erhalten. Weiterhin ist es bei einer durch Sintern hergestellten Deckschicht 12 insbesondere möglich, die dem Medium zugewandte Seite der Deckschicht 12 mit einer beispielsweise stegartigen Prägung 18 zu versehen, durch die ein definierter Sitz der Deckschicht 12 am Gehäusesteg 10 des Ventilgrundkörpers 3, im Sinne einer reproduzierbar dichten Verschlussstellung des Ventils, erreicht werden kann.
• Im Ergebnis wird somit deutlich, dass es dank der Erfindung möglich ist, Sinterherstellung vorteilhaft für eine Membrandeckschicht einer durch Vulkanisation erzeugten Verbundmembran anzuwenden, und somit Verbundmembranen zu erhalten, die Kostengünstigkeit in der Herstellung mit extrem hoher Betriebssicherheit sowie Lebensdauer verbinden.

Claims (11)

1. Verbundmembran (1) für ein Membranventil mit zumindest einer Trägerschicht (11) aus Elastomer und zumindest einer Deckschicht (12) aus einem medienbeständigen Polymermaterial, wobei Trägerschicht (11) und Deckschicht (12) zumindest bereichsweise miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (12) ein Sinterformteil ist und auf die Trägerschicht (11) aufvulkanisiert ist.

2. Verbundmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Trägerschicht (11) und Deckschicht (12) in einem Flächenbereich (B), dessen Durchmesser kleiner als der Wirkdurchmesser der Membran (1) ist, mittig miteinander verbunden sind.

3. Verbundmembran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (12) in verschiedenen Flächenbereichen (16, 17) unterschiedlich große Wanddicken aufweist.

4. Verbundmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (12) auf ihrer der Trägerschicht (11) abgewandten Seite eine Prägung (18) aufweist.

5. Verbundmembran nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägung (18) erhaben stegartig ausgebildet ist.

6. Verbundmembran nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Steg (18) mittig über den gesamten Wirkdurchmesser der Membran (1) verläuft.

7. Verbundmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (11) eine Zwischenlage aus textilem Material umfasst.

8. Verbundmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (11) eine bevorzugt zentrisch angeordnete Einrichtung (13) zur Einleitung von Betätigungskräften umfasst.

9. Verbundmembran nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (13) zur Einleitung von Betätigungskräften als Schraubverbindung ausgebildet ist.

10. Verbundmembran nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (13) zur Einleitung von Betätigungskräften in das Material der Trägerschicht (11) eingebettet bzw. einvulkanisiert ist.

11. Verbundmembran nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (13) zur Einleitung von Betätigungskräften mit der Einlage aus textilem Material in der Trägerschicht (11) verbunden ist.