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Membranventil Die Erfindung betrifft ein Membranventil, dessen Membran
aus zwei äußeren Gummilagen und einer einvulkanisierten verstärkenden metallischen
Einlage besteht.
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Bekannte Membranventile haben den Nachteil, daß ihre Membranen nur
verhältnismäßig geringe Hübe durchzuführen vermögen und daß sie darüber hinaus nur
eine verhältnismäßig geringe Anzahl von Lastwechseln aufzuhalten vermögen.
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Bekannte Membranventile mit Membranen, bei denen zwischen zwei Gummilagen
eine Verstärkung aus einem Gewebe angeordnet ist, haben über die bereits genannten
Anwendungsbeschränkungen hinaus den Nachteil, daß sie verhältnismäßig weich sind
und für eine sehr große Anzahl von Belastungsarten zuwenig steif sind. Bei hohen
überdrücken oder sehr großen Unterdrücken ergibt sich bei diesen bekannten Membranen
die Neigung zu unkontrollierbaren Verformungen und Dehnungen, die sehr rasch zu
einem Undichtwerden des Ventils führen. Andererseits sind derartige bekannte Membranen
nur sehr begrenzt belastbar. Bei ihnen tritt sehr rasch eine Zerstörung dadurch
ein, daß die Betätigungsorgane, die etwa in der Mitte über einen Bolzen oder Stutzen
an der Membran angreifen, infolge des Aufbaues, d. h. der Materialeigenschaften
der Membranen, und infolge der Belastungen, die bei hohen Drücken oder hohen Unterdrücken
oder beispielsweise bei agressiven Medien zu einem Kleben des Gummis führen, den
Stutzen oder Bolzen aus dem Material der Membran herausreißen. Andererseits führen
die hohen Belastungen auch dazu, daß die bekannten Membranen an ihren Rändern Löcher
od. dgl. aufweisen müssen, damit sie fest eingespannt werden können und den Belastungen
standzuhalten vermögen. Die Ausnehmungen und Löcher an den Rändern dieser bekannten
Membranen reduzieren aber die Lebensdauer sehr stark.
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Wie bereits angedeutet, hat bei den vorgenannten bekannten Membranen
die Befestigungsart des Betätigungsstiftes oder -stutzens einen sehr starken Einfluß
auf die Lebensdauer der Membranventile bzw. deren Membranen. Bei bekannten Membranen
wurde versucht, die Lebensdauer dadurch zu vergrößern, daß der Stift, der in die
Membran eingebracht wird, mit einem gegen Verdrehen sicheren Kopf ausgerüstet wird
und daß durch ringartige Einlagen im Material, d. h. im Gummi, verhindert werden
soll, daß sich der Gummi im Bereich des Stiftes radial bewegt und ein Herausrutschen
oder -reißen des Kopfes zuläßt. Die Erfahrungen haben aber gezeigt, daß die Kräfte,
die über die Betätigungsorgane und den Stift bzw. den Kopf auf die bekannten Membranen
ausgeübt werden, zu groß sind, um bei der bekannten Befestigungsweise und Bauweise
der Membranen zu dem gewünschten Erfolg zu führen.
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Es sind auch bereits Membranventile bekannt, die mit Membranen aus
gewelltem Blech ausgerüstet sind. Derartige metallische Membranen haben zwar den
Vorteil, daß sie eine verhältnismäßig große Steifigkeit besitzen und somit nicht
wie die vorerwähnten bekannten Membranen aus Gummi, die mit Einlagen ausgerüstet
sind, sich in unkontrollierter Weise dehnen oder verformen können. Dafür tritt jedoch
der Nachteil auf, daß die Hübe der metallischen Membranen begrenzt sind und daß
sie sich nur da anwenden lassen, wo keine agressiven Medien auftreten, die die Membran
beaufschlagen können. Stahlmembranen sind nämlich für sehr viele Medien stark anfällig
und werden sehr schnell durch chemische Reaktionen zerstört. Es ist daher bereits
versucht worden, chemisch widerstandsfähige Metalle, wie beispielsweise Kupfer,
Neusilber oder Messing, zu verwenden, um chemisch widerstandsfähige Membranventile
zu schaffen. Dieser Versuch ist jedoch deshalb mißlungen, weil alle jene Metalle
Kupfer enthalten und weil der Kupferanteil dieser Metalle ein Vulkaniseren mit Schwefel
nicht zuläßt.
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Aber auch innerhalb dieser Einschränkung hinsichtlich der Anwendung
derartiger Membranen auf chemisch passive Medien ergeben sich in mechanischer Hinsicht
sehr enge und mit bekannten Mitteln bisher nicht überschreitbare Grenzen. So ist
die Hubhöhe, bis zu der bekannte Membranen dieser Art
ausgelenkt
werden können, davon abhängig, wie groß die Elastizität derartiger Membranen ist,
d. h., derartige bekannte Metallmembranen können nur so weit ausgelenkt werden,
wie es die Elastizität des Werkstoffes ohne das Zurückbleiben dauernder Verformungen
zuläßt. Die so erreichten Auslenkungsgrößen sind aber sehr gering. Zugleich mit
einer weiten und innerhalb der zulässigen Grenzen bleibenden Auslenkung tritt aber
eine sehr hohe Belastung des Werkstoffes ein. Diese Belastung ist aber in ihrer
Natur eine Wechselbelastung, und sie führt zu einer sehr raschen Ermüdung des Metalls.
Diese zeigt sich insbesondere an den Rändern. d. h. an der äußeren umfänglichen
Befestigung oder Einspannung dieser bekannten Membranen sowie im Bereich des Angriffspunktes
der Kraft zur Betätigung der Membran, d. h. also im Bereich des Druckstückes, sehr
rasch.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Membranventil der
eingangs genannten Art zu schaffen, das unabhängig von der chemischen Natur des
Mediums ist, welches hohe Belastungen hinsichtlich des Druckes bei großen Nennweiten
und hohen Membranhüben zuläßt, und das insbesondere die gute und vorteilhafte Weichheit,
d. h. die gute Abdichtung, die bei Gummimembranen erzielt wird, mit der vorteilhaften
Steifheit metallischer Membranen verbindet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich ein Ventil der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß als Einlage eine an sich bekannte, gewellte
Stahlblechscheibe dient, mit der ein zur Betätigung dienendes Druckstück vor dem
Aufbringen der Gummischichten starr verbunden ist.
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Ein Ventil, das wie vorstehend ausgebildet ist, vereint die Vorzüge
der verschiedenartigen bekannten Ventile in sich. Es weist eine metallische, d.
h. Stahlblechscheibe auf, die durch die beidseitig angebrachten Gummilagen vor den
Angriffen chemisch agressiver Medien geschützt ist. Die Membran des neuen Ventils
ist durch die Stahlblechscheibe steif und somit hochbelastbar, ohne daß unkontrollierbare
Verformungen befürchtet werden müssen. Die Gummilagen wiederum garantieren einen
dichten, guten Abschluß.
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Völlig überraschend und nicht vorhersehbar ist jedoch die Tatsache,
daß die Membran des neuen Membranventils Eigenschaften besitzt, die bei den bekannten
Membranen nicht erzielbar waren. So läßt sich die neue Membran um ein Mehrfaches
des Betrages auslenken, der bei sonst gleichen Verhältnissen für metallische Membranen
zulässig ist, ohne daß bleibende Verformungen auftreten. Die Erfahrungen mit dem
neuen Membranventil haben darüber hinaus gezeigt, daß die Lebensdauer der neuen
Membran, d. h. die Anzahl der Lastwechsel, die diese zerstörungsfrei zu überstehen
vermag, um ein Vielfaches größer ist als die bei bekannten Ventilen mögliche Anzahl
der Betätigungen.
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Um die Dauerfestigkeit der Membran des neuartigen Ventils, d. h. die
Lebensdauer desselben weiter zu erhöhen, sieht die Erfindung vor, daß die Dicke
der Gummischicht das Zehn- oder Mehrfache der Blechdicke beträgt. Versuche mit Membranen,
die auf diese Weise ausgebildet sind, haben ergeben, daß die Druckbelastung unter
sonst gleichen Verhältnissen nahezu auf das Doppelte des Wertes, der bei bekannten
Membranen als obere Grenze gegeben ist, getrieben werden kann, ohne daß sich Nachteile,
die zu einer frühzeitigen Zerstörung oder zu unsicherem Arbeiten führen, bemerkbar
machen. Diese neue und weitere Ausgestaltung des eingangs genannten Ventils führt
somit neben der Vergrößerung der Lebensdauer auch zu einer Vergrößerung der Belastbarkeit.
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Die Erfindung sieht weiterhin vor, daß an der zur Abdichtung dienenden
Seite der Membran die Gummischicht stärker ist als an der anderen Seite. Dadurch
ergibt sich der Vorteil, daß auch nach dem Andrücken, d. h. beim Schließen der Membran,
noch eine Gummizwischenlage in ausreichender Dicke und Elastizität zur Verfügung
steht, die einen sicheren Abschluß des Ventils gewährleistet.
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Im vorstehenden wurde bereits erwähnt, daß bekannte Membranen bekannter
Ventile an ihren Rändern mit Löchern versehen sind, durch welche Spannbolzen geführt
sind, um die Membranen an ihren Rändern einzuspannen. Es wurde bereits erwähnt,
daß diese Löcher einen nachteiligen Einfluß auf die Lebensdauer der bekannten Membranen
ausüben. Andererseits jedoch hat die Erfahrung gezeigt, daß Membranen, die ausschließlich
an ihren Rändern eingespannt sind und die keine Löcher aufweisen, an den Rändern
ausreißen oder abreißen, wenn hohe Belastungen auftreten. Das hat dazu geführt,
daß man im allgemeinen die geringe Lebensdauer, die sich durch die Löcher am Rand
der bekannten Membranen ergibt, in Kauf nimmt, um eine höhere Belastbarkeit zu erzielen.
Im Gegensatz dazu sieht die Erfindung aber vor, daß die Membran ohne Befestigungslöcher
kreisförmig eingespannt ist. Im Gegensatz zu den Erwartungen führt die verhältnismäßig
große Steifheit der neuen Membran, die sich aus der Einlage aus gewelltem Blech
ergibt, dazu, daß mit einer Einspannung ohne Löcher eine hinreichend große Festigkeit
der Einspannung gewährleistet ist, die auch bei hohen Druckbelastungen ein Aus-
oder Abreißen der Ränder der Membran verhindert. Einen besonders vorteilhaften Einfluß
hat diese Maßnahme aber auf die Lebensdauer der neuen Membran, denn durch die gleichmäßige
und kreisrunde Einspannung der Ränder wird eine symmetrische und gleichmäßige Beanspruchung
der Membran erzielt, die in hervorragender Weise zur Vergrößerung der Lebensdauer
beiträgt.
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Infolge der völlig neuartigen Eigenschaften der erfindungsgemäß ausgebildeten
Membran ergibt sich auch die Möglichkeit, das Ventil in einfacher und zweckmäßiger
Weise auszugestalten. So sieht die Erfindung weiterhin vor, daß das auf die Membran
wirkende Druckstück die Gestalt eines schmalen Steges hat, der dem abdichtenden
Steg auf der anderen Seite der Membran gegenüberliegt. Eine derartige Ausgestaltung
ist bei den bekannten, mit Gewebeeinlagen verstärkten Membranen z. B. nicht möglich,
weil unkontrollierbare Dehnungen und Zerrungen auftreten, die zu einem undichten
Abschluß führen würden.
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Es wurde im vorstehenden bereits ausgeführt, daß die Art, mit welcher
das Druckstück an der Membran befestigt ist, einen weitgehenden Einfluß auf die
Lebensdauer der Membran ausübt. Die Erfahrungen mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten
Membranventil haben gezeigt, daß eine große Lebensdauer der Membran bei einer möglichst
starren Verbindung des Druckstückes mit dem Stahlblech
erzielt
werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Verbindung zwischen
dem Stahlblech, der Membran und dem Druckstück durch einen in das Stahlblech eingesetzten
und mit einer Kopfplatte versehenen Bolzen bewirkt wird, der durch eine aufgezogene
Flachmutter das Stahlblech zwischen der Kopfplatte und dieser Mutter einspannt.
Diese Ausgestaltung des Ventils hat zunächst den Vorzug, daß eine starre und steife
Verbindung zwischen dem Stahlblech und dem Druckstück erzielbar ist, so daß auch
verhältnismäßig große Kräfte ohne besondere Schwierigkeiten von den Betätigungsorganen
auf die Membran übertragen werden können. Darüber hinaus jedoch ergeben sich im
Hinblick auf die Lebensdauer der Membran weitere Vorteile dadurch, daß die bei bekannten
Metallmembranen angewandten Befestigungsarten, die zu einem raschen Zerstören der
Membranen führen, vermieden werden. Bei bekannten Metallmembranen werden nämlich
die Druckstücke vielfach ein- oder angelötet. Dabei ist naturgemäß die Verwendung
von Lötwasser oder anderen chemischen Mitteln erforderlich, um metallisch reine
Oberflächen zu schaffen. Bei den hohen Belastungen, denen Membranen bzw. die Stahlbleche
ausgesetzt sind, führen die geringfügigen Verletzungen der Oberfläche der Bleche,
die von diesen Lötmitteln hervorgerufen werden, bereits zu sehr empfindlichen Schädigungen,
die die Dauerfestigkeit sehr stark herabsetzen. Es sind auch bereits Versuche unternommen
worden, Druckstücke mit den Membranen zu verschweißen, um den Einfluß der Lötmittel
zu umgehen. Dabei treten jedoch örtlich hohe Erhitzungen ein, die die Festigkeit
wie auch die Elastizität der Membran stark beeinflussen und die darüber hinaus Spannungen
im Werkstoff der Membran hervorrufen, die ebenfalls zu einem sehr frühen Ermüden
führen. Gegenüber den Membranen, bei denen zwischen zwei Gummilagen verstärkende
Gewebe angeordnet sind, hat die neue und vorstehend ausgestaltete Verbindung zwischen
dem Betätigungsorgan und der Membran aber den großen Vorteil, daß sie weitaus starrer
und fester und demzufolge wesentlich höher belastbar ist.
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Um die Befestigungsorgane, d. h. die Kopfplatte und die Flachmutter
sowie den Bolzen in bezug auf die Membran einerseits und in Bezug aufeinander andererseits
in der vorbestimmten Lage zu halten, d. h. um die starre Verbindung zu sichern,
ohne daß Beschädigungen der Membran oder Verletzungen, die die Lebensdauer beeinträchtigen,
auftreten, sieht die Erfindung vor, daß sowohl die Kopfplatte als auch die Gegenmutter
vollständig innerhalb der bedeckenden Gummischichten liegen und daß die Kopfplatte
sowie die Gegenmutter mit Unebenheiten, z. B. mit Löchern, versehen sind, durch
welche die Gummimasse nach dem Vulkanisieren diese Teile gegen Verdrehen sichert.
Diese Ausgestaltung hat darüber hinaus aber auch noch den Vorteil, daß die einzelnen
Befestigungsteile, nämlich der Bolzen, die Mutter und die Kopfplatte, völlig innerhalb
der Gummischichten eingebettet sind und somit den Angriffen eines chemisch agressiven
Mediums nicht ausgesetzt sind, so daß die starre Verbindung, die diese Organe bewirken,
auch unabhängig vom Medium über lange Zeiträume hinweg aufrechterhalten bleibt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Ventil;
Fig. 2 stellt eine Draufsicht mit einem teilweisen Schnitt des Ventils dar; Fig.
3 zeigt das Druckstück des Ventils im Längsschnitt; Fig. 4 stellt das Druckstück
in Draufsicht dar; Fig. 5 zeigt die Verbindung zwischen dem Druckstück und der Membran.
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Ein Ventilgehäuse 1 mit einer Ventilhaube 2, welche die Membran 3
gegen die Paßfläche 4 des Gehäuse 1 festspannt, ist in Fig. 1 dargestellt. Wie Fig.
2 zeigt, ist die Ventilhaube 2 mit vier Schrauben 5 an dem Ventilgehäuse 1 befestigt.
Diese Schrauben gehen aber nicht durch die Membran 3 hindurch.
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Gegenüber der Membran liegt der Dichtungssteg 6 des Gehäuses, der
entsprechend der Durchbiegung der Membran nach unten gewölbt ist. Diesem Steg gegenüber
liegt das Druckstück 7, dessen Form besonders deutlich aus den Fig.3 und 4 erkennbar
ist. Es besteht aus einem Mittelkörper 8 zur Aufnahme der Ventilspindel und einem
Drucksteg 9, der dem Steg 6 auf der anderen Seite der Membran entspricht und gemäß
Fig.3 eine entsprechende Wölbung 10
aufweist. Die gemäß Fig.1 in das Mittelstück
8 des Druckstückes eingesetzten Teile zur Betätigung des Ventils brauchen hier nicht
näher beschrieben zu werden, da sie irgendeine der gebräuchlichen Ausführungen haben
können.
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Die Membran 3 besteht gemäß der Erfindung aus dem gewellten Stahlblech
11 mit einer oberen Gummiauflage 12 und einer unteren, etwas stärkeren Gummiauflage
13.
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Gemäß Fig. 5 hat das gewellte Stahlblech 11 in der Mitte ein Loch,
durch welches ein Bolzen 14 hindurchgesteckt ist. Dieser Bolzen hat einen flachen
Kopf 15, und auf der anderen Seite des Stahlbleches 11 ist eine Gegenmutter 16 vorgesehen.
Der Kopf 15 liegt vollständig in der unteren Gummilage 13, und ebenso ist die Gegenmutter
16 vollständig in der oberen Gummilage 12 angeordnet. Sowohl der Kopf 15 als auch
die Mutter 16 weisen Löcher 17 auf. In diese Löcher dringt die Gummimasse beim Vulkanisieren
ein, um diese beiden Teile gegen Verdrehung zu sichern. Der Bolzen 14 wird in die
untere Gewindebohrung 18 (vgl. Fig. 3) des Druckstückes eingeschraubt.