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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Membranventil, und insbesondere ein Membranventil, wobei eine Membran benutzt wird, die aus Kunstharz wie etwa PTFE gebildet ist.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Ein Membranventil mit einem Körper, der mit einem Fluiddurchlass, einem Sitz, der am Körper gebildet ist und an einer Umfangskante des im Körper gebildeten Fluiddurchlasses angeordnet ist, um lösbar anbringbar zu sein, einer scheibenförmigen Membran, die zum Öffnen und Schließen des Fluiddurchlasses konfiguriert ist, indem Druck auf sie ausgeübt wird und sie vom Sitz fort bewegt wird, und einem Auf- und Abwärtsbewegungsmittel, das dazu konfiguriert ist, einen Membranhalter zu bewegen, der dazu konfiguriert ist, Druck auf einen mittleren Abschnitt der Membran auszuüben, ist bekannt (Patentliteratur 1 und dergleichen).
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Eine solche Membran ist dazu konfiguriert, eine Öffnung eines nach oben gewandten vertieften Abschnitts zu verschließen, die im Körper vorgesehen ist, indem sie an einem Außenumfangsabschnitt des Körpers an diesem befestigt ist, ist in Bezug auf den Außenumfangsabschnitt an einem mittleren Abschnitt derselben elastisch verformbar (vertikal bewegbar), und trägt zum Öffnen und Schließen des Fluiddurchlasses bei, indem sie im Zusammenhang mit der vertikalen Bewegung einer Ventilstange elastisch verformt wird.
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Die Membran ist beispielsweise aus einem Nickellegierungsblech gebildet und ist in der Form einer umgekehrten Schüssel gebildet, indem sie zu einer kreisförmigen Form ausgeschnitten wird und bewirkt wird, dass ein mittlerer Abschnitt davon nach oben vorspringt. Die Membran kann aus einem Edelstahlblech oder aus einem laminierten Element gebildet sein, das aus dem Edelstahlblech und einem Blech aus Nickel-Kobalt-Legierung zusammengesetzt ist. Auch eine Membran aus PTFE ist bekannt.
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Zitierte
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Patentreferenzliteratur
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KURZDARSTELLUNG
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Technische Aufgabe
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Da bei dem oben beschriebenen Membranventil des Stands der Technik ein scheibenförmiger Abschnitt der Membran vollständig verformt wird, liegen die Probleme vor, dass die Verformungsmenge beträchtlich ist und leicht Staub erzeugt wird, und es liegt auch das Problem vor, dass eine Volumenänderung im Zusammenhang mit dem Öffnen und Schließen des Fluiddurchlasses beträchtlich ist, und es liegt ferner das Problem vor, dass eine Druckaufnahmefläche der Membran bei geschlossenem Durchlass groß ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Membranventil bereitzustellen, dass die Probleme der scheibenförmigen Membran lösen kann, also die Probleme, dass die Verformungsmenge beträchtlich ist und leicht Staub erzeugt wird, dass eine Volumenänderung im Zusammenhang mit dem Öffnen und Schließen des Fluiddurchlasses beträchtlich ist, und dass eine Druckaufnahmefläche der Membran bei geschlossenem Durchlass groß ist.
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Lösung des Problems
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Ein Membranventil gemäß der vorliegenden Erfindung, Folgendes aufweisend: einen Körper, der mit einem Fluiddurchlass versehen ist; ein Gehäuse, das über dem Körper vorgesehen ist; eine Membran, die zum Öffnen und Schließen des Fluiddurchlasses konfiguriert ist; und eine Ventilstange, die zum Bewegen der Membran in einer Schließ- oder Öffnungsrichtung konfiguriert ist, indem sie sich aufwärts oder abwärts bewegt, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus einem Kunstharz hergestellt gebildet ist und Folgendes aufweist: einen zylindrischen Abschnitt, der fest an der Ventilstange angebaut ist; einen Bodenwandabschnitt, der eine untere Endöffnung des zylindrischen Abschnitts schließt; einen Flanschabschnitt, der an einem oberen Endabschnitt des zylindrischen Abschnitts vorgesehen ist; und einen Vorsprungabschnitt, der an einem mittleren Abschnitt des Bodenwandabschnitts vorgesehen ist und einer oberen Endöffnung des Fluiddurchlasses zugewandt ist, und dadurch, dass eine vertikale Querschnittform eines axial mittleren Abschnitts des zylindrischen Abschnitts im Wesentlichen in bogenförmiger Form gebildet ist, die radial nach außen vorspringt.
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Die Membran weist anders als die des Stands der Technik keine Scheibenform auf und weist eine im Wesentlichen zylindrische Form mit Boden auf, die einen zylindrischen Abschnitt mit einem Flanschabschnitt und einen Bodenabschnitt mit einem Vorsprungabschnitt aufweist. Indem der zylindrische Abschnitt den vertikalen Querschnitt einer im Wesentlichen bogenförmigen Form aufweist, die am axial mittleren Abschnitt radial nach außen vorspringt, kann der axial mittlere Abschnitt des zylindrischen Abschnitts ohne Weiteres in einer Axialrichtung elastisch verformt (durch Zusammendrücken verformt) werden.
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Auf diese Weise werden ein geschlossener Zustand, in dem der Vorsprungabschnitt der Membran die obere Endöffnung des Fluiddurchlasses schließt, und ein geöffneter Zustand, in dem der zylindrischen Abschnitt durch Zusammendrücken verformt ist und der Vorsprungabschnitt der Membran von der oberen Endöffnung des Fluiddurchlasses getrennt ist, erzielt. Die Verformung des zylindrischen Abschnitts ist dabei eine Verformung in einem Zustand, in dem die zylindrische Form beibehalten wird, weshalb der Vorsprungabschnitt, der die Öffnung des Fluiddurchlasses verschließt, nicht verformt wird. Das Ausmaß der Verformung kann daher kleiner als bei der scheibenförmigen Membran sein, die in ihrem mittleren Abschnitt verformt wird. Entsprechend können die Probleme der scheibenförmigen Membran, nämlich, dass die Verformungsmenge beträchtlich ist und leicht Staub erzeugt wird, dass eine Volumenänderung im Zusammenhang mit dem Öffnen und Schließen des Fluiddurchlasses beträchtlich ist, und dass eine Druckaufnahmefläche der Membran bei geschlossenem Durchlass groß ist, gelöst werden.
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Die Membran kann als ein aus Kunstharz hergestelltes Formprodukt erlangt werden, das mithilfe eines Metallformwerkzeugs gebildet wird, oder als ein durch Bearbeiten gebildetes Produkt. Hinsichtlich des Kunstharzes liegen keine besonderen Einschränkungen vor. Geeignet sind jedoch fluorhaltige Kunstharze wie etwa Tetrafluoridkunstharz (PTFE) und dergleichen mit einer hohen Arzneistoffbeständigkeit und einer hohen Korrosionsbeständigkeit. Indem die Membran aus einem solchen Kunstharz hergestellt wird, kann die Korrosionsbeständigkeit gegenüber einer Membran aus Metall verbessert werden. Zu Beispielen für weitere fluorhaltige Kunstharze außer PTFE gehören Tetrafluorethylen/perfluoralkylvinylether-Copolymere (PFA), Tetrafluorethylen-hexafluorpropylen-Copolymer (FEP), Ethylentetrafluorethylen (ETFE), Polyvinylidenfluoridharz (PVDF) und dergleichen.
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Vorzugsweise ist der zylindrische Abschnitt der Membran an einem unteren Innenumfang desselben mit einem Innengewindeabschnitt versehen, und die Membran ist an der Ventilstange angebracht, indem der Innengewindeabschnitt in einen Außengewindeabschnitt am Außenumfang der Ventilstange eingeschraubt ist, und der axial mittlere Abschnitt des zylindrischen Abschnitts ist dünner als der untere Abschnitt des zylindrischen Abschnitts.
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In dieser Konfiguration wird die Bewegung der Membran im Zusammenhang mit der Bewegung der Stange sichergestellt, und die Menge der elastischen Verformung des zylindrischen Abschnitts der Membran am axial mittleren Abschnitt kann erhöht werden.
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Vorzugsweise ist das Gehäuse mit einem zylindrischen Führungsabschnitt versehen, der dazu konfiguriert ist, die Ventilstange zu führen und den Flanschabschnitt der Membran aufzunehmen, der sich nach oben bewegt hat, und ein elastisches Element ist zwischen einer unteren Endfläche des zylindrischen Führungsabschnitts und einer Oberfläche des Flanschabschnitts der Membran angeordnet.
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Da der zylindrische Führungsabschnitt, der dazu konfiguriert ist, die Ventilstange zu führen, in dieser Konfiguration auch eine Funktion zum Aufnehmen des Flanschabschnitts der Membran aufweist, wird der Aufbau vereinfacht, und da das elastische Element zwischen der unteren Endfläche des zylindrischen Führungsabschnitts und der Oberfläche des Flanschabschnitts der Membran angeordnet ist, wird verhindert, dass die aus Kunstharz hergestellte Membran beschädigt wird.
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Das Membranventil kann ein Auf- und Abwärtsbewegungsmittel aufweisen, das ein manuell betätigtes Ventil wie etwa ein Öffnen-Schließen-Griff ist, oder das ein automatisches Ventil mit einem geeigneten Stellglied als Auf- und Abwärtsbewegungsmittel sein kann. Das Stellglied im Fall des automatischen Ventils kann mit Fluid-(Luft-)Druck oder durch eine elektromagnetische Kraft betätigt werden.
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In dieser Beschreibung ist eine Bewegungsrichtung der Ventilstange (eine Axialrichtung der Membran) als eine Auf- und Abwärtsrichtung definiert. Allerdings ist diese Richtung nur der Zweckmäßigkeit halber definiert, und bei der tatsächlichen Anbringung kann die Auf- und Abwärtsrichtung nicht nur eine senkrechte, sondern auch eine horizontale Richtung sein.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Gemäß dem Membranventil der vorliegenden Erfindung können die Probleme der scheibenförmigen Membran, nämlich, dass die Verformungsmenge beträchtlich ist und leicht Staub erzeugt wird, dass eine Volumenänderung im Zusammenhang mit dem Öffnen und Schließen des Fluiddurchlasses beträchtlich ist, und dass eine Druckaufnahmefläche der Membran bei geschlossenem Durchlass groß ist, gelöst werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine vertikale Querschnittansicht, die eine erste Ausführungsform eines Membranventils der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist eine Zeichnung, die eine Außenumfangsfläche der Membran in vergrößerter Ansicht zeigt, und stellt einen Zustand mit geschlossenem Fluiddurchlass dar.
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3 ist eine Zeichnung, die die Außenumfangsfläche der Membran in vergrößerter Ansicht zeigt, und stellt einen Zustand mit geöffnetem Fluiddurchlass dar.
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Liste der Bezugszeichen
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- (1): Membranventil, (2): Körper, (2a): Fluideinlassdurchlass, (2b): Fluidauslassdurchlass, (4) Ventilstange, (5): Membran, (10): Tellerfeder (elastisches Element), (21): zylindrischer Abschnitt, (22): Bodenwandabschnitt, (23): Flanschabschnitt, (24): Vorsprungabschnitt, (31): oberer Abschnitt, (32): unterer Abschnitt, (32a): Innengewindeabschnitt, (33): mittlerer Abschnitt (axial mittlerer Abschnitt), (34a): Außengewindeabschnitt, (37); zylindrischer Führungsabschnitt
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Beschreibung der Ausführungsform
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Es soll nun eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. In der nachfolgenden Beschreibung bezeichnen oben, unten, links und rechts oben, unten, links und rechts in 1.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Membranventils gemäß der vorliegenden Erfindung, und ein Membranventil (1) weist einen Körper (2), ein Gehäuse (3), das über dem Körper (2) angebracht ist, eine Ventilstange (4), die in dem Gehäuse (3) angeordnet ist, derart, dass sie in vertikaler Richtung beweglich ist, eine Membran (5), die fest an einen unteren Abschnitt der Ventilstange (4) angebaut ist, einen Kolben (6), der einstückig mit der Ventilstange (4) an einem oberen Endabschnitt der Ventilstange (4) vorgesehen ist, eine Zylinderkammer (7), die an einem oberen Abschnitt des Gehäuses (3) vorgesehen ist und dazu konfiguriert ist, den Kolben (6) derart unterzubringen, dass er in vertikaler Richtung beweglich ist, eine Kappe (8), die zum Schließen einer oberen Endöffnung des Gehäuses (3) konfiguriert ist, und eine Justiereinrichtung (9) auf, die dazu konfiguriert, einen mittleren Abschnitt der Kappe (8) zu durchdringen.
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Der Körper (2) ist mit einem vertieften Abschnitt (11) versehen, der sich nach oben öffnet. Die obere Endöffnung eines Fluideinlasses (2a), die sich an einem unteren Ende öffnet, steht mit einer Bodenfläche des vertieften Abschnitts (11) in Verbindung, und ein linkes Ende eines Fluidauslasses (2b) öffnet sich an einem rechten Ende und verläuft zu einer rechten Seitenfläche des vertieften Abschnitts (11). Der vertiefte Abschnitt (11) des Körpers (2) weist einen Abschnitt mit großem Durchmesser (11a) an einer oberen Seite und einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser (11b) an der unteren Seite auf, der über eine Schulterfläche (11c) mit dem Abschnitt mit großem Durchmesser (11a) in Verbindung steht.
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Die Membran (5) ist aus einem Kunstharz gebildet und, wie in 2 und 3 gezeigt, dem zylindrische Abschnitt (21), der fest an der Ventilstange (4) angebaut ist, einem Bodenwandabschnitt (22), der eine untere Endöffnung des zylindrischen Abschnitts (21) schließt, einem äußeren Flanschabschnitt (23), der am anderen Endabschnitt des zylindrischen Abschnitts (21) vorgesehen ist, und einem konischen Vorsprungabschnitt (24), der an einem mittleren Abschnitt des Bodenwandabschnitts (22) vorgesehen ist und der oberen Endöffnung des Fluideinlasses (2a) zugewandt ist.
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Der zylindrische Abschnitt (21) der Membran (5) weist einen zylindrischen oberen Abschnitt (31) auf, der zur unteren Seite des äußeren Flanschabschnitt (23) verläuft, einen zylindrischen unteren Abschnitt (32), der zu einer oberen Seite des Bodenwandabschnitts (22) verläuft, und einen mittleren Abschnitt (33) auf, der zwischen dem oberen Abschnitt (31) und dem unteren Abschnitt (32) vorgesehen ist. Der mittleren Abschnitt (33) weist einen vertikalen Querschnitt mit einer vorspringenden Bogenform auf. Der obere Abschnitt (31) und der untere Abschnitt (32) sind an der Ventilstange (4) angebaut, und eine Innenumfangsfläche des mittleren Abschnitts (33) steht nicht in Kontakt mit einer Außenumfangsfläche der Ventilstange (4). Der untere Abschnitt (32) ist dicker gebildet als der obere Abschnitt (31) und der mittlere Abschnitt (33).
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Die Ventilstange (4) weist einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser (34) an einer distalen Endseite, einen Abschnitt mit mittlerem Durchmesser (35), der zu einer oberen Seite des Abschnitts mit kleinem Durchmesser (34) verläuft, und einen Abschnitt mit großem Durchmesser (36) auf, der zu einer oberen Seite des Abschnitts mit mittlerem Durchmesser (35) verläuft. Der Kolben (6) ist einstückig in der Nähe eines oberen Endes des Abschnitts mit großem Durchmesser (36) vorgesehen. Der Abschnitt mit großem Durchmesser (36) ist in einen zylindrischen Führungsabschnitt (37) eingeführt, der im Gehäuse (3) vorgesehen ist, derart, dass er in vertikaler Richtung beweglich ist. Ein Außengewindeabschnitt (34a) ist an einem Außenumfang des Abschnitts mit kleinem Durchmesser (34) gebildet.
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Ein unterer Endabschnitt des zylindrischen Führungsabschnitts (37) springt in Bezug auf eine Bodenfläche einer Bodenwand (3a) des Gehäuses (3) nach unten vor und ist dazu konfiguriert, eine Oberfläche des äußeren Flanschabschnitts (23) der Membran (5) mit seiner unteren Endfläche aufzunehmen. Zwei Tellerfedern (elastische Elemente) (10) sind zwischen der unteren Endfläche des zylindrischen Führungsabschnitts (37) und der Oberfläche des äußeren Flanschabschnitts (23) der Membran (5) angeordnet. Der äußere Flanschabschnitt (23) der Membran (5) und eine Mehrzahl von (in diesen Fall zwei) Tellerfedern (10) sind zwischen der unteren Endfläche des zylindrischen Führungsabschnitts (37) und der Schulterfläche (11c) des vertieften Abschnitts (11) des Körpers (2) eingeklemmt, und ihre vertikale Bewegung wird verhindert.
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Der obere Abschnitt (31) des zylindrischen Abschnitts (21) der Membran (5) ist an den Abschnitt mit mittlerem Durchmesser (35) der Ventilstange (4) angebaut. Dieser Anbau ermöglicht eine relative vertikale Bewegung zwischen dem oberen Abschnitt (31) des zylindrischen Abschnitts (21) und dem Abschnitt mit mittlerem Durchmesser (35) der Ventilstange (4). Der Innengewindeabschnitt (32a) ist an einem Innenumfang des unteren Abschnitt (32) des zylindrischen Abschnitts (21) der Membran (5) vorgesehen, und die Membran (5) ist an die Ventilstange (4) angebracht, indem der Innengewindeabschnitt (32a) des unteren Abschnitts (32) des zylindrischen Abschnitts (21) mit dem Außengewindeabschnitt (34a) des Abschnitts mit kleinem Durchmesser (34) der Ventilstange (4) verschraubt ist. Der mittlere Abschnitt (33) weist einen vertikalen Querschnitt mit einer vorspringenden Bogenform auf und steht nicht in Kontakt mit der Außenumfangsfläche der Ventilstange (4), weshalb er sich elastisch verformen (durch Zusammendrücken verformen) kann, wenn der untere Abschnitt (32) des zylindrischen Abschnitts (21) zum oberen Abschnitt (31) des zylindrischen Abschnitts (21) hin bewegt wird.
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Im Inneren der Zylinderkammer (7) sind eine Betriebslufteinleitkammer (12) an einer oberen Seite des Kolbens (6) und eine Betriebslufteinleitkammer (13) an einer unteren Seite des Kolbens (6) gebildet. Durch Einleiten von Betriebsluft in die Betriebslufteinleitkammer (12) an der oberen Seite kann die Ventilstange (4) nach unten bewegt werden, während durch Einleiten der Betriebsluft in die Betriebslufteinleitkammer (13) an der unteren Seite, die Ventilstange (4) nach oben bewegt werden kann. Ein Zapfen (14), der zum Führen der vertikalen Bewegung des Kolbens (6) konfiguriert ist, ist aufrecht an der Bodenwand (3a) des Gehäuses (3) vorgesehen.
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Eine Durchgangsöffnung (15) ist an einem mittleren Abschnitt der Kappe (8) vorgesehen, und ein Innengewindeabschnitt (15a) ist an einem oberen Abschnitt der Durchgangsöffnung (15) vorgesehen. Ein Außengewindeabschnitt (9a), der an einem Außenumfang der Justiereinrichtung (9) vorgesehen ist, ist mit dem Innengewindeabschnitt (15a) der Durchgangsöffnung (15) verschraubt. Indem in dieser Konfiguration die Justiereinrichtung (9) nach unten bewegt wird, kann die Aufwärtsbewegung der Ventilstange (4) eingeschränkt werden.
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Wie in 1 und 2 gezeigt, wird in einem Zustand, in dem die Ventilstange (4) nach unten bewegt wird, ein geschlossener Zustand erreicht, in dem der Vorsprungabschnitt (24) der Membran (5) die obere Endöffnung des Fluideinlasses (2a) schließt.
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In einem Zustand, in dem die Ventilstange (4) nach oben bewegt wird, wird ein geöffneter Zustand erreicht, in dem der Vorsprungabschnitt (24) der Membran (5) von der oberen Endöffnung des Fluideinlasses (2a) getrennt ist, wie in 3 dargestellt. Im geöffneten Zustand ist die Ventilstange (4) bewegbar, bis sie in Anlage an die Justiereinrichtung (9) gelangt, und der Innengewindeabschnitt (32a) des unteren Abschnitts (32) des zylindrischen Abschnitts (21) ist mit dem Außengewindeabschnitt (34a) des Abschnitts mit kleinem Durchmesser (34) der Ventilstange (4) verschraubt, weshalb die Membran (5) sich anschickt, sich einstückig mit der Ventilstange (4) nach oben zu bewegen. Da der äußere Flanschabschnitt (23) der Membran (5) zwischen der unteren Endfläche des zylindrischen Führungsabschnitts (37) und der Schulterfläche (11c) des vertieften Abschnitts (11) des Körpers (2) eingeklemmt ist, wird seine vertikale Bewegung verhindert. Mit anderen Worten, der obere Abschnitt (31) des zylindrischen Abschnitts (21) der Membran (5) verändert seine Position gegenüber dem Zustand aus 2 nicht, und nur der zylindrische untere Abschnitt (32) bewegt sich nach oben, und zusammen mit dieser Bewegung wird der mittlere Abschnitt (33) mit einem vertikalen Querschnitt mit einer vorspringenden Bogenform, der zwischen dem oberen Abschnitt (31) und dem unteren Abschnitt (32) vorgesehen ist, elastisch verformt.
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Wie ein Vergleich zwischen 2 und 3 deutlich macht, ist die Verformungsmenge der Membran (5) sehr gering. Der Durchmesser der Membran (5) ist kleiner als derjenige der scheibenförmigen Membran des Stands der Technik, eine Volumenänderung kann kleiner als die der scheibenförmige Membran eingestellt werden, obwohl Hübe (die Verformungsmenge in der Axialrichtung) gleich sind, die Probleme, dass die Verformungsmenge beträchtlich ist und leicht Staub erzeugt wird, dass eine Volumenänderung im Zusammenhang mit dem Öffnen und Schließen des Fluiddurchlasses beträchtlich ist, können gelöst werden. Da die Verformungsmenge klein ist, wird auch die Haltbarkeit der Membran (5) erhöht. Der konische Vorsprungabschnitt (24) der Membran (5) weist eine Funktion als ein Ventilelement auf, und dieses Teil kann klein sein, so dass die Druck aufnehmende Fläche beim Schließen des Durchlasses reduziert werden kann, um eine Wahrscheinlichkeit der Beeinflussung durch den Fluiddruck zu reduzieren. Entsprechend kann eine Ausgangsleistung des Stellglieds zum Erreichen des geschlossenen Zustands (ein Druck von Betriebsluft oder dergleichen) reduziert werden.
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In der vorstehenden Beschreibung ist das Stellglied unter Verwendung von Betriebsluft dargestellt. Allerdings kann das Membranventil anstelle des oben beschriebenen automatischen Ventils ein manuelles Ventil sein, das dazu konfiguriert ist, die Ventilstange durch einen Öffnungs- und Schließgriff aufwärts und abwärts zu bewegen, und im Fall des automatischen Ventils kann dieses auf einem Fluid-(Luft-)Druck basieren und von elektromagnetischer Kraft sein. Bei Verwendung der Betriebsluft ist diese nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Probleme des Membranventils, in dem die scheibenförmige Membran des Stands der Technik verwendet wird, gelöst werden, und das Membranventil mit verbesserter Leistung wird bereitgestellt.
