DE1923379A1

DE1923379A1 - Bistabiles Ventil

Info

Publication number: DE1923379A1
Application number: DE19691923379
Authority: DE
Inventors: Shimon Arieh
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1968-05-02
Filing date: 1969-05-02
Publication date: 1969-11-13
Also published as: DE1923379B2; CH492910A; FR2007679A1; GB1246054A; DE1923379C3

Description

Die Erfindung betrifft ein bistabiles Ventil, insbesondere zum Steuern des Flusses eines Fluids durch, eine Öffnung in einer Wandung, die zwei Bereiche voneinander trennt, von denen der eine ständig aus einer Quelle eines unter Druck stehenden Fluids gespeist wird, mit, einer vor der Öffnung angebrachten elastischen Membran an derjenigen Seite der Wandung, die mit dem mit der Fluidquelle verbundenen Bereich in Verbindung steht, wobei die Membran an ihren Rändern luftdicht befestigt ist und ihre Oberfläche in der Nähe dieser Ränder von öffnungen durchzogen ist, die den Durchtritt des Fluids gestatten, und zu elastischer Verformung befähigt ist, um sich an die Wandung anzulegen und die Öffnung zu verschliessen, wenn der auf ihren beiden Seiten herrschende Druckunterschied einen festgelegten Wert erreicht.

Ein Ventil dieser Art ist bereits, insbesondere aus dem deutschen Patent 596 239* bekannt. Jenes Ventil ist hauptsächlich dazu bestimmt, das Schliessen einer Druckluftleitung zu bewirken, wenn der Leitungsdruck einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt oder die Durchflussgeschwindigkeit sich überstürzend vergrössert, beispielsweise durch ein unerwartetes Absinken des Druckes unterhalb des Ventils in Folge eines Bruches

909846/0793

- 2 - .
der Leitung oder des Schiebers.

Bei dieser Ventilart hängt die Aiqarechgeschwindigkeit auf das Schliessen von drei Faktoren abs der Elastizität der Membran, ihrer Oberfläche und dem an ihren beiden Seiten vorhandenen Druckunterschied·

Bei einer gegebenen Güte des die Membran bildenden Werkstoffes hängen die elastischen Eigenschaften dieser Membran nur von ihrer Dicke ab, die jedoch hinreichend sein muss, ' um der Membran eine ausreichende mechanische Festigkeit zu geben, wenn das Ventil geschlossen ist und ihre Oberseite einem starken Druck ausgesetzt ist.

Es ist demnach hauptsächlich über die Grosse der Membranoberfläche möglich, im Notfall eine solche Ansprechgeschwindigkeit zu erhalten, die durch einen maximalen vorbestimmten Druckabfall vorgegeben ist·

Das bedeutet, dass die bekannten Ventile der vorerwähnten Art bei gegebener Abmessung nur eine begrenzte Ansprechgeschwindigkeit gestatten.

Manche neuen Anwendungsgebiete, wie die Versorgung einer pneumatisch betriebenen Förderstrecke für Güter, erfordern im Hinblick auf die begrenzte installierte Leistung der Luftver— dichter, dass die zur Erzeugung des Förderluftkissens verwendeten Ventile praktisch in dem Augenblick zu schliessen sind, da der zu fördernde Gegenstand das Wirkungsfeld des jeweiligen Ventils verlassen hat.

Dieser Anforderung konnte nur durch die Verwendung von Veatilen mit viel komplizierterer Konstruktion erfüllt werden, als sie die vorerwähnten Membranventile aufweisen. Abgesehen von ihren relativ bedeutenden Gestehungskosten ist ihre technische Kompliziertheit häufig die Ursache unerwarteten Versagens, dessen Folgen leicht vorstellbar sindt

909148/019$ -

BAD ORSGiNAL

Unterbrechung des Gütertransports infolge örtlichen Zusammenbruchs des Förderluftkissens, Beschädigung einzelner Teile dieser Güter infolge Berührung und Reibung mit dem Boden der Förderstrecke, Schwankung infolge daraus folgender abrupter Geschwindigkeiteverminderung u.s.w.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Membranventil zu schaffen, welches durch seine Bauweise dazu geeignet ist, technisch aufwendige Ventile zu ersetzen, und insbesondere eine .Ansprechgeschwindigkeit aufweist, die derjenigen herkömmlicher Membranventile, wie etwa desjenigen aus dem deutschen Patent 596 239» überlegen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Abstände zwischen der Wandung und der Membran und/oder in radialer Richtung zwischen jeder Membran öffnung und der öffnung der Wandung derart gewählt sind, dass der Durchfluss des Fluids durch die Hembranöffnungen in Richtung der öffnung in den von Wandung und Membran begrenzten Raum mit ausreichend heftiger Geschwindigkeit vor sich geht, damit sich infolge des auf der Oberseite der Membran erzeugten dynamischen Druckabfalles die Membran in eine Verschluss st el lung verformt, wenn der Unterschied der dynamischen Drücke beider Räume um einen Betrag unter einen festgesetzten Wert sinkt, der dem dynamischen Unterdruck entspricht.

Für die Verwendung eines solchen Ventils in einer pneumatisch betriebenen Förderstrecke zum Gütertransport als Zufuhrorgan von Druckluft für einen Abschnitt der Förderstrecke ist vorgesehen, ein solches selbstansaugendes Ventil in dem Moment zu öffnen, da einer der zu fördernden Gegenstände sich vor die von dem Ventil versperrte Öffnung setzt, wobei sich die öffnung in der Förderstrecke selbst befindet.

Zu diesem Zweck kann die Membran zumindest einen Durchlass von erheblich kleinerem Querschnitt als dem der liembranöf f— nun[:en besitzen, wobei dieser Durchlass in ihrem Teil vorgesehen ist, der der Öffnung der Van dünn gegenüberliegt' und einen

,909846/0793

BAD ORIGiNAL

Μ.

ständigen Fluss von Fluid in Richtung dieser öffnung erzeugte

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.--Es zeigen: · .

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Ventil, Fig. 2 eine vergrösserte Einzelheit aus Figo 1,

Fig. 3 einen ähnlichen Schnitt wie Fig. 1 gemäss ■'"-einer Ausführungsvariante,

Fig. 4- eine besondere Ausgestaltung des in Fig. 1 dargestellten Ventils·

Das in der Zeichnung dargestellte Ventil besteht aus einem" zylindrischen Gehäuse 1, welches in seinem oberen Teil durch die Wandung 2 und an seinem unteren Teil durch eine mit einer teilweise dargestellten Leitung 4- festverbundenen Trennwand 3 abgeschlossen wird. Die Leitung dient zur Verbindung mit' einer Druckluftquelle, bevor die Druckluft durch eine in der Wandung k 2 vorgesehene Mittelöffnung 5 aus der Wandung austritt.

In dem betrachteten Ausführungsbeispiel stellt die Wandung 2 ein Teil der Oberfläche einer mittels eines erzeugten Förderluftkissens pneumatisch betriebenen Förderstrecke dar.

Die Steuerung der Luftzufuhr wird in. diesem Ventil durch das Vorhandensein einer Membran 6 erzielt, die mit-ihrem Rand in· einen ringförmigen Schlitz -Ta in der Seitenwand des. Gehäuses 1 eingelassen ist. Die Membran zieht sich entlang des Randes Oberfläche 2a,der Wandung-2-hin,- welche vorteil-

haft.erweise aus späteir noch angegebenen. Gründen von konkavea? Gestaltr. sein. kann. ...:; :·„ , ..,-■; ■--■-■-- '- ■ ·■:- : ■■·'»-

, 5 - ■

Die Membran, 6 bestellt, aus geschmeidigem und elastisclieirj Material und wird in der Nahe ihres Aussenrandes von öffnungen 7 durchzögen, durch welche die aus der ,Leitung 4 bei konstantem. Druck p. in. das Gehäuse 1 kommende Luft radial in zentripe^ taler Form in Richtung der öffnung 5 quer durch den von.der Membran und der Wandung 2 umschlossenen Raum 8 ausströmt.

Bei dem dargestellten Ventil ist der Abstand der Öffnungen 7 von der öffnung 5 in Hins.icht auf die Abmessung: dieser öffnung gross, so dass der ringförmige Querschnitt des Luftdrucktrittes,, in Richtung; dieser -Öffnung: sich .in "dem Masse der Entfernung von einer der Öffnungen 7 i*i .Richtung Öffnung 5 stark verkleinert.

Daraus folgt, dass die StPömungsgßschw-indigkeit -der Luft in dem Raum 8 besonders heftig und viel stärkej? als unter der Membran,.is,t:j ._;wo.,de33.

Belianntlich entsteht an- jeder, von· dem- iStroin -eines Fluids -be--„st|iichene.n ■ 'Qberf läch§ ein- Druckverlust. -dpiamischea?- "A"3?t V des seh

he: CKle.ic.hung wiw ^;¥olgt^: gegeben ^:

'γ

BAD ORIGiNAL

Δ P -^- (Υ| - vf),

Wenn die Membran 6 eine derartige Festigkeit besitzt, .dass· ·'-sie genau horizontal in der dargestellten Lage bleibt, wenn sich die ober- und unter se it igen Drucke im Gleichgewicht befinden und wenn i¹ die Rückstellkraft ist, die sie elastisch bei ihrer in der Zeichnung, gestrichelt dargestellten. 'VBrfoj?» mung erzeugen kann, so folgt, dass diese Verformung statt fill·- det, sobald

S m 'Oberfläche der ■ Membran, ^?- - -:. ρ. β statischer Brück unterhalb der Meaibran,

p_o β statischer Ilruck oberhalb der Hembraru m. dgmamisßher. iJ

erfolgt die Yerfqrpung der riepibran ,in_v4ie ßl%.,. 5 Yersehliessendf I»age bei eißefli Wert τ©»?

Δ P ^ ^ w (l^i w P|)

Die Grteen f vm& B ligen. ainoipM

I§psta3sts©| pg ist? gleich d

BAD ORiGfNAL

P₁ < I + P₂,

so kann diese Verformung nicht erzielt werden, sofern die Strömungsgeschwindigkeit nicht zumindest einen Betrag von

bei Vernachlässigung der verschiedenen Betriebsverluste erreicht.

Zum Erzielen dieser Geschwindigkeit V« kann entweder der Abstand zwischen den Membranöffnungen 7 und der Öffnung 5 in der Wandung 2 um eine bestimmte Entfernung zwischen der Membran und der Wandung verändert werden,odar diese Entfernung kann so variiert werden, dass sich der Querschnitt des Iaiftdurchtrittes in dem Masse verkleinert, wie sich die Membran der öffnung 5 nähert, oder es können selbstverständlich beide Massnahmen kombiniert werden.

In Verschlussatellung liegt die Membran 6 in ihrer gesamten Ausdehnung an der konkaven Oberfläche der Wandung 2a derart an, dass die mechanische Durchbiegung der Membran praktisch an jedem Punkt konstant ist.

Die Membran bleibt 'in dieser Verschlussstellung wenn P₁ . S > F

ist, (wobei die Wirkung des Druckes p« auf das Oberflächen-- - ^ element der Membran gegenüber der öffnung 5 vernachlässigt - -^: wird) d.h. wenn die Kraftwirkung des Druckes p. auf die Membran grössei* iöt, als'die elastische Rückstellkraft! welei-e '¹^ der Membran eigen ist., ' ■ "'- -'^y ₄--*Λ---"-^Ρ

0.98 A 6 IQl 93

f 92 3*37

Unter diesen Bedingungen bleibt das Ventil nach dem Verschluss geschlossen, selbst wenn ein Gegenstand sich auf . ·' die öffnung 5 des Ventils setzt: wie schon beschrieben -· ■ ist dieses genau der Fall dann, wenn das dargestellte Ventil den Durchtritt von Druckluft zur Ausbildung eines Förderluftkissens ermöglichen soll.

Zu diesem Zweck kann der der öffnung 5 gegenüberliegende Bereich von einer oder mehreren Mikro-öffnungen durchzogen sein, wobei es sich um einen beliebig erzeugten porösen Bereich handeln kann. Unter diesen Bedingungen ist der Verschluss der öffnung 5 durch die Membran 6 nicht vollständig und es besteht noch ein ständiger leichter Durchfluss des Fluids von der Unterseite der Membran zu ihrer Oberseite in Richtung auf die öffnung 5 hin.

Wenn sich also (Fig. 2) ein Gegenstand auf diese öffnung setzt, so bildet sich zwischen dem betreffenden Gegenstand und der in Verschlussstellung befindlichen Membran 6 ein kleiner Raum aus, in dem der Druck langsam in dem Masse wie die Duft den porösen Bereich der Membran durchströmt zunimmt, um nach einer bestimmten, von der Grosse und der Anzahl der Poren in der Membran abhängigen Zeit einen Wert einzunehmen, der dem Druck unterhalb der Membran gleich ist.

Wird die Oberfläche s. der Membran im Bereich der öffnung 5 zwei statischen Drücken gleicher Stärke ausgesetzt, so wirkt auf diesen Membranabschnitt allein die elastische Rückstellkraft f, die bestrebt ist, die Membran in eine genau waagerechte Gleichgewichtslage zu führen. Jedoch , ' von dem Augenblick an, wenn dieser Membranabschnitt mit der Oberfläche S^ die Gleichgewichtslage erreicht hat, bildet sich entlang der Kanten dieser Oberfläche ein Vakuum ^ ν aus (Fig. 2), welches sich derart mit Luft vom Druck p^

9 0 9 8 4 6/0793

auffüllt, dass sich die Membran 6 noch etwas weiter von der konkaven Oberfläche 2a der Wandung 2 entfernt und die mit 6a bezeichnete und gestrichelt dargestellte Lage einnimmt, wodurch erneut die Ausdehnung der freien Oberfläche der MembranOberseite, die dem Druck p. ausgesetzt ist, vergrössert wird. Mit der steigenden Vergrösserung der freien Oberfläche wächst die Geschwindigkeit, mit der sich die Membran 6 von der Oberfläche 2a entfernt,schnell an, bis die Membran wieder ihre mit 6b (Fig. 2) bezeichnete waagerechte Ruhelage einnimmt.

Diese Geschwindigkeit ist verständlicherweise um so bedeutender, je schwächer die Elastizität der Membran 6 ist, insbesondere falls der Luftdurchtritt durch die Poren im Mittelbereich der Membran beträchtlich ist.

Das beschriebene Ventil kann ebenso gut in waagerechter Lage (Fig. 1) wie in senkrechter Lage (Fig. 4) als auch in jeder weiteren (nicht dargestellten) Zwischenlage verwendet werden.

Nach einer abgewandelten Ausführungsform (Fig. 3) kann die innere Oberfläche der Wandung 2 eben sein, und die Membran 6 sich in geringem Abstand parallel zu ihr erstrecken. In einem solchen Fall werden die Öffnungen 7 für den Luftdurchtritt in einer solchen Entfernung von dem Befestigungsbereich der Membran angeordnet, dass in der von der Membran aufgrund ihrer Verformung eingenommenen Verschlussstellung die Kanten der Öffnungen auf dichtende Weise mit der inneren Oberfläche der Wandung 2 in Berührung kommen. Auf diese Weise verbleibt die Membran 6 solange fest anliegend an der Wandung 2, wie kein Gegenstand die Öffnung 5 versperrt. Natürlich ist der Mittelteil der Membran 6 gleichfalls porös, um ein ständiges geringes Entweichen von Luft in Richtung der Öffnung 5 zu. ermöglichen.

909846/0793

Obwohl sich Beschreibung und Zeichnungen nur auf Ventile zur Einspeisung von Iförderluft in pneumatisch betriebene Förderanlagen beziehen, liegt es auf der Hand, solche Ventile auch für andere Zwecke zu benutzen, insbesondere auf ihrem herkömmlichen Anwendungsgebiet als Sicherheitsarmaturen in Leitungen von unter Druck stehenden Fluiden.

Patentansprüche %

90 9846/0793

Claims

11 Patentansprüche

M.\ Bistabiles Ventil, insbesondere zum Steuern des Flusses eines Fluids durch eine öffnung in einer Wandung, die zwei Bereiche voneinander trennt, von denen der eine ständig aus einer Quelle eines unter Druck stehenden Fluids gespeist wird, mit einer vor der Öffnung angebrachten elastischen Membran an derjenigen Seite der Wandung, die mit dem mit der Fluidquelleverbundenen Bereich in Verbindung steht, wobei die Membran an ihren Rändern luftdicht befestigt ist und ihre Oberfläche in der Nähe dieser Ränder von Öffnungen durchzogen ist, die den Durchtritt des Fluids gestatten, und zu elastischer Verformung befähigt ist, um sich an die Wandung anzulegen und die öffnung zu verschliessen, wenn der auf ihren beiden Seiten herrschende Druckunterschied einen festgelegten Wert erreicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen der Wandung(2) und der Membran (6) und/oder in radialer Richtung zwischen jeder Membranöffnung (7) und der öffnung (5) der Wandung derart gewählt sind, dass der Durchfluss des Fluids durch die Membranöffnungen (7) in Richtung der öffnung (5) in den von Wandung und Membran begrenzten Raum (8) mit ausreichend heftiger Geschwindigkeit vor sich geht, damit sich infolge des auf der Oberseite der Membran (6) erzeugten dynamischen Druckabfalles die Membran in eine Verschlusslage verformt, wenn der Druckunterschied der dynamischen Drücke beider Räume um einen Betrag unter einen festgesetzten Wert sinkt, der dem dynamischen Unterdruck entspricht.

2_e Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Qfeil der Wandung (2), der die öffnung (5) umschliesst und der Membran gegenüberliegt, über seine ganze Ausdehnung in konkaver Gestalt ausgebildet ist und dass die Membran ihrerseits mit dem Rand dieses konkaven leils in Berührung steht.

909846/07 93

3. Ventil nach. Anspruch 1, bei welchem der Seil der Wandung (2), der die öffnung (5) umschliesst und der der Membran

(6) gegenüberliegt auf seiner gesamten Ausdehnung eben ist, ■ während sich öle Membran parallel zu diesem Wandungsteil erstreckt, daduasebi gekennzeichnet, dass die Membranöffnungen

(7) von den Sandern der Membran um einen grösseren Abstand entfernt sind als die Membranwurzel von der Wandung und zumindest hinreichend weit» um die Membranöffnungen (7) beim Berühren der Wandung (2) zu verschliessen, wenn sich die Membran in eine die Öffnung (5) versperrende Lage •verformt ο

4·· Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (6) in ihrem der Öffnung (5) in der Wandung gegenüberliegenden Heil zumindest einen Durchlass mit viel kleinerem Querschnitt als demjenigen der Membranöffnungen (7) besitzt, der einen ständigen leichten isistritt von Fluid in Richtung der öffnung (5)gestattet.

5. Ventil nach Anspruch 1 und 4-, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran zumindest auf einem feil ihrer der Öffnung (5) gegenüberliegenden Oberfläche porös ist.

MP/FÜ - 20 950

909846/0783