Membranventil Die Priorität der Anmeldung Nr. 426 263 -vom 18.Januar
1965 in den Vereinigten Staaten von Amerika ist in Anspruch genommen Die Erfindung
betrifft ein Membranventil, insbesondere für die geregelte Zufuhr von gasförmigen
oder flüssigen I;edien. zu einer Brennkammer, mit einer durch einen Temperaturfühler
beaufschlagten Steuerventilanordnung, durch die ein Hauptventil geöffnet oder geschlossen
wird. Gesteuerte Membranventile, bei denen ein Steuerventil durch einen temperaturabhängigen
Betätigungsmechanismus gesteuert wird, um ein Hauptventil zum Zwecke geregelten
Durchflusses eines bestimmten Iiediums zu öffnen oder zu schliessen, sind bekannt.
Ebenso ist es bekannt, den Druck des Mediums mittels des aus der Membrankammer des
Ventiles ausströmenden Flusses zu regeln. Diese bekannten Systeme haben jedoch den
Nachteil, dass eine einem geringen Durchfluss entsprechende Stellung des Ventiles
nicht auftreten kann, weil das Ventil durch den temperaturabhängigen Betätigungsmechanismus
immer nur von der vollständig geschlossenen Stellung in die vollständig geöffnete
Stellung und umgekehrt gesteuert wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde,
die Nachteile der bekannten Ausführungen zu vermeiden und ein gesteuertes Membranventil
zu schaffen, das in eine vollständig geschlossene Stellung,
eine
einem geringen Durchfluss entsprechende Stellung und eine # voll s-tgndig geöffnete
Stellung eingestellt werden kann. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass
zwei aufeinanderfolgend betätigbare Hilfsventile vorgesehen sind, von denen das
eine Hilfsventil die den Durchfluss steuernde Membran von der vollständig geschlossenen
Stellung in eine einem geringen Durchfluss entsprechende Stellung steuert und bei
weiterer Beaufschlagung des Temperaturfühlers das andere Hilfsventil die LIembran
von der einem geringen Durchfluss entsprechenden Stellung in die vollständig geöffnete
Stellung steuert. Gemäss einer Ausbildung der Erfindung ist jedem Hilfsüentil ein
Druckregler zugeordnet, der den Druck des liediums bei der einem geringen Durchfluss
entsprechenden Stellung bzw. bei der vollständig geöffneten Stellung regelt. Gemäss
einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden beide Hilfsventile von einem gemeinsamen
Temperaturfühler über einen temperaturabhgngigen Betätigungsmechanismus gesteuert.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, eines der Hilfsventile mit einer Einstellschraube
zu versehen, mit der wahlweise die Temperatur, bei der das Hilfsventil öffnen soll,
eingestellt werden kann. Nach einer-weiteren Ausbildung der Erfindung weist mindestens
eines der Hilfsventile eine dauermagnetische Haltung der ihm zugeordneten Steuerventilplatte
auf, durch die die Steuerventilplatte mit einer Schnapp-Bewegung öffnet oder schliesst.
Das Membranventil nach der Erfindung weist verschiedene Vorteile auf. Es stellt
z.B. ein wirtschaftlich zu fertigendes und äusserst zuverlässiges. Ventil dar. Ein
solches Ventil wird vorzugsweise dort verwendet, wo die Zufuhr eines brennbaren
Mediums zu eine-. Brenner entsprechend der Umgebungstemperatur eines Thermometergefässes
geregelt werden soll, so z.B, bei Raumheizungsanlagen. Das ;embranventil nach der
Erfindung reagiert auch auf geringe Temperaturänderungen
in der
Nähe des Temperaturfühlers.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beschrieben. In der 'Zeichnung
ist ein Ventilkörper dargestellt, der aus zwei miteinander verbundenen Gehäuseteilen
1 und 2 besteht. Das untere Gehäuseteil 1 ist mit einer Einlassöffnung 4 und einer
Auslassöffnung 5 versehen. Zwischen der Ein?--#:@:;öffnung 4 und der Auslassöffnung
5 befindet sich eine zylinderförmige Kammer 6, deren obere Abschlusskante einen
erhabenen Ventilsitz 7 für eine Ventilplatte 8 bildet, die durch eine bewegliche
Membran 3 gehalten wird. Die Membran 3 ist zwischen dem unteren und dem oberen Gehäuseteil
1 und 2 eingespannt. Die Ventilplatte 8 wird normalerweise in der in der Zeichnung
gezeigten geschlossenen Stellung gehalten. Durch die Betätigung eines ersten Hilfsventiles
9 wird die Ventilplatte 8 in eine erste oder einem geringen Durchfluss entsprechende
geöffnete Stellung gebracht und durch die Betätigung eines zweiten Hilfsventiles
10 wird die Ventilplatte '8 weiter bis zu einer zweiten oder einem grossen Durchfluss
entsprechenden Stellung geöffnet. Der Betrag des Offnens der Ventilplatte 8 in die
erste oder zweite geöffnete Stellung wird durch den Hilfsventilen 9 und 10 jeweils
zugeordnete Druckregler 11 und 12 gesteuert, die den Druck an der Auslasöffnung
5 regeln. Die Betätigung der Ventilplatte 8 in ihre beiden geöffneten Stellungen
und die Betätigung der Hilfsventile 9 und 10 sowie die Arbeitsweise der Druckregler
11 und 12 werden im folgenden erklärt. Zwei Druckreglergehäüse 13 und 14 sind auf
beiden Seiten des oberen Gehäuseteiles 2 angeordnet und mit diesem verbunden. An
der Verbindungsstelle ist jeweils eine entsprechende Druckreglermembran 15 und 16
eingespannt. Die Membranen 15 und 16 weisen jeweils eine scheibenförmige Wembranplatte
19 und 20 auf, an denen jeweils ein Ventilstempel 17 und 18 zentral befestigt ist.
Das nach unten ragende Ende der Ventilstempel 17 und 18 ist jeweils mit einem Ventilkegel
21 und 22 versehen. Die Ventilstempel 17 und 18 werden normalerweise durch die auf
die Lembranplatten 19 und 20 wirkenden Druckfedern 23 und 24 nach unten gedrückt,
so dass die
Ventilkegel 21 und 22 ihren Ventilsitz nicht schliessen.
Die Spannung der Federn 23 und 24 ist durch Einstellschrauben 25 , und 26 veränderbar.
Die Hilfsventile 9 und 10 sind mit den zugeordnetdn Druckreglern 11 und 12 verbunden.
Die Öffnungen 27 und 28 dieser Hilfsventile 9 und 10 werden wahlweise durch die
Steuerventilplatten 29 und 30 geöffnet und geschlossen, die normalerweise durch
die Druckfedern 31 und 32 dicht schliessend angedrückt werden. Die Federn 31 und
32 sind zwischen den Ventilplatten 29 bzw. 30 und einer gemeinsamen starren Halteplatte
33, die sich zwischen den Seitenwänd en des oberen Gehäuseteiles 2 erstreckt, angeordnet.
Die Spannung der Feder 32 ist durch eine in die Halteplatte 33 eingeschraubte Einstellschraube
34 veränderbar. Die Halteplatte 33 dient ebenfalls als Halterung für eine Feder
52, die die Membran 3 und die Ventilplatte 8 in die dargestellte geschlossene Stellung
drückt. Die Steuerventilplatten 29 und 30 sind als längliche rechteckige Plättchen
ausgebildet, die jeweils mit Sicken 35 und 36 versehen sind, die mit den zugeordneten
Lagerpunkten 37 und 38 einen Drehpunkt bilden. Die den Ventilöffnungen 27 und 28
entgegengesetzten Enden der Steuerventilplatten 29 und 30 ragen über eine kreisförmige
gemeinsame Betätigungsscheibe 39 und stehen mit dieser in kraftschlüssiger Verbindung.
Diese Verbindung wird durch eine von der Halteplatte 33 getragene Feder 40, die
auf die Unterseite der Betätigungsscheibe 39 drückt, bewirkt. Die Oberseite der
Betätigungsscheibe 39 berührt die äussere Membran 41 einer Kapselfeder 43 an einem
Punkt. Die Kapselfeder 43 ist mit einem hohlen Schaft 44 fest verbunden, der durch
einen Temperatureinstellknopf 46 mittels einer in einem Ansatz 47 des oberen Gehäuseteiles
2 gelagerten Gewindespindel 45 axial bewegt werden kann.
Ein Kapillarrohr
48 verbindet die durch die beiden Membranen 41 und 42@gebildete Kapselfederkammer
mit einem Thermometergefäss 49. Die Kapselfeder 43, das Kapillarrohr 48 und das
Thermometergefäss 49 sind vollständig mit einer sich durch Wärme ausdehnenden Flüssigkeit
gefüllt und dicht verschlossen. Ein Dauermagnet 50 ist so am oberen Gehäuseteil
2 befestigt, dass er magnetisch mit einem Anker 51 zusammenarbeitet, der auf der
Steuerventilplatte 29 zwischen der Öffnung 27 des Hilfsventiles 9 und dem Lagerpunkt
37 angeordnet isst. Der Anker 51 ist einstellbar in die Steuerventilplatte 29 eingeschraubt.
Der beschriebene Aufbau ergibt eine über der Membran 3 liegende Hauptkammer 53,
eine unter der Druckreglermembran 15 liegende erste Hilfskammer 54 und eine unter
der Druckreglermembran 16 liegende zweite Hilfskammer 55. Die über den Druckreglermembranen
15 und 16 liegenden Kammern sind durch Bohrungen 56 und 57 mit der Aussenluft verbunden.
Ein Kanal 58 mit einer Verengung 59 verbindet die Einlassöffnung 4 mit der Hauptkammer
53; ein gemeinsamer Kanal 60 verbindet die beiden Hilfskammern 54 und 55 und ein
weiterer Kanal 61 führt von der Hilfskammer 54 zu der Auslassöffnung 5. Im folgenden
wird beschrieben, wie das erfindungsgemässe Ventil arbeitet, d.h. wie es auf Temperaturänderungen
reagiert. Es wird zunächst vorausgesettty dass die Umgebungstemperatur des Thermometergefässes
49 die mit .dem Einstellknopf 46 vorher eingestellte Temperatur übersteigt. Unter
den vorausgesetzten Bedingungen ist das gasförmige oder flüssige Medium von der
Einlassöffnung 4 durch den Kanal 58 und die Verengung 59 in die Hauptkammer 53 gelangt.
Da beide Seiten der Membran 3 mit dem gleichen Druck, d.h. mit dem an der Einlassöffnung,
beaufschlagt
. werden, entsteht kein Druckunterschied an der Membran
3, so dass die Feder 52 die Ventilplatte 8 gegen den Ventilsitz 7 drückt und das
Medium nicht zu der Auslassöffnung 5 fliessen kann. Wenn jedoch die Umgebungstemperatur
des Thermometergefässes 49 fällt, zieht sich die Thermometerflüssigkeit zusammen
und die bewegliche Membran 41 der Kapselfeder 43 kann sich unter dem Druck der Feder
40, die mittels der Betätigungsscheibe 39 auf die Kapselfeder drückt, gegen die
Membran 42 bewegen. Gleichzeitig wird . auch die Betätigungsscheibe 39 nach oben
bewegt. Bei dieser Aufwärtsbewegung drückt die Betätigungsscheibe 39 gegen die überlappenden-Enden
der Steuerventilplatten 29 und 30. Einer Bewegung der Steu erventilplatte
29 um ihren Lagerpunkt 37 wirkt die Anzugskraft des Dauermagneten 50 auf den Anker
51 und die Druckfeder 31 entgegen, während einer Bewegung der Steuerventil,f..-".atte
30 um ihren Lagerpunkt 38 die Druckfeder 32 entgegenwirkt. Die Druckfeder 32 setzt
der Bewegung ihrer zugeordneten Steuerventilplatte 30 einen grösseren Widerstand
entgegen als die Anzugskraft des Dauermagneten 50 und der Federdruck der Feder 31
der Bewegung der Steuerventilplatte 29. Dadurch überwindet die Kraft der Feder 40,
sobald sie durch die Membran 41 freigegeben wird, die Anzugskraft des Dauermagneten
50 und die Kraft der Druckfeder 31. Die Steueeventilplatte 29 dreht sich plötzlich
um ihren Lagerpunkt 37 und gibt die Öffnung 27 mit einer Schnapp-Bewegung frei.
Gleichzeitig nimmt die Betätigungsscheibe 39 in der Richtung des Uhrzeigers eine
geneigte Lage ein. Das in der,Hauptkammer 53 be$ ndliche Medium dringt durch die
Öffnung 27 in die Hilfskammer 5¢ ein, die durch den Kanal 61 mit der Auslassöffnung
5 verbunden ist. Dadurch fällt der Druck in der Hauptkammer 53 gemäss der eingestellten
Federspannung der Druckfeder 23 des ersten Druckreglers 11. Der reduzierte Druck
in der Hauptkammer 53 bewirkt einen Druckunterschied an der Membran 3,
der
die Ventilplatte 8 abhebt, so dw s das Medium von der Einlaseöffnung 4 zur Auslassöffnung
5 fliessen kann. Die Membran 15 des Druckreglers 11 steuert die Stellung des Ventilstempels
17 in seinem Sitz und regelt dadurch den Druck an der Auslassöffnung 5. Die Feder
23 ist so eingestellt, dass die Ventilplatte 8 nur geringfügig öffnet und nur einer
kleinen Menge des Mediums den Durchflugs von der Einlassöffnung 4 zu der Auslassöffnung
5 gestattet. Wenn der geringe Fluss durch die Auslassöffnung 5 ausreicht, um die
Umgebungstemperatur - z.B. mittels einer Verbrennungskammer -wieder ansteigen zu
lassen, bewirkt die sich ausdehnende Flüssig-` keit im Thermometergefäss 49 eine
Abwärtsbewegung der Membran 41 der Kapselfeder und ein Zurückgehen der Betätigungsscheibe
39 in die dargestellte Zage. Gleichzeitig schliesst die Steuerventilplate 29 die
Öffnung 27 unter der Wirkung der Feder 31 und des-Dauermagneten 50 auf den Anker
51, so dass die Steuerventilplatte 29 wieder in die dargestellte Zage geschwenkt@wird.
Das Schliessen der Öffnung 27 führt einen Ausgleich der auf die Membran 3 wirkenden
Drücke herbei, wodurch die Ventilplatte B wieder unter dem Druck der Feder 52 dichtschliessend
gegen den Ventilsitz 7 gedrückt 'wird. Wenn der geringe Fluss durch die Auslassöffnung
5 andererseits nicht ausreicht, eine Erhöhung der Umgebungstemperatur des Thermometergefässes
49 herbeizuführen, dauert dieser Fluss wie beschrieben so lange an, bis die Umgebungstemperatur
der eingestellten Temperatur entspricht. Wenn die Umgebungstemperatur (:;es Thermometergefässes
49 weiter abfällt, bewegt sich die Membran 41 weiter aufwärts, und die Kraft der
Feder 40 auf die geneigte Betätigungsscheibe 39 überwindet die Kraft der Feder 32,
wobei die Steuerventilplatte 30 um ihren Lagerpunkt 38 gedreht wird und sith die
Öffnung 28 des Hilfsventiles 10 öffnet. Gleichzeitig stellt sich die Betätigungs-Scheibe
39 Waagerecht und beide Steuerventilplatten 29 und 30
sind betätigt.
Der Druckregler 12 ist so_eingestellt, dass er einen höheren Druck in der Auslassöffnung
5 erlaubt und dadurch einen grösseren Druckunterschied an der Membran 3 hervorruft
als der durch den Druckregler 11 bewirkte. Dadurch wird die Ventilplatte 8 längere
Zeit von ihrem Ventilsitz 7 abgehoben und. gestattet einer grossen Durchflussmenge
des Mediums den Durchgang zur Auslassöffnung 5. Wenn die Umgebungstemperatur des
Thermametergefässes 49 der mit dem Temperatureinstellknopf 46 eingestellten Temperatur
genau entspricht, wird die Betätigungsscheibe 39 in ihre normale Zage zurückgeführt
uhd die Steuerventilplatten 29 und 30 schliessen ihre zugeordneten Öffnunga727und
28. Gleichzeitig wird an der Membran 3 das Druckgleichgewicht wieder hergestellt,
so dass die Ventilplatte 8 auf ihrem Ventilsitz 7 aufliegt und den Durchfluss---zwi.-sehen
der Einlassöffnung 4 und der Auslassöffnung 5 beendet. Es wurde ein Membranventil
beschrieben, das zwischen einer geschlossenen, einer geringfügig geöffneten und
einer ganz offenen Stellung arbeitet. Diese Stellungen erreicht man durch die Steuerung
durch zwei getrennte Hilfsventile 9 und 10 mit zugeordneten Reglern 11 und 12, die
von einem gemeinsamen Temperaturfühler beaufschlagt werden. Obwohl es nicht näher
ausgeführt wurde, kann man die Anordnung auch so treffen, dass die Gewindespindel
45 des Temperatureinstellknopfes 46 unmittelbar auf die Betätigungsscheibe 39 wirkt,
In diesem Fall wirkt die Gewindespindel 45 neben einem zusätzlichen Drehpunkt auf
die Scheibe 39, während die Kapselfeder des Thermometers auf die andere Seite des
zusätzlichen Drehpunktes der Betätigungsscheibe 39 wirkt. Man erhält mittels einer
solchen Betätigungsscheibe eine Vierpunkt-Kippanordnung.